自適應開路負載過壓控制方法和電路與流程

本發明涉及一種過壓保護電路和一種用于保護來自電源的輸出防止達到過壓電平的方法。本文中公開的電路和方法尤其適用于被用于將電源到發光二極管(LED)的驅動器。

背景技術：

消費電子設備通常需要針對電氣安全標準進行認證。適當的安全標準根據設備的類型而變化，并且對安全標準的依從性常常由國家規范指定。使用直流電流(DC)功率的設備的通常需要的安全認證指定(一個或多個)設備輸出電壓保持低于安全特低電壓(SELV)電平。針對SELV系統的要求被指定在諸如國際電工技術委員會(IEC)61140和歐洲標準(EN)60335-1的標準中。IEC將SELV系統定義為其中DC輸出電壓一般不能超過60伏特的系統，但是可以允許在短時間段內高于該電壓電平的有限偏移。

照明電路通常必須滿足SELV系統的要求。這呈現關于發光二極管(LED)照明系統的潛在問題，因為針對這些系統的電源必須常常提供接近SELV兼容系統的60伏特限制的電壓。例如，在這種照明系統中的LED可能要求LED驅動器標稱地提供在高達54伏特的恒定電流，以用于正常操作。由于在照明系統電路和其驅動器內的組件容差，由于環境因素(例如溫度)的變化，等等，可能產生在某種程度上高于標稱54伏特電平的電壓，例如57伏特。這在電源輸出電壓和允許的60伏特的電壓限制之間留有很小的裕量，在60伏特電平處過壓保護電路需要禁用輸出功率。在具有LED負載正常操作下提供57伏特的輸出的電源有可能在LED負載被移除時或在某種其它故障條件發生時提供超過60伏特限制的電壓。用于針對這種過壓事件進行保護的技術傾向于具有諸如較高的電路成本或較差的性能的缺點。

用于針對這種過壓事件進行準確保護的一種技術是將過壓檢測電路包含在電源中的隔離變壓器的次級側上。該檢測電路可以包含高準確性組件(例如低容差齊納二極管)以便以較大的準確性檢測過壓事件。次級側上的反饋控制器可以通知初級側上的電源控制器已經檢測到過壓事件并且需要禁用電源。備選地，過壓檢測可以由初級側控制器執行，但是這將要求使用光耦合器或某種相似的組件。這些選項中的任一具有需要額外電路組件從而導致針對電路的較大的足跡要求和較高的電路成本的缺點。

用于針對過壓事件進行保護的第二技術簡單地是要將操作輸出電壓例如從先前提到的54伏特降低為50伏特。這放松對過壓保護閾值電壓的準確性要求。例如，55伏特的標稱閾值可以被用于檢測針對驅動50伏特的標稱輸出電壓的電源的過壓事件。在該閾值電壓應當由于組件容差而適度不準確和/或輸出電壓的感測適度不準確的情況下，輸出可以以相當大的置信度被安全地保持低于60伏特SELV限制。該第二技術具有其不能夠用于在接近于60伏特的電壓處驅動要求恒定電流的電路的缺點。

另外，第三技術利用以上提及的除了SELV要求之外的優勢，其中輸出電壓可以在短時間(例如，200毫秒)內超過60伏特限制一小裕量(例如，5伏特)。用于檢測不安全電壓的閾值被設置在60伏特限制附近。在應當達到該閾值的情況下，禁用電源。該方法具有不存在恢復機制的缺點。在過壓事件例如由于移除的負載或某種故障發生的情況下，電源將保持禁用。這意味著將不支持"熱插拔"功能，并且從過壓事件的恢復將需要電源控制器是功率循環的或類似的。

期望在電源的輸出部處針對過壓事件進行保護的電源控制器和方法。該控制器和方法應當要求較少或不要求額外的電路組件，應當能夠接近于過壓保護閾值操作，并且應當能夠在觸發過壓事件時恢復。

技術實現要素：

根據一種過壓保護的方法的實施例，將針對電源的過壓限制設置為高于針對電源電路定義的安全限制的第一值。如果來自電源電路的輸出電壓達到過壓限制，則停用電源電路并且將過壓限制減小為低于安全限制的第二值。隨后，通常在等待超時時間段之后重新啟用電源電路。對于每次出現電源電路的輸出電壓達到過壓限制的第二值，再次停用電源電路。

根據電源電路的實施例，電源電路被配置為將功率提供到負載并被配置為提供在電源的輸出處的過壓保護。電源電路包括電壓源和控制器，該控制器被配置為控制從電源輸出的電壓和電流。控制器包括過壓保護電路，其被配置為將針對電源電路的過壓限制設置為高于針對電源電路定義的安全限制的第一值。當過壓保護電路檢測到電源電路的輸出電壓達到過壓限制時，其將過壓限制改變為低于安全限制的第二值并且停用電源電路。接下來，通常在等待一時間段之后以該減小的過壓限制重新啟用電源電路。當過壓保護電路檢測到電源電路的輸出電壓達到過壓限制的第二值時，再次停用電源。

本領域技術人員在閱讀下文詳細描述后并且在查看附圖時將意識到額外的特征和優點。

附圖說明

附圖的元件不必是相對于彼此按比例的。類似的附圖標記指代對應的相似的部分。各個圖示的實施例的特征能夠被組合，除非它們彼此排斥。在附圖中描繪并且在隨后的描述中詳細描述實施例。

圖1圖示了包括具有過壓保護電路的電源控制器的電源電路。

圖2圖示了用于針對電源電路實現過壓保護的方法。

圖3圖示了根據第一實施例的由電源電路產生的電壓波形使得其實現過壓保護。

圖4圖示了根據另一實施例的由電源電路產生的電壓波形使得其實現過壓保護。

圖5圖示了根據又一實施例的由電源電路產生的電壓波形使得實現過壓保護。

圖6圖示了用于實現電源控制器內的過壓保護的過壓保護電路的框圖。

具體實施方式

本文中描述的實施例提供在如可以被用于驅動LED照明系統的電源的輸出處的過壓保護。在不添加除了常規電源和相關聯的控制器通常需要的那些之外的重大電路組件的情況下實施過壓保護。另外，該過壓保護允許電源在正常條件下提供接近于安全限制的電壓輸出。另外還有，電源電路和與過壓保護相關聯的控制器能夠在正常操作恢復之后，例如在負載被重新連接或在電源輸出處的故障條件被移除之后，在電源輸出處從過壓事件中恢復。

圖1圖示了如可以被用于將供應功率至LED照明系統的電源電路100。高壓電源110提供電源電路100內的直流電流(DC)功率。高壓電源110可以包括變壓器和整流電路以將交流電流(AC)輸入功率轉換成DC高壓功率。高壓電源110提供到隔離電路130的輸入，隔離電路130用于將任何高壓功率與用于驅動負載(例如LED燈串)的輸出電壓分離。如圖1所示，隔離電路130包括高壓可以被施加在其中的初級側、將輸出電壓提供到負載的次級側，以及可以用于基于從次級側反映的功率來檢測輸出電壓的輔助繞組。隔離電路130可以包括變壓器、被布置為傳輸功率的電感器的集合或用于傳輸功率的某種其他拓撲結構。輸出電壓受制于電壓安全限制，例如標稱上由SELV系統要求的60伏特限制。被供應到隔離電路130的功率的量使用利用開關140實施的脈寬調制(PWM)來控制。開關140可以是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)或某種其他類型的功率開關。

開關140使用從電源控制器120輸出的柵極驅動器(GD)信號來控制。在圖1中圖示的控制器120中，在輸入CS處感測電流并且在輸入ZCD處感測電壓。感測到的電流和電壓被用于生成用于控制開關140的適當的柵極驅動器信號，并且最終提供來自隔離電路130的目標輸出電壓。

電源控制器120可以被實施為數字控制器或被實施為模擬控制器。當被實施為數字控制器時，電源控制器120包括一個或多個處理電路、存儲器、計時器電路以及其他專門的數字電路。當被實施為模擬控制器時，電源控制器120包括例如多路復用器、比較器和計時器。控制器還可以使用模擬組件和數字組件的混合來實施。無論控制器120是使用模擬電路、數字電路還是模擬電路和數字電路的組合來實施的，控制器120被配置為實施下面描述的方法。電源控制器120包括過壓保護(OVP)電路125，其被配置為實施用于針對在電源輸出處的過壓事件進行保護的技術。

注意，以上未更詳細地描述電源電路100的某些組件，因為這些組件是本領域中公知的并且它們的詳細描述將使本發明的獨特方面模糊不清。例如，高壓電源110和隔離電路130是使用常規電路實施的公知組件。此外，注意備選實施方式可以省略這些組件。例如，電源可以直接接受低壓DC輸入(由此不需要AC到DC轉換)，意味著不存在高壓電源。額外地，可能在電源的內部電壓保持充分低時或在非隔離的電源拓撲結構被優選例如為降壓轉換器時無需隔離電路。還可能的是，電源輸出電壓由除了PWM信號的裝置控制。過壓保護的獨特方面被實施在電源控制器120和其OVP電路125內。下面針對如可以被實施在OVP電路125中的方法的幾個實施例并且隨后針對包括OVP電路125的電源電路100來描述相關聯的技術。

圖2圖示了涉及用于實現在電源的輸出處的過壓保護的方法的第一實施例。這樣的方法可以被實現在諸如圖1中圖示的OVP電路125內。電源輸出電壓(V_OUT)一般應當被保持低于電壓安全限制V_{safety_limit}。然而，輸出電壓可以在短時間段內超過電壓安全限制小的量。該方法通過允許輸出電壓做出高達高于安全限制V_{safety_limit}的OVP電壓限制V_{OVP_FULL}的隔離的偏移來利用該例外。如果輸出電壓達到或超過電壓限制V_{OVP_FULL}，則OVP電路停用電源，任選地等待一時間段或直到滿足某種其他準則，并且之后以安全模式重新啟用電源，其中，使用減小的OVP電壓限制并且任選地減少電源的最大電流輸出。

圖2的方法200通過將電壓閾值V_limit設置為高于安全限制V_{safety_limit}的OVP電壓限制V_{OVP_FULL}，并且通過將來自電源的最大輸出電流(I_LIMIT)設置為驅動目標負載以用于恰當的操作可能必要的全電流(I_{LIMIT_FULL})220來開始。接下來，啟用222電源電路。之后監控224對應于電源的輸出電壓的電壓V_OUT。如果檢測到輸出電壓V_OUT達到電壓閾值V_limit，則停用230電源電壓。然后，電壓閾值V_limit被設置為低于安全限制V_{safety_limit}的減小的OVP電壓限制V_{OVP_RED}232。結合這個，最大允許電流I_LIMIT被減小為值I_{LIMIT_RED}234。(這被示出在圖2中的點線框內，因為該步驟是可選的)。在等待自動重啟時間段t_AR240之后，重新啟用250電源電路。結合該重新啟用，重置和啟動260計時器t。再次監控270對應于電源的輸出電壓的電壓V_OUT，但是其中電壓閾值V_limit被設置為減小的OVP電壓限制V_{OVP_RED}。如果檢測到輸出電壓V_OUT達到電壓閾值V_limit，則停用280電源電路，并且將控制返回到等待自動重啟時間段t_AR的步驟240。在輸出電壓V_OUT在如由計時器測試t<t_TO290確定的超時時間段t_TO內保持低于電壓閾值V_limit，則可以推測已經校正了導致初始過壓事件的丟載或其他故障條件。在這種情況下，通過返回到方法的開始來將電源電路恢復到其完整操作模式，其中電壓閾值V_limit被設置回到OVP電壓限制V_{OVP_FULL}，并且針對電源的最大輸出電流(I_LIMIT)被設置回到其全電平I_{LIMIT_FULL}220。

圖3圖示了如可以由第一實施例的方法產生的示例性電壓輸出波形。在該波形的開始，電源電路正在產生輸出電壓V_FULL。在時間t₁處，移除由電源電路驅動的負載，得到開路輸出。如波形中所示，這導致輸出電壓升高到安全電壓限制V_{safety_limit}以上并且達到OVP電壓限制V_{OVP_FULL}。響應于檢測到該事件，OVP電路停用電源電路，為在安全操作模式中重新啟用電源電路做好準備。對電源電路的停用導致輸出電壓例如通過泄放電路而被放電。

在輸出電壓被充分放電之后并且在自動重啟時間段t_AR之后，在時間t₂處重新啟用電源電路，但是其中最大電流輸出(I_{LIMIT_RED})相對于在正常操作(I_{LIMIT_FULL})中最大電流輸出被減小。輸出電壓增大直到其達到電壓限制V_{OVP_RED}，在此時電源電路被再次停用如t_AR所示的時間段。(在初始電源停用和后續停用之后的時間段被示出為與圖3中相同，但是可以不同)。再次重復重新啟用電源電路、達到輸出電壓限制V_{OVP_RED}和停用電源電路的過程。

在時間t₃處，施加電源負載并且用于限制電源的輸出電壓。因此，現在以減小的電流I_{LIMIT_RED}操作的電源電路產生在其被重新啟用之后保持低于限制V_{OVP_RED}的輸出電壓。如果從電源輸出的電壓在重新啟用之后的超時時間段t_TO內保持低于限制V_{OVP_RED}，可以推測故障條件被移除并且電源可以恢復正常操作。因此，在時間t₄處，最大允許電流被增大到其正常值(I_{LIMIT_FULL})并且用于檢測在電源的電壓輸出處的故障條件的電壓限制被升高到其正常操作值(V_{OVP_FULL})。在電源被恢復到其正常操作狀態的情況下，其電源輸出增大到其正常值V_FULL，如果其在故障條件發生之前一樣。

現在將描述也涉及一種方法的第二實施例。該實施例與以上描述的實施例相似，但是在電源電路在其下被重新啟用的準則方面不同。結合圖4中圖示的波形描述該第二實施例。該方法還可以被實現在諸如圖1中圖示的OVP電路125內。

然而，第一實施例的方法示出了在自動重啟時間段t_AR240之后在其安全模式中重新啟用電源電路，第二實施例包括在允許對電源的重新啟用之前的額外準則。更具體地，重新啟用在從電源電路輸出的電壓低于閾值V_{OVP_RESTART}時發生。圖4圖示了如可以由根據該第二實施例實現的電源電路產生的輸出電壓波形。直到時間t₂，第二實施例的方法與第一實施例的方法相同。在這個時間處，如圖4所示，輸出電壓尚未充分地放電并且仍然高于閾值V_{OVP_RESTART}。出于這個原因，電源電路尚未被重新啟用。輸出電壓在時間t₃處被再次檢查并且被發現為已經放電到低于閾值V_{OVP_RESTART}的電平。響應于檢測到這個，電源電路在其安全模式中被再次啟用(即，以減小的電流和減小的OVP電壓限制)，例如如先前在本文中結合圖2中的步驟250到260所解釋的。該第二實施例中的方法的剩余操作與以上在第一實施例中描述的方法的操作相同。

盡管圖4圖示了如下情況：在自動重啟時間段(t_AR)及其倍數之后檢測到電壓輸出，電壓輸出可以被持續地監控以便檢測電壓輸出何時放電到V_{OVP_RESTART}電平。在檢測到該條件后，電源電路在其安全模式中被重新啟用，無論時間段t_AR是否已經流逝。

結合以上描述的第二實施例，電壓電平V_{OVP_RESTART}可以用于無限期地禁用電源。如果在預定時間段(其將一般遠大于時間段t_AR)之后輸出電壓尚未放電低于V_{OVP_RESTART}，可以推測在放電(例如，泄放電路)中存在故障并且沒有繼續嘗試重啟電源的理由。因此，如果輸出電壓在該預定時間段內保持高于V_{OVP_RESTART}，無限期地暫停對重新啟用電源的嘗試。

圖5圖示了根據也涉及一種方法的第三實施例的電源輸出電壓的示例性波形。該實施例可以與第一實施例進行組合并且還可以被實現在諸如圖1中圖示的OVP電路125內。該第三實施例主要涉及解決如下情形：當電源電路被停用時來自電源電路的輸出電壓未充分地放電。這可以例如當泄放電路斷開或否則發生故障時發生。這被認為是比第一實施例描述的移除的負載更嚴重的故障，并且因此，在早前的實施例中描述的恢復方法不是對于這樣的故障期望的。

圖5中圖示的波形以輸出電壓V_FULL開始，該輸出電壓V_FULL如可以當電源電路和相關聯的負載在正常條件下操作時產生。在時間t₀處，故障條件(例如電源負載的移除)發生，從而導致在電壓中的尖峰。在輸出電壓達到限制V_{OVP_FULL}后，停用電源電路。在時間段t_AR之后，在其安全模式中即以減小的最大電流和減小的過壓保護限制重新啟用電源電路。由于實際開關約束，電源電路必須被啟用至少最小時間段(圖5中被示出為t_{START_MIN})。在該時間段之后，檢測到輸出電壓高于限制V_{OVP_FULL}(和V_{OVP_RED})，并且因此再次停用電源電路。重復等待t_AR并在t_{START_MIN}內重新啟用電源電路的過程。在時間t_L處，輸出電壓已經達到高于電壓限制V_{OVP_FULL}的電壓限制V_{OVP_LATCH}。在檢測到輸出電壓已經達到限制V_{OVP_LATCH}后，無限期地暫停對重新啟用電源的另外的嘗試。針對這種情況，在至少并沒有缺少重置系統的情況下，沒有來自(一個或多個)過壓事件的恢復。

如先前所解釋的，以上描述的方法實施例可以被實施在電源控制器120中并且更具體地，在過壓保護(OVP)電路125中。現在將在圖6的背景下描述以上公開的技術，圖6圖示了來自OVP電路125的組件。OVP電路125包括過壓檢測電路620、電流限制電路640、PWM發生器660、柵極驅動器664、狀態存儲器以及計時器。下面進一步詳細地描述這些組件。

過壓檢測電路620生成當檢測到過壓事件時停用電源電路的信號。輸入ZCD 612提供對應于電源的輸出電壓(例如，V_OUT)的電壓。注意，該電壓可以從隔離電路130的初級側、次級側或輔助側感測到，并且在ZCD 620處的電壓輸入不需要等價于電源的最終輸出電壓；其僅僅需要指示(對應于)實際輸出電壓。電壓傳感器622接受輸入ZCD 612，在必要時將其轉化為適合于針對OVP保護閾值進行比較的值，并且將電壓值提供到比較器634。

過壓保護閾值V_LIMIT基于電源的操作模式(例如完整操作模式或簡化操作模式)來確定。在正常(完整操作)模式中，使用輸出OVP參考電壓624(例如，V_{OVP_FULL})，然而，在簡化操作模式中，使用減小的OVP參考電壓626(例如，V_{OVP_RED})。多路復用器632基于指示電源電路的操作模式的輸入信號來確定這些參考電壓中的哪個選擇作為閾值V_LIMIT。

比較器634接受來自電壓傳感器622的對應于電源的電壓輸出的值和OVP保護閾值V_LIMIT作為輸入。響應于確定輸出電壓超過(或達到)OVP保護閾值V_LIMIT，比較器生成指示已經發生過壓事件的信號。該信號被提供到PWM發生器660、自動重啟計時器680以及模式狀態存儲器670。

PWM發生器660提供脈寬調制電壓波形，其基于諸如開關頻率和占空比的PWM參數來控制電源的輸出電壓。由PWM發生器660生成的信號被提供到驅動輸出GD 666的柵極驅動器664。當比較器634生成指示已經發生過壓事件的信號時，該信號在其‘停止’輸入處被輸入到PWM發生器660。隨后，PWM發生器660停止輸出電壓波形，其轉而導致電源電路的停用。PWM發生器660也具有用于啟用或重新啟用電源電路的‘啟動’輸入部，如可以從自動重啟計時器680命令的。PWM發生器可以在上電后默認為激活狀態，或者控制器120的其他元件(未示出)可以將啟用信號提供到‘啟動’輸入部。

指示發生過壓事件的所生成的信號也在其‘設置’輸入處被輸入到模式狀態存儲器670。這導致模式狀態改變為“簡化”操作模式，如在其‘模式’輸出處所指示的。模式輸出被用于驅動多路復用器632，使得其使用簡化OVP參考(例如，V_{OVP_RED})作為其OVP保護閾值V_LIMIT(對于當電源電路被重新啟用時)。在其中在“簡化”操作模式中使用減小的最大允許電流的實施例中，也將模式信號提供到電流限制電路640。模式狀態存儲器670保持處于“簡化”操作狀態直到信號被施加在其‘清除’輸入處，在此時‘模式’輸出被改變使得其指示針對電源的正常(完整)操作模式。注意，模式狀態存儲器可以被實施在包括隨機訪問存儲器、非易失性存儲器或觸發器的任何常規存儲器技術中。

電源電路的重新啟用由自動重啟計時器680控制。該計時器負責等待時間段t_AR。一旦如在其‘啟動’輸入處所指示的檢測到過壓事件，計時器680就被重置和啟動。一旦如可以通過從0計數到t_AR檢測到的已經流逝了時間段，計時器生成超時信號‘exp.’。該信號被輸入到PWM發生器660，使得PWM發生器可以重新啟用電源電路，即使在“簡化”操作模式中。

被表示為“恢復完整模式計時器”690的另一計時器被用作電源的完整操作模式的恢復，例如如可以當移除了故障條件時期望的。只要PWM發生器通過自動重啟計時器680的過期而重新啟用時，計時器690被重置和啟動。一旦如可以通過從0計數到t_TO檢測到的已經流逝了超時時間段t_TO，恢復完整模式計時器生成它自己的期滿信號‘exp.’。該期滿信號指示自上次重新啟用的時間段t_TO電壓輸出尚未在生成過壓事件，并且因此，電源故障條件有可能被移除，使得可以恢復針對電源的“完整”(正常)操作模式。期滿信號在其‘清除’輸入處被提供到模式狀態存儲器670，使得模式狀態可以被改變為“完整”操作模式。

如在方法的第一實施例中所描述的，可以期望當其在其“簡化”操作模式中操作時限制從電源輸出的電流，如在圖2的設置電流限制的I_LIMIT＝I_{LIMIT_RED}234的可選步驟中所示。在OVP電路125中，該技術被實施在可選的電流限制器電路640中。

輸入CS 610提供對應于電源的輸出電流的信號。該電流將通常使用由開關140控制的電源線路上的電壓降來感測，但是可以使用其他方法。電流傳感器642可以感測在輸入CS 610處的電壓并將其轉換為電流。來自電流傳感器642的輸出還可以由輸出電流計算器648轉化，以便更好地對應于從電源輸出的例如在隔離電路130的次級側處的實際電流，或者以否則將電流置于最好的形式以用于輸入到比較器654。

最大允許電流I_LIMIT基于電源的操作模式(例如完整操作模式或簡化操作模式)來確定。在正常(完整操作)模式中，使用最大允許電流644(例如，I_{LIMIT_FULL})，然而在簡化操作模式中，使用減小的最大允許電流646(例如，I_{LIMIT_RED})。多路復用器652基于指示電源電路的操作模式的(來自模式狀態存儲器670的)輸入信號來確定這些參考電流中的哪個用作最大允許電流I_LIMIT。

比較器654接受對應于來自輸出電流計算器648的電源的電流輸出的值、和來自多路復用器652的最大允許電流I_LIMIT作為輸入。響應于確定輸出電流超過(或達到)最大允許電流I_LIMIT，比較器生成指示輸出電流過多的信號。該信號被提供到補償器656，補償器656之后將指示電流需要被限制的一個或多個信號提供到PWM發生器660。補償器656可以例如通過改變PWM頻率或占空比來改變PWM發生器660的PWM參數，以便實現期望的(有限的)電流水平。

OVP電路125已經在以上被描述為包括分立的模擬組件和數字組件的混合。這些組件中的許多以及它們的相關聯的操作可以代替地使用處理器電路實現，處理器電路如由通用計算機、專用計算機、數字信號處理器、控制器或實現存儲在存儲器中的被配置為提供所描述的操作的可編程指令的處理器的組合提供。

如本文中所使用的，術語“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是開放式的術語，其指示陳述的元件或結構的存在，但不排除額外的元件或特征。詞語“一”、“一個”和“所述”旨在包括復數以及單數，除非上下文另行清楚指示。

要理解，本文描述的各個實施例的特征可以彼此進行組合，除非另行特別指出。

盡管已經在本文中說明并描述了特定實施例，但是本領域普通技術人員將認識到，在不脫離本發明的范圍的情況下，各種備選和/或等效實施方式可以代替示出和描述的特定實施例。本申請旨在涵蓋本文中討論的特定實施例的任何調整或變型。因此，本發明旨在僅僅由權利要求和其等效限制。