专利名称：Led驱动保护电路的制作方法
技术领域：
LED驱动保护电路与相关申请相互参照本发明包含了美国专利申请号61/565，507的全部内容，上述美国专利的申请时间为2011年12月1，发明名称为“LED驱动保护电路”。
背景技术：
本发明涉及LED照明驱动电路，尤其涉及LED照明驱动电路的保护方面。一种LED照明驱动电路利用功率因数校正(PFC)控制器，例如以转换模式工作的电流型PFC控制器，和向LED提供隔离供电的反激变换器。人们希望采用PFC控制器的LED驱动电路具有各种电路保护特征，同时又不需要增加价格昂贵的电路元件或使之复杂化，以避免使实施现有技术中所揭示的典型的电路保护方案的费用增加。
发明内容本发明可包含所附权利要求中所论述的一项或多项功能特性、和/或包含以下所列功能特性中的一种或多种及这些功能特性的一种或多种组合。—种示范性的LED驱动电路基于采用反激式拓扑的转换模式功率因数校正控制器(PFC)集成电路。该LED驱动电路采用具有各种故障和冲击保护特性、输出电路开路负载和短路保护特性、以及主变压器超温保护特性的通用输入电路。通过以下对所述实施例的详细描述，本发明所揭示的其它特点将会对本领域的技术人员显而易见。
本发明的详细说明特别参照附图，其中:图1A和IB是本发明所述的LED驱动电路的示意图；图1A示出了输入电路，图1B示出了隔离输出电路；图2是图1A和IB所示的LED驱动电路的电源线输入和抗电磁干扰(EMI)部分；图3是图1A和IB所示的LED驱动电路的示范性IC U4引脚布置图；图4是图1A和IB所示的IC U4的示意性电压调节和电流调节控制曲线图；图5是图1A和IB所示的LED驱动电路的输出电路部分的第一实施例示意图；以及图6是图1A和IB所示的LED驱动电路的具有超温保护特性的输出电路部分的第
二实施例示意图。
具体实施方式
为了阐述和理解本发明的原理，下文中将参照附图中所示的一个或多个示范性实施例并用专用语言来说明本发明。[0017]具有反激变压器的LED驱动电路的概述参照图1A和1B，其中示出了 LED照明驱动电路的一种示范性实施例。图1A所示的驱动电路的PFC输入电路部分基于转换模式PFC控制器IC Ul，例如L656x系列IC (例如位于美国德克萨斯州科佩尔市和瑞士日内瓦市的STMicroelectronics公司提供的L6562A)。该驱动电路采用反激变换器拓扑结构，并能够适应从120Vac至277Vac的电源线输入电压。参照图1A，升压变换器连接到整流桥二极管Dla、Dlb、Dlc、Dld的输出。反激开关包括MOSFET Q1，并由IC Ul驱动。升压变压器Tl实现一次绕组Np和二次绕组Ns之间的耦合(图1B)。在Ql关断时，二极管D3和R32/C32电路钳住峰值漏感电压尖峰。在起动时，IC Ul由连接在电容C6两端的回路供电电压VCC供电，电容C6由线路整流直流电压VDC通过电阻Rl、R2a和R2b充电。在正常工作时，变压器Tl的辅助绕组Na和配套元件可用于为IC Ul产生15V VCC0电阻R3也与辅助绕组Na连接，为IC Ul的L656x测流(ZCD)引脚提供变压器信号，在每个开关操作循环中接通MOSFET Ql0电阻R34感知流入变压器一次侧的电流。当测流引脚Z⑶上的信号达到通过L656x的内部倍增器设定的水平时，MOSFET Ql关断。由电阻R7/R8/R9和R5构成的分压器为IC Ul的倍增器(MULT)引脚提供瞬时电压信息，该信息用于调节流入变压器Tl的一次侧的电流。IC U2a/b是一个光耦合器。输入端U2a在电路的PFC/输入电路部分中(图1A)，输出端U2b在LED驱动电路的输出电路部分中(图1B)。光耦合器U2从LED驱动电路的输出电路部分向LED驱动电路的PFC/输入电路部分传送控制信号，例如向IC Ul的误差放大器的反相输入INV引脚传送控制信号，该信号也倍增，作为开/关控制输入。反激LED驱动控制电路概述参照图1B，耦合到升压变压器Tl的二次绕组Ns的输出整流二极管D5是快速恢复型二极管。电容C24跨输出耦合，以滤除高频脉动。输出电压脉动频率是输入的两倍，实测为120HZ。最终，LED灯上的电压脉动小于3.0%，通过LED灯的电流的电流脉动为20%左右。IC Ul PFC的输出电压和电流反馈由光耦合器U2a/b提供。光耦合器输入U2b由IC U4的控制输出OUT引脚5驱动(图3)，恒压恒流二次控制器集成电路U4可为由位于美国得克萨斯州科佩尔市和瑞士日内瓦市的STMicroelectronics公司提供的SEA05。IC U4包含用于进行电流调控和电压调控(CC和CV)的双控制回路。IC U4集成有参考电压、两个运算放大器和一条低压侧测流电路。OUT引脚5的控制输出是两个内部运算放大器的公共开路漏极输出，Vcc引脚6是IC U4的电压源。输出电压感测通过电阻R21和R20/R20b实现，它们构成一条分压器电路，该分压器电路的中点耦合到IC U4的Vctrl输入(对于SEA05为引脚3)，用于感测现有输出电压，以驱动LED灯。Vctr是IC U4的运算放大器电压回路的反相输入。输出电流感测通过耦合到IC U4Ictrl输入(对于SEA05为引脚4)的电阻网络R25、R25bl、R25b2实现，用于低压侧电流感测。IC U4引脚I的Isense是运算放大器电流回路的反相输入，IC U4的引脚2接地，作为设备的偏置电流的回流线路，为所有电压值提供OV参考。电路的输入保护特性参照图2，其中示出了 LED驱动电路的电源线输入和抗电磁干扰部分。电源输入回路包括熔断器F1、EMI滤波电感LI和配套的电容、可变电阻V1、涌流限制器R2、以及采用二极管Dla, Dlb, Dlc和Dld的整流桥。输入电路提供各种故障和冲击保护功能。熔断器Fl与输入电源线串联，从而防止因驱动电路中发生短路故障而导致输入电源线短接。可变电阻Vl电耦合在电源线输入和中性线输入之间，防止电路受到电压冲击的影响。为了支持通用电源线输入特性，可使用电压额定值为320V的可变电阻。涌流限制器R2可为负温度系数(NTC)热敏电阻。例如，在向驱动电路通电之前，NTC热敏电阻的温度约为室温，并且电阻值较高；因此，在首次通电和驱动电路起动时，NTC热敏电阻会限制电源线的电流。在起动后，NTC热敏电阻R2的温度上升，其电阻值降低；因此，由NTC热敏电阻R2导致的功率损失降低。所以，在驱动电路首次起动时，NTC热敏电阻R2能够减少电源线的涌流。电路的输出保护特性参照图5，该图显示了 LED驱动电路的输出部分的第一个示范性实施例，输出电压和电流反馈提供到光耦合器U2的输入，由IC U4的OUT引脚5驱动。IC U4的电压调节功能用于在开路时限制输出电压。IC U4的电流调节功能用于为连接到驱动电路的LED灯提供恒定电流。当等效负载电阻增加到高于某个值时，从驱动电路向LED灯输送的电流会减小。图4显示了正常条件下I⑶4的恒流CC和恒压CV控制曲线。当LED驱动电路负载(输出LED+和LED-)开路时，输出电压可限制为预定值，以保证安全。例如，在图5所示的示范性实施例中，典型LED灯的额定值为36V和720mA。电阻R20和R21之间的接点连接到IC U4的Vctrl，用于感知输出电压，因此由驱动电路提供的输出电压取决于由电阻R20和R21构成的分压器电路。基于常规的LED灯额定值，可为电阻R20和R21选择适当的值，使得当输出为开路时提供45Vdc最高输出电压，从而不提供负载。图5所示的驱动电路输出部分还向LED灯提供受控的恒定电流。测流电阻R25与提供给LED灯的负极LED输出串联。在此示范性实施例中，电阻R25的值为0.10欧姆(1%)0为了精确感测驱动电路输出电流，选用与测流电阻R25并联、由电阻R25bl和R25b2构成的分流电路，以提供所需的输出电流。此示范性的IC U4采用50mV进行电流感测。因此，额定电流为720mA的灯的感测电阻确定为50mV/0.72A = 69.4毫欧。由于难以找到电阻值如此并且精确的感测电阻，因此把两个电阻R25bl和R25b2与测流电阻R25并联，以提供所需的电阻值，使得当通过电阻R25的电流为720mA时能提供50mV电压值。例如，电阻R25bl+R25b2的总值可为电阻R25的电阻值的100倍左右。IC U4还提供输出短路保护。LED负载短路可能发生在驱动电路的两个不同时段:输出在驱动电路起动前短路、以及输出在驱动电路起动后短路。虽然15欧姆电阻RlOO能够为IC U4提供一定程度的保护，但是需要更多的短路保护。若驱动电路输出端(LED+和LED-)的负载在LED驱动电路起动前短路，则在图5所示的输出电路中，不会向IC U4的Vcc引脚提供正确工作所需的供电。为了解决此问题，可以向IC U4的Vcc引脚提供附加电源或备用电源，如图1B的下半部分所示。具体而言，当不能从图1A所示的输入电路获得供电时，变压器输出Na2和配套的元件向IC U4提供直流供电，从而在输入电路起动时IC U4能够工作，这样，在LED驱动电路起动时，能够提供输出短路保护。若驱动电路输出端(LED+和LED-)的负载在驱动电路起动后短路，则电容C12会快速放电，导致过高电流，造成危险。增加图5所示的NTC热敏电阻R26b能够防范这种危险。为了使驱动电路在起动后稳定工作，电解输出电容C12(1000uF，50V)通常充电到36Vdc左右。若在驱动电路正常起动后发生输出短路，则从电容C12接收电荷的正常电路总电阻为0.2欧姆左右，因此，初始短路电流可为180A左右。这种过高电流可能导致闪弧击穿。增加一个与输出LED串联的NTC热敏电阻R26b能够显著降低闪弧电流。例如，采用I欧姆NTC热敏电阻时，初始短路电流可降低为36V/1.2ohm = 30A，约为原值的17%。为了驱动电路能够正常工作，在电路起动后连续工作时，NTC热敏电阻R26b的温度会提高，热敏电阻R26b导致的功率损失会显著减小。图6显示了结合有超温保护(OTP)功能的第二个示范性输出电路实施例，该OTP功能是由对变压器Tl的温度升高有反应的元件实现的。分压器电阻R21、R20、电阻R20a和R20b、以及PTC热敏电阻R4和R4b提供OTP功能。若没有提供OTP功能的热敏电阻，则该输出电路相当于短接在电阻R20b的两端。如上所述，电阻R20和R21提供电压反馈分压器，并用于提供45Vdc最高输出电压。热敏电阻R4和R4b可与变压器Tl热耦合。若发生超温情况，随着变压器Tl的温度升高，热敏电阻R4和R4b的电阻值会升高。在正常(室温)工作温度时，热敏电阻R4和R4b的电阻值在数百欧姆范围之内，或者更小。随着热敏电阻的温度升高，热敏电阻R4和R4b的电阻值可能升高到数百千欧。假定电阻R20a = 0欧，电阻R20b开路，PTC热敏电阻R4和R4b在低温时提供分流电路，并且PTC热敏电阻的电阻值在低温足够低，不会影响分流电路。因此，在此低温/正常温度条件下，电路的电压输出被限制到45Vdc ;但是，随着温度升高并达到某个水平时，R20+R4的电阻会增大，导致LED输出电压降低，因此电流和功率输出也降低。随着提供给LED灯的输出功率降低，LED灯和驱动电路都会发生降温。例如，热敏电阻R4可为通孔型，安装在主变压器TI附近，而热敏电阻R4b可为SMD型，安装在主变压器Tl下的PCB上。热敏电阻R4和R4b在驱动电路中提供冗余能力，避免可能的故障方式。有利的是，由于热敏电阻R4和R4b可为离散值，因此电阻网络(R20、R20a、R20b、R4和R4b)的电阻值在各件产品之间的差异很小，在批量生产时产品能够保证较高的热学性能。虽然本发明是按上述附图和说明来示例和阐述的，但这些附图和说明仅是示意性的，不应视为对本发明的限制。应理解的是，其中所示和所述的实施例仅是示意性的，在本发明的原理和范围之内所做的所有变化和修改应属于本发明的权利要求和发明内容限定的保护范围。
权利要求1.一种LED驱动电路，包括: 具有输入电路和输出电路的反激变换器； 与输入电路结合并具有控制输入的功率因数校正(PFC)控制器；以及 与输出电路结合的恒压和恒流二次控制器，该二次控制器的输出向所述PFC控制器的控制输入提供控制信号； 其特征在于，输出电路的输出电流调控和电压调控由PFC控制器和二次控制器的操作实现。
2.如权利要求1所述的LED驱动电路，进一步包括光耦合器，所述光耦合器把二次控制器的输出与PFC控制器的控制输入耦合，从而实现输入电路和输出电路之间的隔离。
3.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，当输出电路的输出处于开路时，所述二次控制器还在输出端提供选定的最高输出电压。
4.如权利要求3所述的LED驱动电路，进一步包括耦合于输出电路的输出端的电阻性分压器，该分压器的中间节点耦合到二次控制器的电压控制输入，为电阻性分压器选择的值提供所述选定的最高输出电压。
5.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，在超温状况下，所述二次控制器还能降低输出电路的输出功率。
6.如权利要求5所述的LED驱动电路，进一步包括耦合在电阻性分压器和接地点之间的至少一个正温度系数热敏电阻；其特征在于，温度升高会使电阻增大，并使二次控制器感测的分压器电压升高，因而会指令降低输出电压并减小输出功率。
7.如权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述反激变换器进一步包括变压器，所述至少一个正温度系数热敏电阻与该变压器热耦合。
8.如权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述至少一个正温度系数热敏电阻包括至少两个并联电偶的正温度系数热敏电阻，从而提供冗余温度保护能力。
9.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于: 所述输出电路进一步包括为二次控制器供电的供压电路；以及 在驱动电路的输入部分起动之前和起动过程中，所述二次控制器得电，并提供输出电流短路限流保护。
10.如权利要求9所述的LED驱动电路，进一步包括与输出电路的输出串联耦合的负温度系数热敏电阻，该热敏电阻提供附加电阻，在输出电路的输出发生短路时可限制输出电流。
11.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，所述功率因数校正控制器采用电流模式控制。
12.如权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，所述输入电路进一步包括短路保护、冲击保护、以及起动涌流限流保护。
专利摘要一种示范性的LED驱动电路，它基于采用反激式拓扑的转换模式功率因数校正集成电路。该LED驱动电路采用具有各种故障和冲击保护特性、输出电路开路负载和短路保护特性、以及主变压器超温保护特性的通用输入电路。
文档编号H05B37/02GK203072197SQ20122066662
公开日2013年7月17日 申请日期2012年12月3日 优先权日2011年12月1日
发明者吴铭良 申请人:Rab照明设备公司