能够监测浪涌保护布置的使用的驱动器电路的制作方法

本发明涉及驱动器电路中浪涌保护布置的使用，并且特别涉及浪涌事件的计数，以使得这样的浪涌保护布置的寿命能够被监测。

背景技术：

众所周知，使用浪涌保护器来保护电子电路免受浪涌事件期间的损坏。

由雷电和其他电力湍流引起的浪涌电流对包含半导体部件的电子设备(诸如，led驱动器和电信设备)而言是高风险的。

浪涌保护器用于抑制ac输入处的电流浪涌。浪涌保护器的一个常见示例是成本低且性能好的金属氧化物变阻器。当浪涌事件传播到ac电力线时，变阻器用于提供低阻抗路径，以旁通浪涌电流并钳位浪涌电压。

然而，金属氧化物变阻器的寿命是有限的，并且与其用于旁通浪涌事件的次数及其旁通的电流有关。当器件故障时，通常将导致保险丝断开，并且交流输入被切断。

目前，存在两种方式来改善由浪涌保护器引起的可靠性问题。一种方式是利用浪涌事件计数器。这向客户提供了浪涌事件的数目。使用该信息，可以估计剩余寿命。另一种方式是使用较高额定电流的浪涌保护器。

这些解决方案是有效的，但它们是昂贵的。它们还需要附加的安装空间。例如，浪涌计数器通常使用电流变换器来拾取浪涌信号。这种解决方案不适合用于诸如led驱动器的小功率单元。当选择高额定电流器件时，浪涌事件的数目仍然决定了保护器的寿命，并且对更高规格的部件而言需要更多的空间。

us2011/0096445a1提供了浪涌电流保护电路。浪涌电流保护电路包括峰值电流检测器和电流感测设备。峰值电流检测器通过监测hs(高边)开关的节点上占空比的变化来检测浪涌电流何时出现。

技术实现要素：

具有低成本和较少的部件/占地面积的浪涌计数功能将是有利的。为了更好地解决这个问题，所提出的发明由权利要求限定。

根据依照本发明的一个方面的示例，提供了一种驱动器电路，包括：

市电输入；

开关模式功率转换器，用于传送通过使用脉宽调制信号进行切换而从市电输入获得的输出，其中开关模式功率转换器包括用于控制脉宽调制信号的脉宽和/或占空比的脉宽控制器；以及

监测器，用于监测脉宽调制信号的脉宽和/或占空比，并用于从脉宽中检测浪涌事件。

本发明的示例利用如下的原理：浪涌事件被转换器当作其输入功率，并且因此转换器将根据输入功率的振幅来适应其切换行为。转换器的切换反映了输入功率(包括浪涌事件)的幅度。由于浪涌具有与正常电源不同的唯一振幅/时间波形，所以转换器的切换是不同的，并因此指示浪涌。

这种驱动器电路能够监测(在市电输入中)发生了多少浪涌事件。以这种方式，浪涌保护布置的使用可以被监测，使得这样的浪涌保护布置的寿命可以被监测。监测不要求复杂的附加电路，因为它可以简单地使用对由开关模式功率转换器的现有脉宽控制器生成的现有脉宽控制信号的分析来实现。因此，本发明的示例为诸如在led驱动器中使用的开关模式电源单元提供了新的浪涌计数器方法。通过监测led驱动器中的pwm信号，浪涌事件可以在不需要电流变换器的情况下被检测。因此，浪涌计数器的成本低，并且驱动器中几乎不需要附加的部件。

驱动器电路可以包括市电输入与开关模式功率转换器之间的整流器。这种实施例提供其在ac市电中的应用。

在本发明的一个实施例中，监测器可以用于从以下中的任一项中检测浪涌事件：

具有落在第一范围内的脉宽和/或占空比的窄脉冲；

脉宽和/或占空比随时间的变化。

通过“窄脉冲”意指如下的脉冲：该脉冲与正常输入功率(诸如，220/110vac正弦波)情况下的pwm信号的正常脉宽相比，具有短的持续时间/宽度，或者与正常输入功率(诸如，220/110vac正弦波)情况下的pwm信号的正常占空比相比，具有小的占空比。

在一个示例中，监测电路用于检测尖峰或噪声事件，检测尖峰或噪声事件基于：在针对最小持续时间的第一范围内(即，基本上瞬时地)，脉宽减小到窄脉宽，或占空比减小到低占空比。这一范围可以从零到最大，使得所有特别短的pwm脉冲或特别低的占空比都被检测到，每个特别短的pwm脉冲或特别低的占空比对应于特别高的电压。瞬时(最小)持续时间可以例如取为通常小于几十μs的短持续时间的几μs(1μs-10μs)。不同的持续时间可以用于区分功率浪涌与功率尖峰/噪声。因此，检测到任何窄脉冲都指示输入处的某种形式的扰动，包括尖峰或噪声事件以及浪涌事件。检测到特别短的持续时间的窄pwm脉宽和/或占空比指示尖峰或噪声事件，而检测到短持续时间的窄pwm脉宽和/或占空比指示浪涌事件。

电路可以因此能够监测噪声和尖峰以及更长的浪涌事件。

在将浪涌从其他功率异常情况识别出中，具有更为鲁棒和准确的解决方案将是有利的，其他功率异常情况诸如尖峰、噪声或长期过功率。在另一示例中，监测器用于从脉宽和/或占空比随时间的变化中检测浪涌事件，并且包括用于检测浪涌事件的监测电路，检测浪涌事件基于：脉宽从宽脉冲(即，具有比窄脉冲长的脉宽)减小到窄脉宽或占空比从宽脉冲(即，具有比窄脉冲大的占空比)减小到低占空比，在落在范围(可以被认为是如上文所指出的短持续时间)内的时间段保持具有窄脉冲特特征，并且然后返回到宽脉冲。这用于检测一系列的窄脉冲以及哪个系列持续特定的持续时间。

条件的这些集合可以被选择为表示由诸如雷击的浪涌事件引起的脉宽和/或占空比的变化。脉宽和/或占空比减小，因为市电输入中存在高电压，使得开关模式功率转换器的转换比降低，以传送相同的dc输出，但是这种高电压具有与长期过功率的持续时间相比有限短的、但与尖峰/噪声的持续时间相比仍然相对长的持续时间。也可以检测减小了宽度和/或占空比的脉冲的特征总持续时间。

时间段范围或短持续时间可以落在25μs至100μs的范围内，更优选地在50μs至80μs的范围中。

这些范围表示要被检测的浪涌事件(诸如，雷电)的类型的典型持续时间。这是户外装备中需要浪涌保护的主要原因。

监测器可以适于基于脉宽从宽脉宽减小到窄脉宽来检测浪涌事件，窄脉宽具有在第一范围内的脉冲占空比，宽脉宽具有在第二范围内的脉冲占空比。

窄脉宽和占空比的这种组合可以被选择为使得当在正常市电输入信号(包括正常ac正弦波的所有预期变化)与所期望的调节的dc输出之间转换时，开关模式转换器的正常操作期间不出现这种组合。例如，第一范围可以基于在将标称市电信号转换为调节的dc输出时开关模式功率转换器的正常操作的占空比范围的一半或小于一半的值。

例如，第一范围的占空比范围可以是0.1至0.2，这意味着pwm信号的0.1至0.2的占空比指示被认为是浪涌/尖峰电压的高电压，并且第二占空比范围可以是0.3至0.4，这意味着pwm信号的0.3至0.4的占空比通常是输入电压落在ac市电输入功率的正常范围内的情况下的正确占空比。

监测电路可以包括每当窄脉宽被检测到时提供检测脉冲的逻辑电路，并且其中检测基于监测检测脉冲在时间段范围上的序列。

这种实施例提供了关于如何检测短脉宽和/或占空比的更详细的实现方式。监测可以因此被实现为简单的逻辑电路。然而，其也可以在开关模式功率转换器集成电路控制器内实现。

监测电路可以包括脉冲计数器，以监测检测脉冲的序列，并且其中逻辑电路包括：

信号发生器，用于每当存在脉宽调制信号的前沿时生成具有脉宽的参考脉冲信号，参考脉冲信号的脉宽或占空比对应于阈值；

与门，用于输出参考脉冲信号和脉宽调制信号的与结果；

异或门，用于输出与结果和参考信号的异或结果，所述异或结果由所述脉冲计数器监测，以监测所述异或结果中的脉冲的序列。

脉冲计数器逻辑电路可以用于检测检测脉冲的具体序列，例如，具有对应于落在预设范围内的时间段的长度(即，脉冲数)的1s的序列。上述功能可以容易地在开关功率转换器的pwm控制器中实现，因此成本低，并且不需要添加额外的部件。

驱动器电路可以进一步包括：

浪涌保护部件；以及

用于通知所检测的浪涌的累计数目的接口。

浪涌事件的检测可以用于向用户显示浪涌保护部件的寿命。

浪涌保护部件可以被设置在市电输入上，并且可以包括金属氧化物变阻器。应当理解，任何其他的浪涌保护部件都是适用的。

在另一实施例中，脉宽控制器可以包括：

耦合到输出的反馈输入；

用于接收参考的参考输入；以及

比较器，用于将参考与反馈输入处的输出进行比较，并从中确定脉宽调制的所述脉宽和/或占空比。

这种实施例提供了脉宽控制器的详细实现方式。

本申请还提供了本发明在照明应用中的应用。更具体地，驱动器电路可以包括led驱动器电路。

照明电路可以包括如上文所定义的驱动器电路以及由所传送的输出供电的led布置。

在方法方面，本发明还提供了传送输出功率的方法，包括：

通过使用脉宽调制信号切换市电输入，来转换市电输入并传送输出；

针对市电输入处出现的浪涌事件，提供浪涌保护；以及

监测脉宽调制信号的脉宽和/或占空比，并从脉宽和/或占空比中检测浪涌事件。

参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是明显的并且得以阐明。

附图说明

现在将参考随附的附图来详细描述本发明的示例，在附图中：

图1以简化的形式示出了驱动器电路的一个示例；

图2示出了如何将图1的驱动器电路应用于led驱动器；

图3示出了浪涌事件如何影响开关模式功率转换器内所使用的pwm信号；

图4示出了用于检测浪涌事件的逻辑电路；以及

图5是解释图4的电路的操作的定时电路。

具体实施方式

本发明提供了驱动器电路，驱动器电路包括市电输入和开关模式功率转换器，开关模式功率转换器用于传送通过使用脉宽调制信号进行切换而从市电输入获得的输出。开关模式功率转换器包括用于控制脉宽调制信号的脉宽和/或占空比的脉宽控制器。监测器用于监测脉宽调制信号的脉宽，并用于从脉宽和/或占空比中检测浪涌事件。

图1以示意的形式示出了本发明的驱动器电路10的一个示例。

电路10由市电电源12供电，并且包括开关模式功率转换器smpc，其用于传送通过使用脉宽调制信号18进行切换而从市电输入获得的输出16。该脉宽调制信号18由脉宽控制器20生成，脉宽控制器20用于控制脉宽调制信号的脉宽。

提供了监测器，以用于监测脉宽调制信号的脉宽。这种监测可以包括下文更详细描述的、由比较电路22实现的比较功能。比较电路22逐脉冲地比较pwm信号。如果相邻脉冲的宽度满足某一标准，则生成表示浪涌事件的触发信号。这些浪涌事件可以由计数器24计数。计数器24以接口的形式向用户提供输出信号25，输出信号25指示已经检测到多少浪涌事件或浪涌保护部件在更换之前还可以承受多少浪涌。

图2示出了一个更详细的示例，其中图1的电路被应用于led驱动器电路。

led驱动器电路包括市电输入12，市电输入12通过保险丝f1被供应至提供浪涌保护的金属氧化物变阻器26。然后，信号由全桥整流器30整流。整流的输出由电容器c1平滑化，并且然后被提供至开关模式功率转换器14。

在这一示例中，示出了包括主开关晶体管32、续流二极管d1和电感器l1的降压转换器。开关模式功率转换以已知方式通过晶体管32的切换来控制，特别是基于栅极信号的占空比。

栅极信号由脉宽控制器20生成。控制器接收被提供至反馈放大器36的反馈信号34和参考输入“ref”，反馈信号34是输出处的电压。反馈放大器将输出信号与参考进行比较，并将误差信号输出到脉宽控制器20。如果不存在误差，则脉宽控制器20可以维持pwm信号的当前占空比/脉宽，否则其可以增大或减小占空比/脉宽。

开关模式转换器操作，以提供由u_out＝uc*d给出的电压移位，其中d是pwm信号的占空比。

uc是在整流器30之后的dc电压。

对于恒压驱动器，输出电压u_out被控制为是恒定的。因此，占空比d被控制为与输入电压uc的倒数成比例。因此，如果uc增大，则占空比d将减小。

例如，如果u_out被设置为处于100v处，则如果uc处于300v处，那么d将被改变为0.33。如果u_c增加到350v，那么占空比d将从0.33减小到0.286。

在开关模式功率转换器中，pwm信号的占空比由脉宽控制器20随着输入电压的改变而自动调整。通过改变pwm信号的占空比d，不管输入电压如何，输出都可以被固定。

在正常情况下，pwm信号的占空比是恒定的或在某个范围内，因为ac输入稳定在适当的范围内并且dc输出是固定的。如果pwm脉冲的接通时间改变为异常小的值(即，低占空比)而输出保持相同，那么在ac输入侧处一定存在高电压事件。

在实际应用中，这样的浪涌确实可能发生在ac侧处。虽然浪涌钳位器件26用于钳位ac输入电压，但其仍然具有高于ac额定电压的高残余电压。原因是浪涌保护器从来不是理想的部件，并且根据其特征v-i曲线，其具有一定的阻抗。由浪涌事件引起的残余电压将穿过桥式整流器30，并对下游的大容量电容器c1充电。

以这种方式，到开关模式功率转换器的输入电压uc增加到比正常值高的电压。由于电压uc增加，pwm信号的占空比将被脉宽控制器20减小，以提供不变的输出电压u_out。

在这种情况下，持续时间远低于正常值。例如，如果电压uc异常上升到600v，而输出电压u_out仍保持在100v处，那么pwm信号的占空比将下降到0.16，这低于针对ac输入的波动的正常范围的最小预期占空比，例如，小于对应于uc＝300v的0.33。

图3示出了pwm信号，并且示出了占空比响应于浪涌事件40的减小。占空比的减小仅持续与浪涌事件一样长。举例来说，由雷电引起的浪涌事件可能具有几十μs的持续时间(诸如，约60μs)，并且可能引起超过600v的残余电压振幅。

注意，pwm信号的切换频率通常为数百khz的量级。通常，开关模式功率转换器被设计为在约0.5的占空比(例如，在0.3与0.6之间)或略低于0.5的占空比(例如，在0.3与0.4之间)操作。

因此，浪涌事件可以通过监测pwm信号的占空比来检测。对于固定频率的pwm信号，这等同于监测pwm信号的开(on)阶段的脉宽。然后建立判决标准，以实现真实浪涌、噪声信号或仅是正常容差内的输入电压变化之间的辨别。

主要指示是：

(i)占空比(以及因此的on持续时间)从正常值(例如，0.33的占空比)减小到减小了的值(例如，0.16的占空比)。

(ii)具有窄脉冲的pwm周期持续一定时间，例如50μs至80μs。如随后将讨论的那样，如果窄脉冲持续甚至更短的时间，那么可以推断其与电压噪声或尖峰有关。

(iii)占空比(以及因此的on持续时间)从小的值恢复到正常值。

这些指示可以单独使用或组合使用。因此，浪涌事件可以基于以下中的任一项来检测：

具有落在第一范围内的脉宽的窄脉宽；或者

脉宽随时间的变化。

某个范围内的窄脉宽的单独存在可以表示要被检测的特定电压浪涌事件。这对应于上述指示(i)。脉宽随时间的变化可以被考虑成测量上述指示(ii)和(iii)。

对于基于脉宽从宽脉宽减小到窄脉宽的尖峰或噪声事件而言，可以附加地确定脉宽是否在窄脉宽处保持小于第一阈值的时间段，并且然后返回到宽脉宽。

以这种方式，如果窄脉冲的序列具有极短的总持续时间，那么窄脉宽被认为与尖峰或噪声事件有关。

对于基于脉宽从宽脉宽减小到窄脉宽的所检测的事件而言，可以附加地确定脉宽是否在窄脉宽处保持落在范围(具有非零下限)内的时间段，并且然后返回到宽脉宽。

以这种方式，如果窄脉冲的序列具有特定的特征时间段(即，持续时间)，那么窄脉宽被认为与浪涌事件有关。这可以用于避免将例如在开关模式转换器的切换频率处的噪声或尖峰事件之类的较短持续时间的噪声事件看作是浪涌。

用于检测浪涌的时间段可以落在25μs至100μs的范围内，或更优选地在50μs至80μs的范围内。换言之，时间段的下限可以在25μs与50μs之间的某处，而时间段的上限可以在80μs与100μs之间的某处。

浪涌事件可以基于脉宽从宽脉宽减小到窄脉宽，窄脉宽具有在第一范围内的脉冲占空比，宽脉宽具有在第二范围内的脉冲占空比。因此，可以使用占空比测量来替代脉宽测量。

对于恒定的切换频率，脉宽的测量等同于占空比的测量。如果切换频率不恒定，那么这些将不等同。例如，开关模式功率转换器可以应用恒定的脉宽，并变化切换频率以适应转换比。本发明可以同样应用于以这种方式操作的开关模式功率转换器。

第一范围可以是0.1至0.2，而第二范围可以是0.3至0.6，例如0.3至0.4。第二范围对应于开关模式转换器的正常操作，而第一范围对应于减小了的占空比。

上述三个指示可能都需要满足以检测浪涌事件。例如，如果仅满足条件(i)和(iii)，那么可能存在诸如电压尖峰或噪声的噪声信号，其非常短暂且不像浪涌事件那么有害。

图4示出了可以用于实现浪涌检测的逻辑电路。图5示出了信号之间的关系。

电路包括用于监测检测脉冲的序列的脉冲计数器。

信号发生器50用于每当存在脉宽调制信号的前沿时生成具有脉冲的参考脉冲信号，参考脉冲信号的脉宽或占空比可以是阈值。

与门52输出参考脉冲信号和脉宽调制信号的与结果。

异或门54输出与结果和参考信号的异或结果。异或结果由脉冲计数器监测，以监测所述异或结果中的脉冲的序列。

信号是：

a是来自脉宽控制器的pwm信号；

b是所产生的参考脉冲信号，并与pwm信号a同步，但具有固定的占空比。占空比固定在比浪涌事件出现时的pwm占空比长但比没有浪涌事件出现时的正常值(例如，0.33)小的最小水平(例如，0.16)之上。

c是通过与门修剪之后的输出。在一些情况下，由于低输入电压，pwm信号a的占空比将大于正常值。因为这不是由浪涌事件引起的，所以这一较宽的脉冲信号将由与门来整形(即，输出被限制到信号a中的脉冲的宽度)，以消除逻辑运算中的潜在风险。

d是异或门之后的最终输出。

如果检测到如“000111...11000”的脉冲序列，并且高电平“1”持续了多个周期，该多个周期在如先前设置为判决标准的范围内，那么可以得出结论：发生了浪涌。

上文的示例示出了传送调节的电压的驱动器电路，并且pwm控制器形成被控制为传送所期望的输出电压的脉宽或占空比。相同的方法可以应用于电流调节驱动器，电流调节驱动器旨在通过控制开关模式功率转换器向负载(诸如，led)传送恒定的电流。

在这种情况下，反馈34可以基于电流感测，例如通过提供与输出端子串联的感测电阻器两端的电压作为反馈信号。驱动器电路然后被控制为传送恒定的输出电流。输入到反馈放大器的参考信号然后可以例如实现调光控制。因此，本发明可以应用于电流调节驱动器电路或电压调节驱动器电路。

如上文示例中所示的，本发明适用于led驱动器，但是其总体上适用于任何驱动器。

对所公开的实施例的其他变化可以由本领域技术人员在实践所要求保护的发明中从对附图、公开内容和所附权利要求的研究中理解和实现。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考标记都不应当被解释为限制范围。