用于LED照明的非隔离驱动器的制作方法

用于led照明的非隔离驱动器
技术领域
1.本发明涉及一种用于led照明的非隔离驱动器。


背景技术：

2.隔离驱动器通常用在户外照明系统中，以便即使有水进入户外灯具也提供安全功能。当人刚刚触摸金属外壳时，这种进水可能会将驱动器的电气部件电连接到金属外壳。隔离例如涉及在驱动器的输出级使用变压器。通过使用隔离的驱动器，人不会经由进水口和外壳而电暴露于驱动器的输入，220vrmsac电源等。
3.为了实现更小的尺寸和更高的效率，期望能够使用非隔离驱动器。然而，非隔离驱动器在输出和输入之间不具有固有的电气隔离，因此反而需要基于监测泄漏事件来解决安全问题。
4.非隔离驱动器通常用在所谓的1类灯具中，其需要在灯具电平上固体接地，以防止在泄漏的情况下电流流过人体。然而，在实际应用中，不能保证接地。如果有水泄漏到灯具中，诸如在驱动器的输出侧或在led板处，使得led输出被电耦合到灯具的金属外壳，则灯具将变得不安全，因为非隔离驱动器可以直接将来自输入端(诸如高电压220vrms ac电源)的能够以电的方式递送到照明装置的金属外壳。这给触摸工作灯具的金属外壳的人带来了安全问题。
5.需要一种安全电路，该安全电路可以容忍不良的接地连接、并且在使用非隔离驱动器时对于触摸led照明单元外壳的用户保持安全。
6.kr20150000647a公开了一种能够检测led路灯中的泄漏的电路。一组差动线圈位于整个led路灯的火线输入端和中性输入端。
7.us20160118784a1公开了一种用于led的非隔离电源，其经由检测降压转换器(buck converter)和led之间的电源线和返回线中的电流的电流差值δi来确定接地故障。


技术实现要素：

8.本发明的概念是使用非隔离转换器来驱动使用第一输出端和第二输出端的led照明单元。感测电路耦合到第一输出端和第二输出端两者，因此耦合在非隔离驱动器和led单元之间，例如在灯具内。比较第一输出端和第二输出端处的电流以获得它们之间的差值，并基于该差值，确定故障。更具体地，检测差值的ac分量以确定故障。
9.由此能够使用非隔离驱动器，其中感测电路被集成在驱动器和led照明单元之间，因此感测电路也可以驻留在驱动器盒内，并且由此驻留在灯具中。尽管已知使用差动线圈来检测电流泄漏，但是尚未考虑与非隔离驱动器结合使用，以解决其固有的非隔离缺陷以及由此产生的风险。通过使用本发明的实施例，灯具的成本被极大地降低，并且还确保了安全性。
10.本发明由权利要求限定。
11.根据本发明的一个方面的示例，提供了一种用于led照明单元的非隔离驱动器，包
括：
12.非隔离转换器，其具有连接到电源的输入端、用于转换来自电源的功率的转换电路，以及连接到led照明单元上的输出装置，其中所述输出装置包括用于递送电流的第一输出端和用于接收返回电流的第二输出端，其中非隔离驱动器的输出端在没有电气隔离器的情况下电耦合到电源上；
13.感测电路，所述感测电路耦合到第一输出端和第二输出端两者；
14.比较电路，用于比较第一输出端和第二输出端处的电流并获得它们之间的差值；以及
15.控制器，该控制器适于根据是否检测到差值的交变分量来确定是否存在接地故障。
16.该驱动器利用驱动器内的感测电路来启用泄漏电流，且因此启用接地故障检测。这可以用作安全措施，例如用于室外负载。它使得能够使用非隔离转换器电路(并且在电源和驱动器的输出之间没有隔离)，从而允许低成本和高效的转换器电路具有安全保护机制，而不需要变压器隔离。要检测的接地故障例如在输出端的外部，并且例如由通过人体的传导引起。具体地，该方面分析电流差值的ac分量以推断泄漏，因为零线处的电压电位是ac，因此led板相对于零线的泄漏也具有ac分量。这减轻了感测元件中的变化可能产生差异的问题，即使输入和输出电流相同。
17.这里，术语“隔离的”以及因此的“隔离器”或“电气隔离器”是指防止直接的电功率电平传递的任何装置。电气隔离器例如是变压器，其中电力在电场和磁场之间以及磁场和电场之间的过渡中被传递。在这个意义上，“非隔离”驱动器例如是降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、cuk转换器、sepic转换器等，其中驱动器输出端可以例如经由电感器或甚至功率电平电容器(如在cuk和sepic转换器中)直接获得输入电功率，以用于功率电平传递。如果人触摸到输出端，则ac电源的高功率或电压电平将流过人体并经由接地返回到输入端，即形成功率电平回路并因此对人构成危险。
18.通过比较，隔离驱动器例如是基于变压器的转换器，诸如回扫转换器(flyback converter)、升压集成回扫(bifred)转换器、llc或lcc转换器等，其中驱动器输出端不能直接获得输入电功率。输入端反而连接到变压器的初级绕组，输出端连接到变压器的次级次绕组，并且两个绕组仅是磁耦合的用于功率电平电耦合(可以有非常小的y形电容器连接在两个绕组上，但不允许功率电平能量传递，并且本技术不将这种电容器视为电气隔离器)。
19.如果人触摸隔离系统中的输出端，则具有led的输出端本身是不涉及接地情况下的闭环，因此不可能有功率流从输入端通过人体并经由接地返回到输入端，因此避免了对人的风险。
20.感测电路耦合到第一和第二输出端。因此，可以使用标准非隔离驱动器而无需修改。类似地，感测电路可以在led照明单元的输入端之前。因此，也可以使用标准led板。
21.因为非隔离驱动器的输出端在没有隔离器的情况下、例如经由电感器或线性开关等被电耦合到电源，所以存在从电源到输出端的直接漏电的可能性。感测功能解决了这种可能的泄漏问题。
22.感测电路可以包括磁耦合到第一输出端和第二输出端的电感器装置。
23.电感器装置用于检测由不相等的递送电流和返回电流所产生的磁场。感测电路例
如包括零相电流变压器。
24.感测电路可以被设置在非隔离转换器的第一电路板与led照明单元的第二电路板之间，并且控制器适于根据该差值来确定在led照明单元处是否存在接地故障。因此，可以使用现有的第一和第二电路板设计。
25.如果电流差值高于下限阈值，则控制器可适于识别可能由人体传导引起的接地故障。下限阈值例如在1ma和10ma之间，例如5ma。
26.如果电流差值达到上限阈值，则控制器可以适于确定应当实现保护功能。上限阈值例如在5ma和50ma之间，例如20ma。
27.例如，如果电流差值低于下限阈值，则控制器适于识别没有接地故障。该下限阈值可以对应于驱动器或灯具的寄生泄漏水平。
28.驱动器还可以包括开关装置，如果控制器确定了需要保护功能的接地故障，该开关装置用于将第一输出端和第二输出端隔离，从而将led照明单元与转换电路隔离。
29.开关装置例如包括在第一和第二输出端的每一个端处的相应开关。这提供了安全切断功能。
30.在一个实施例中，开关装置包括第一开关(t2)和第二开关(t1)，感测电路(40)适于将第一开关(t2)和第二开关(t1)两端的电压差感测为电流差值。该实施例重新使用安全切断开关，该安全切断开关也用于感测功能，无需使用专用感测电阻器或线圈，降低了成本和尺寸。
31.在另一实施例中，控制器适于确定如果不同电流的交变分量达到某一阈值，通常为10ma，则应该实现保护功能。意味着如果ac分量高于10ma，则确定发生泄漏。该实施例忽略了一些ac噪声并提高了确定的鲁棒性。
32.可以提供锁定电路以维持开关的隔离状态，即使差值从指示需要保护功能的接地故障的值恢复如初。这提供了安全闭锁功能。在这种情况下，驱动器或灯具的重启可以重置锁定电路并再次为led供电。
33.驱动器还可以包括滤波电路，以对电流差值进行滤波并将滤波后的电流差值提供给控制器。这防止了例如由高频噪声引起的错误触发。
34.转换电路可以包括以下各项中的一项：
35.降压变换器；
36.降压-升压转换器；以及
37.升压转换器。
38.在另一实施例中，电流差值可以响应于过电流事件而人为地造成，使得相同的接地故障检测可以被用于过电流检测(和保护)。在该实施例中，非隔离驱动器还包括：
39.感测电路和非隔离驱动器的第二输出端之间的阻抗；
40.电压触发电路，该电压触发电路在led照明单元的阴极与感测电路的互连和上述第二输出端之间，
41.其中该电压触发电路适于当其两端的电压超过某一阈值时导通，所述电压是由超过施加在阻抗上的过电流阈值的电流引起的，并且
42.当电压触发电路导通时，其适于转移来自感测电路的电流，使得比较电路适于获得差值，并且控制器适于将该差值有效地处理为接地故障。
43.在该实施例中，在过电流的情况下，电压触发电路在正线和负线中产生相对于感测电路的电流差值，从而模拟泄漏。进而，控制器将该差值有效地处理为接地故障，因此非隔离驱动器可以用相同的拓扑来检测真正的接地泄漏和过电流。
44.优选地，阻抗包括安全开关的电阻器或导通电阻，感测电路的电阻基本上是可忽略的，并且电压触发电路包括齐纳装置，该齐纳装置的正向电压小于过电流阈值与电阻器的电阻或导通电阻的乘积，但大于标称工作电流与电阻器的电阻或导通电阻的乘积，并且控制器适于将非隔离驱动器与led照明单元切断。
45.该实施例为阻抗和电压触发电路提供了低成本的实施方式。
46.本发明还提供了一种照明电路，包括：
47.如上定义的驱动器；以及
48.led照明单元。
49.照明电路可以被包括在室外灯具中。
50.参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。
附图说明
51.为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地示出如何实现本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图，在附图中：
52.图1示出了连接到主电源的主火线和零线的灯具；
53.图2示出了本发明的驱动器的一般结构；
54.图3以简化形式示出了保护电路的功能；
55.图4示出了电路实施方式和模拟的示例；
56.图5示出了图4的电路的模拟结果；
57.图6示出了如何使用停止信号的第一示例；
58.图7更详细地示出了基于继电器的解决方案；
59.图8更详细地示出了基于mosfet的解决方案；
60.图9示出了另一个实施例，并且
61.图10示出了通过再使用本发明的实施例的接地泄漏保护电路的过电流保护。
具体实施方式
62.将参照附图描述本发明。
63.应当理解，详细的描述和特定的示例虽然指示了装置，系统和方法的示例性实施例，但是旨在仅用于说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其它特征，方面和优点将从以下描述，所附权利要求和附图中变得更好理解。应当理解，附图仅仅是示意性的并且没有按比例绘制。还应当理解，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。
64.本发明提供一种非隔离led驱动器，其具有在第一和第二输出端上递送输出的转换器。感测电路在转换器和led单元之间被耦合到第一输出端和第二输出端。比较第一输出端和第二输出端处的电流以获得它们之间的差值，并且基于该差值确定泄漏故障。这通过检测泄漏故障并且然后采取适当的安全动作而避免了对隔离驱动器的需要。
65.图1示出了连接到主电源12的主火线和零线l，n的灯具10。该灯具具有非隔离驱动器14和led单元16。对于具有非隔离驱动器的灯具，要求灯具具有灯具的固体接地18。然而，如果不保证该接地18，特别是当水泄漏到灯具中时，可以将led输出端连接到灯具的金属外壳时。因为非隔离驱动器将直接将能量传递到灯具的表面(诸如金属外壳)，因此灯具变得不安全。如果人触摸由符号20所示的工作灯具的表面，这是一个致命的问题。然后，电力可以经由大地流过人体(通过手图标示出)并返回到主电源12。
66.图2示出了本发明的方法。驱动器14具有非隔离转换器15和保护电路30。该保护电路被设置在该灯具内部，特别是在非隔离转换器15与led单元16之间。因此，根据本发明的实施例，非隔离转换器15和保护电路30被集成为非隔离驱动器14。
67.图3以简化形式示出了保护电路30的功能。
68.保护电路包括共模电流检测单元40，其测量到地的泄漏电流。这可以是共模检测线圈，或具有电流比较器的感测电阻器。请注意，术语“共模”旨在表示检测到的电流差值经由接地而被泄漏。
69.共模电流检测单元40的输出由放大器电路42放大。到地的泄漏电流通常是ma水平，但是如果被线圈感测到，则对应于泄漏电流的检测信号是小比例信号，因此优选地，检测信号经过精确的放大和信号处理，以生成用作安全指示器的电平。
70.停止电路44用于实现驱动器14的停止功能，例如停止驱动器的开关模式电源电路。该停止电路用于中断与电源的任何连接。停止电路控制停止开关装置46，诸如驱动器和led单元16之间的继电器或电源开关。停止电路44优选地停止非隔离转换器15的操作。
71.整个保护电路能够将任何检测到的泄漏电流降低到安全水平，以避免对人体的电击风险。
72.图4示出了人体触摸的电路实施方式和模拟的示例。
73.非隔离驱动器14包括ac电源输入50，全桥整流器52和非隔离转换器15，该非隔离转换器15具有主开关56且呈开关模式功率转换器形式。开关模式功率转换器包括转换电路，并且它可以包括如图4所示的降压转换器，备选地它也可以是例如降压-升压转换器或升压转换器。led负载被示为电阻器r0。
74.共模电流检测电路被示出为一对电感器60、62，其中每个电感器与来自驱动器14的两个输出端中的相应的一个输出端串联。这些电感器形成零电流变压器(zct)。电感器检测由不相等的递送电流和返回电流产生的磁场。零电流变压器的输出被检测为电阻器两端的电压，该电阻器可以与磁耦合到电感器60和62的感测线圈64(该感测线圈64被示出为放大器电路42的一部分)并联。
75.非隔离转换器15的输出端(即，用于递送通过电感器60的电流的第一输出端和用于接收通过电感器62的返回电流的第二输出端)被提供给led照明单元r0。电感器60、62形成耦合到第一输出端和第二输出端的感测电路。
76.放大器电路42放大感测线圈64两端的电压v(64)，以生成提供给停止电路的放大输出。下游滤波和基极驱动电路44提供干净的停止信号。
77.接地故障由开关70模拟，该开关70由用于模拟目的的电压信号v(n1)以及用于模拟人体阻抗的阻容人体模拟电路72控制。这提供通过阻容人体模拟电路72而到地的连接。通过电阻器r1的电流i(r1)表示体传导电流。r1例如可以是1欧姆。
78.停止电路44施加阈值(使用齐纳二极管z1)，并且来自齐纳二极管的输出用于驱动下拉晶体管t1的基极。当不满足阈值时(因此没有检测到安全问题)，晶体管t1关断，并且停止信号v(out)被拉高。当满足阈值时，晶体管t1导通并且停止信号v(out)被拉低。
79.图5示出了模拟结果，并且示出了泄漏电流i(r1)(使用右手刻度)，控制信号v(n1)(其中高表示身体接触，低表示身体隔离)和停止信号v(out)(其中低值指示安全性问题，而高值指示没有安全性问题)。电压使用左手刻度。因此，低停止信号指示需要安全中断。可以看到人体电流以大约50ma的幅度围绕零附近进行振荡。
80.结果示出了在模拟泄漏时存在停止信号的正确电路操作。
81.因此，本发明的驱动器利用驱动器内的感测电路用于实现漏电流检测，并且因此实现接地故障检测。可以使用标准非隔离驱动器14而无需修改。类似地，感测电路可以在led照明单元16的输入之前，从而也可以使用标准led板。
82.如果通过电感器60、62的电流差值高于下限阈值，则可以断定可能由人体传导引起的接地故障。下限阈值例如是在1ma和10ma之间，例如5ma。还可以存在应当实现保护切换的上限阈值。上限阈值对应于安全阈值，并且例如是在10ma和50ma之间，例如20ma。
83.这些电流表示通过线圈60、62的电流之间的差值，而不是电流i(r1)。
84.如果电流是非常短的脉冲，则通过人体的电流可能极大地超过安全电平(在iec标准中为20ma)。图5的模拟示出了基于特定人体模拟和电源输入的50ma峰值电流(～35ma rms)。如果电流在200ms内超过20ma rms，则电路将激活保护。在该200ms窗口内，峰值电流可能远高于20ma。
85.例如，如果电流差值低于下限阈值，例如1ma，则断定无接地故障的条件。
86.图6示出了如何使用停止信号v(out)的第一示例。共模检测电路40被示为零电流变压器。停止开关46包括在非隔离转换器15和led单元16之间、与来自非隔离转换器15的每个输出线串联的相应的开关。
87.开关可以被实现为继电器或mosfet。
88.在电路的正常操作期间，由于系统中的正常寄生电容，泄漏电流将小于1ma。当人触摸而存在泄漏时，20ma至30ma被认为是对人体的危险的泄漏电流。该电路应该例如在200ms内、在处于5ma和20ma之间的阈值处开始保护。
89.图7更详细地示出了基于继电器的解决方案。停止电路44被示出具有两个参考值vref1，vref2。可控硅整流器scr用于在电压下降到vref2以上时致动继电器46。当电压下降到vref1以下时，则断定无接地故障的条件。
90.当然，可以仅有单个参考电平，低于该参考电平则断定无故障条件，而高于该参考电平则实现保护。
91.图8更详细地示出了基于mosfet的解决方案，不同之处在于切断开关位于zct之前，而在先前实施例中切断开关位于zct之后。晶体管t1和t2与来自非隔离转换器15的两个输出端串联。第一晶体管t1具有第一驱动器80，第二晶体管t2具有电平移动驱动器82。如果在系统连接的方式中存在泄漏，则可以触发保护，但是由于保护停止泄漏，因此触发信号然后将被取消。结果可能是光闪烁。为了避免这种情况，该电路还包括锁定电路84，该锁定电路84保持两个mosfet切断，直到电源被关断并再此被导通(即，复位)。锁定电路锁定驱动器和led单元之间的切断，并避免这种光闪烁。
92.安全保护识别特定的泄漏电流条件、并在定义的定时内实现保护。系统应避免错误触发。环境中总是存在高频(》10khz)噪声。高频噪声不会导致安全问题，并且因此也不会触发保护。滤波可用于滤除高频噪声。
93.在上述实施例中，分析正流入电流和负流出电流之间的差值，以确定是否存在人体引起的泄漏。在一些实施方式中，感测部件不是那么统一。例如，在一个实施例中，安全开关本身也被用作感测部件，其中它们的导通电阻被用于感测流过的电流。
94.如图9所示，高侧mosfet可对应于图8中的mosfet t2；并且低侧mosfet可以对应于图8中的mosfet t1。当它们导通时，它们都具有导通电阻。本发明可以使用两个mosfet两端的电压来反映电流，但是分量变化可能很大，使得它们的导通电阻不同，从而导致出现很大的电压差，即使电流相同，这可能导致误检测和误保护。
95.为了解决这个问题，本发明的实施例提出分析电压差的交变分量。这基于led驱动器的输出在正线和负线上都是dc的事实。接地泄漏是从两条线中的任一条线到保护接地，该保护接地被耦合到ac的零线。因此，接地的电压电位是交变的。如果存在从led板到零线的泄漏，则泄漏电流将具有交变振幅；因此，高侧mosfet和低侧mosfet上的电流差值具有交变分量。
96.图8中的实施例通过使用运算放大器u1，以及使用运算放大器u1的输出处的电容器来输出交变分量(如果有的话)，从而计算和放大该差值。如果检测到交变分量，优选地高于某一阈值，则控制器确定存在接地故障。
97.图10示出了通过再使用本发明实施例的接地泄漏保护电路的过电流保护。
98.如上所述，本发明基于具有如图8所示的泄漏保护功能的非隔离驱动器电路。
99.该非隔离驱动器电路的基本操作依赖于检测两个输出线之间的电流差值的zct(零电流变压器)。然后，该信号由放大器42放大，并由比较器44与预置电平进行比较，如果足够大，比较器44将发出切断信号以触发锁定电路84，并切断与输出线串联的两个fet t1和t2。
100.由于漏电保护电路已经包括切断功能，该切断功能切断两个fet，以将驱动器输出端与输入端隔离，所以可以再用于过电流/短路保护。
101.这里是该实施例如何工作，如果输出电流变得越高，阻抗上的电压也变得越高，则阻抗必须串联连接在输出线(通常为低侧)上，以检测输出电流(led电流)。阻抗可以是专用电阻器rsense。备选地，它也可以由mosfet t1的内部导通电阻代替。更进一步，它可以是电阻器rsense和mosfet t1的导通电阻的组合。它取决于保护精度要求
102.示出为d1的电压触发电路(其可以是串联的一个或多于两个二极管，或其它电流旁路电路)从在led单元的阴极和zct之间的位置连接到驱动器的内部gnd，该驱动器的内部gnd表示非隔离驱动器的第二输出端。因此，该电压触发电路有效地与阻抗和感测电路并联。在一个实施例中，感测电路的电阻通常非常小。备选地，感测电路的电阻可以是不可忽略的值，并且在这种情况下，它与电阻器rsense的电阻和mosfet t1的导通电阻一起计算。
103.在通常情况下，标称工作电流(例如0.5a)流向驱动器输出端并在rsense(例如0.5ohm)上产生0.25v。该电压也施加在二极管d1上，因为0.25低于0.7v，d1断开并且没有电流流过二极管。如果在过电流/短路情况下，输出电流迅速增加到2a，rsense上的电压应为1v，但由于d1导通并开始流动电流，电压被箝位到0.7v。
104.由于二极管d1连接在zct之后，d1内的电流直接流回到驱动器。zct将检测两个输出线之间的非常高的误差/差信号并将该信号反馈到控制电路以进行判断。
105.根据误差信号振幅，控制电路可以确定多快触发保护。通常，》10ma的泄漏需要《10ms的保护，更高的过电流需要更快的响应以防止驱动器损坏。
106.如果出现短路情况，则在非常短的时间将有非常高的电流》10a。在zct的输出端将产生非常高的信号，并且该信号可以被发送到锁定电路，以立即触发保护(跳过放大器和控制电路)。
107.在判断发生过电流的情况下，控制器44可以通过关断两个mosfet t1和t2来将驱动器从led单元切断。
108.这里，当输出电流(即阻抗两端的电压)高于极限时，d1(二极管正向电压不准确)可以由能够使得电流旁通的任何其它电路代替。在一个简单的实施例中，d1可以由齐纳二极管代替。更复杂的实施方式可以是：电压比较器，用于将阻抗上的实时电压与电压基准进行比较，该电压基准对应于给定施加在其上的过电流的阻抗上的电压；以及连接在二极管d1的相同位置的开关，当实时电压超过电压基准时，该开关由电压比较器导通，以将电流转移到感测电路/zct中。
109.从对附图，公开内容和所附权利要求的研究中，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
110.在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
111.如果在权利要求或说明书中使用术语“适于”，则应注意，术语“适于”旨在等同于术语“被配置为”。
112.权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。