技术领域
[0001] 本
发明描述了隔离驱动器、用于隔离驱动器的转换器
控制器以及操作隔离驱动器的方法。
背景技术
[0002] 诸如灯、
小家电等的低压设备需要用于将市电功率转换成适合于设备的
电压和
电流的电源或“驱动器”。例如，LED
光源可以由将市电AC功率转换成处于适当电平的DC输出的电源来驱动。在没有采取保护措施的情况下，
电路中某处的部件故障可能会导致某一时刻的过电压和/或电流，这可能会存在火灾危险或者可能使用户冒着受电击的
风险。因此，这样的驱动器通常被构造以使得初级侧(连接到市电)与次级侧(连接到负载)隔离或分离。这样的隔离驱动器也被称为市电分离驱动器。为了确保安全，隔离驱动器或电源必须确保
输出电压和电流电平不超过一定的
阈值。例如，美国保险商实验室标准UL 1310针对用于室内和室外使用的2类功率单元。为了获得UL 1310 2类认证，电源或驱动器必须确保：其输出电压从不超过60V，其输出电流从不超过2.5A；并且其输出功率从不超过100W。这些要求在电源或驱动器操作期间必须始终被满足，即使整体电路的部件发生了故障。因此，这样的电源或驱动器的制造商通常包括将驱动器的次级侧与初级侧隔离的某种保护电路。
[0003] 然而，
现有技术的解决方案通常是复杂的并且需要很多部件，从而增加了电源产品的设计工作和成本。此外，一些故障情况可能检测不到，并且驱动器不能被认为完全符合。作为现有技术的示例，本领域技术人员可以参考US 8,520,415或EP2284980或US2014/0328427。
[0004] 因此，本发明的目的是提供一种更经济的方式，以确保上述类型的隔离驱动器的输出在操作期间始终保持在安全
水平内。
发明内容
[0005] 本发明的目的通过
权利要求1的隔离驱动器；通过权利要求11的转换器控制器；以及通过权利要求13的操作隔离驱动器的方法来实现。
[0006] 根据本发明的隔离驱动器包括：转换器模
块，被实现为向负载提供电压和电流输出；反馈装置，被实现为在驱动器的操作期间监测电压和/或电流；以及转换器控制器，用于向转换器模块提供转换器控制
信号，并且其中转换器控制器包括：单个光
耦合器，通过一对输入
端子而被连接到反馈装置，其中光耦合器的输出晶体管不导通以用于指示故障状态；以及
开关电路装置，被连接到光耦合器的一对输出端子，该开关电路装置包括被布置为生成转换器
控制信号的多个
半导体开关，转换器控制信号用于当跨光耦合器输出端子的电压指示故障状态时将驱动器的转换器模块置于低输出模式。
[0007] 根据本发明的隔离驱动器的一个优点在于：只要光耦合器输出电压“健康”，转换器控制信号就会使转换器保持在正常模式中操作，但是确保当在包括驱动器和负载的整体装置中的某处存在故障时，转换器模块会被置于低输出模式。“低输出模式”应当被理解为如下的操作模式，即，在该操作模式中输出电压和/或电流低于其在正常操作模式期间的电平。由于可以仅使用单个光耦合器和几个
半导体开关来实现这种安全措施，因此根据本发明的隔离驱动器可以被非常经济地构造。
[0008] 根据本发明，一种用于隔离驱动器的转换器控制器包括：单个光耦合器，包括用于连接到隔离驱动器的反馈装置的输入端子，其中光耦合器的输出晶体管不导通以用于指示故障状态；以及开关电路装置，被连接到光耦合器的输出端子，该开关电路装置包括被布置为生成转换器控制信号的多个半导体开关，转换器控制信号用于当跨光耦合器输出端子的电压指示故障状态时将驱动器的转换器模块置于低输出模式。
[0009] 根据本发明的转换器控制器的一个优点在于：其可以以各种驱动器类型来实现，以不管哪个部件发生故障，都会确保初级侧与次级侧之间的安全隔离。与常规的隔离保护电路相比，根据本发明的转换器控制器可以以更直接的方式且使用更少数目的部件来实现。由于根据本发明的转换器控制器通过确保当整体装置中的某处存在故障时转换器模块被置于安全的低输出模式来实现保护功能，所以术语“转换器控制器”和“保护电路”在下文中可以可互换地使用。
[0010] 隔离驱动器具有向负载提供电压和电流输出的转换器模块，根据本发明，一种操作该隔离驱动器的方法包括以下步骤：提供来自反馈装置的反馈信号，以在隔离驱动器的操作期间监测电压和/或电流；以及通过光耦合器向控制转换器模块的开关装置传送上述反馈信号；提供反馈信号，该反馈信号使得光耦合器的输出晶体管不导通，以用于指示故障状态；以及当跨光耦合器输出端子的电压指示故障状态时，将驱动器的转换器模块置于低输出模式。
[0011] 根据本发明的方法的一个优点在于：转换器控制器或保护电路始终确保驱动器的输出处的电压和/或电流不超过允许的电平，并且以简单且成本高效的方式实现这种保护。
[0012]
从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利的
实施例和特征。实施例的特征可以适当地组合。在一个权利要求类别的上下文中描述的特征可以同样适用于另一权利要求类别。
[0013] 在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设转换器模块是用于向负载提供电压和电流的开关模式电源(SMPS)。转换器模块可以被实现为半桥式转换器、反激式转换器等。优选地，根据本发明的隔离驱动器被实现为其输出电压和电流从不超过上文提到的限制的UL 2类驱动器。术语“隔离驱动器”和“市电分离驱动器”在下文中可以可互换地使用。
[0014] 隔离驱动器的反馈装置的目的是在操作期间监测电压和/或电流。优选地，反馈装置被布置在隔离驱动器的次级侧中，并且转换器控制器被布置在驱动器的初级侧中。在这一优选的布置中，在反馈装置、转换器控制器与转换器模块之间建立了控制回路，由此光耦合器有效地确保了驱动器的初级侧与次级侧之间的电流隔离(galvanic isolation)。
[0015] 如上文所指示，故障状态可能由整体装置中任何地方的任何部件的故障引起。故障状态将导致驱动器中某一时刻不正常地高或低的电压。反馈装置可以检测到这一点，并且在光耦合器输入端子处施加合适的电压电平。例如，在正常操作期间，到光耦合器的一个输入端子的反馈信号可以是“低”的，而另一端子被永久地钳位为“高”，使得电流流过光耦合器
二极管，从而允许光耦合器晶体管导通。在驱动器的次级侧中、转换器模块中或负载中的电气故障期间，故障状态将被反馈装置检测到，并且被转换为在光耦合器输入端子处的“高”电压电平，使得二极管不再导通。以这种方式，反馈装置将“故障信息”转发到转换器控制器单元。转换器控制器单元将通过将转换器置于低输出操作模式来响应故障状态。于是，次级侧继续将反馈信号保持在其故障电平处，使得故障状态被有效“
锁存”。即使故障本身具有瞬态性质，这种状态也将持续，直到驱动器从市电断开并且重新启动。永久性故障将阻止驱动器离开安全的“低输出”操作模式；然而，如果故障具有非永久的性质，或者如果故障的原因被去除，则驱动器可以在重新启动之后恢复正常操作。
[0016] 由于各种原因，电路中的电压和/或电流有时可能短暂偏离其“正确”电平，然后返回到该正确电平。这样的小毛刺(glitch)可能在任何时候出现，而不一定与故障相关联，例如作为
电磁干扰(EMI)的结果。为了避免在发生这样的毛刺的情况下禁用转换器模块，即，为了避免在发生这样的毛刺的情况下将转换器模块置于低输出操作模式，开关电路装置优选地包括延迟电路部分，该延迟电路部分被实现为将故障状态响应延迟预定义的持续时间。以这种方式，只有真正的故障才将触发故障响应。
[0017] 存在将光耦合器连接在驱动器的初级侧与次级侧之间的各种方式。如上文所指示的，光耦合器实际上包括连接在其输入端子之间的二极管、以及连接在其输出端子之间的NPN
双极结型晶体管(BJT)，使得只要电流流过二极管，晶体管就“导通”。在本发明的一个优选实施例中，光耦合器被连接到反馈装置，使得光耦合器的第一输出端子在正常操作期间处于低电位，并且在故障状态期间处于高电位。为此，光耦合器以如下方式被连接到反馈装置：该方式使得次级侧处的“健康”电压和/或电流电平导致流过光耦合器二极管的电流，但是次级侧处的“故障”电压和/或电流电平阻止电流流过光耦合器二极管。这将导致在与NPN晶体管的集
电极端子相对应的光耦合器输出处的电压的增加。该增加了的电压将切换多个半导体晶体管，以便锁存转换器控制信号，如将借助于
附图而更详细说明的那样。
[0018] 通常，使用现成的集成电路来实现隔离驱动器的转换器模块的SMPS功能。因此，在本发明的一个优选实施例中，保护电路被实现为根据集成电路的对应引脚来生成转换器控制信号。例如，在本发明的一个优选实施例中，转换器控制信号可以被连接到这样的IC的合适的调节引脚，使得当故障状态被检测到时，转换器控制信号迫使SMPS进入低输出操作模式。在本发明的另一优选实施例中，如果这样的IC具有用于调节SMPS的开关
频率的输入引脚，则连接到该引脚的转换器控制信号可以响应于故障而增加开关频率。增加了的开关频率导致负载端子处更低的输出电压和电流。
[0019] 如上文所指示的，故障还可能出现在驱动器的初级侧中。故障也可能出现在保护电路中，或者光耦合器本身也可能发生故障。因此，在本发明的一个优选实施例中，第一转换器控制信号响应于第一故障状态而被生成，第一故障状态导致跨光耦合器的输出端子的电压增加，并且第二转换器调节信号响应于第二故障状态而被生成，第二故障状态导致跨光耦合器的输出端子的电压减小。以这种方式，可以检测和响应整体装置中的任何地方的任何故障状态。
[0020] 在驱动器的启动或关闭期间，反馈装置中或驱动器中其他地方的电压和/或电流电平可能与其“正常”电平不同。因此，在本发明的另一优选实施例中，在驱动器的启动和/或关闭间隔期间故障检测和响应被禁用。这可以例如通过在保护电路中监测控制器IC的一个或多个适当的输出引脚以确定驱动器处于启动状态还是关闭状态来实现。
[0021] 从结合附图来考虑的以下详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得明显。然而，应当理解，附图仅被设计以用于说明的目的，而不是作为对本发明的范围的限定。
附图说明
[0022] 图1示出了根据本发明的
LED照明装置的一个实施例的
框图；
[0023] 图2示出了根据本发明的保护电路的第一实施例；
[0024] 图3示出了根据本发明的保护电路的第二实施例；
[0025] 图4示出了图1的LED照明装置的示例性时序图。
[0026] 在附图中，相同的附图标记始终指代相同的对象。图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
[0027] 图1示出了根据本发明的LED照明装置5的一个实施例的框图，其中根据本发明的隔离驱动器2被连接在市电电源4与负载3之间。输入级20执行AC/DC转换，并且功率转换器21(例如，SMPS转换器21)将DC功率转换成适合于驱动LED负载3的形式。驱动器2的反馈装置
22被连接在转换器21与负载3之间，以监测操作期间的电压和电流电平。虽然未在图中示出，但是初级侧PS上的
微控制器和次级侧SS上的微控制器可以被实现为完成各种控制操作。驱动器2被分成初级侧PS(连接到电源4)和次级侧SS(连接到负载3)，并且这些必须彼此分离或隔离(如虚线所指示)，以便满足在引言中所说明的某一安全标准。在这一实施例中，通过转换器控制器1来实现保护，在整体装置5中的任何地方发生故障的情况下，转换器控制器1将SMPS转换器21置于低输出操作模式。在低输出操作模式中，驱动器2的输出处的电压和电流不超过引言中所提到的限制。如将借助于图2和图3所说明的那样，这通过由开关电路装置11向转换器模块21施加的控制信号来实现。该示图指示了通过反馈装置22、光耦合器10、开关电路装置11和转换器模块21的控制回路。
[0028] 图2示出了根据本发明的保护电路1的第一实施例。该示图示出了在驱动器的初级侧PS与次级侧SS之间的单个光耦合器10。光耦合器的第一输入端子被连接到次级侧上的高电位SS_HI，并且另一输入端子SS_FB被连接到图1的反馈装置22，使得只要驱动器的次级侧处的电压和电流电平是没有问题的，电流就将在光耦合器10的输入端子之间流动。开关电路装置11跨光耦合器10的输出端子而连接。在这一实施例中，信号CI、VCON、STBY源自于SMPS IC封装21。信号CI是SMPS IC的调节引脚，其当被拉低时会将SMPS转换器置于低输出操作模式；信号VCON是SMPS IC的另一调节引脚；而信号STBY指示驱动器何时处于启动/关闭模式。某些
节点通过端子PS_HI1、PS_HI2而被保持在适当的高电平，或者通过到地GND或到负电位PS_NEG的连接而被保持在适当的低电位。
[0029] 驱动器的健康操作的特征在于节点N20处的
低电压，因为只要反馈信号SS_FB保持处于“健康”的低电压，光耦合器10的NPN晶体管就将在正常操作期间导通。在次级侧、负载中或转换器模块中的故障期间，高电压被施加到该端子SS_FB，使得较低的电流将流过光耦合器二极管或者将没有电流流过光耦合器二极管，导致节点N20处的电压增加。这导致PNP晶体管Q20被接通，使得NPN晶体管Q21也被接通，这又通过节点N21而将SMPS IC的CI引脚拉至低电平。电路部分20中的延迟元件Cdelay确保了节点N20处的瞬态电压增加不触发故障响应。
[0030] 在这一示例性实施例中，
输入信号STBY是低电平有效的，并且指示驱动器何时处于启动/关闭模式(低)或正常操作模式(高)。因此，在驱动器启动或关闭期间，备用电路部分24的晶体管Q23导通，以确保晶体管Q24导通，这又将节点N20拉低。这有效地禁用了保护电路11。
[0031] 在出现故障状态时，无论该故障状态是瞬态的还是永久的，由于将转换器置于“低输出”操作模式，该故障状态如上所述的那样被“锁存”，这又使得反馈装置保持光耦合器输入端子SS_FB处的高电压。
[0032] 在CI引脚电路路径中发生故障的情况下，晶体管Q21将导通，从而将N20拉至低电位，结果是晶体管Q22导通。这具有将VCON拉低的作用，从而将SMPS IC置于低输出操作模式。如果光耦合器10发生故障，则电路部分23确保节点N20处的电压增加，导致引脚CI如上文所说明的那样被拉低。到微控制器的
输出信号UC_OUT在正常操作期间没有故障的情况下为低，而当故障状态被检测到并且被“锁存”时为高。
[0033] 电路部分21、23、25共享转换器IC的接地端子，而电路部分24通过驱动器电路的其余部分而被接地。本领域技术人员将熟悉这里所示的电路元件，并且将能够选择合适的部件及其值，以便实现期望的操作。
[0034] 图3示出了根据本发明的保护电路1的第二实施例。在此，以类似于图2的电路的方式，在故障期间节点N30处的高电压将导致晶体管Q30、Q31被接通，使得输出信号CF处的电压增加。在这一示例性实施例中，输出CF被连接到SMPS IC的频率调节输入引脚。该引脚的电压电平确定了SMPS IC的开关频率。通过增加在故障期间输出CF处的电压，SMPS的开关频率增加，从而降低了输出电压和电流，使得驱动器符合引言中提到的安全要求。另外，在此，延迟元件Cdelay确保了节点N30处的瞬态电压增加不触发故障响应。
[0035] 在稳态或正常操作期间，节点N30处的电压应当将CI引脚上的电压保持为低于由SMPS IC
指定的其钳位电压，例如3.2V。这确定了节点N30处的最大“正常模式”电压，并且故障状态“触发电平”必须高于该电平。当CI引脚电流为零时，即在稳态操作期间，节点N30处的电压UN30由下式给出：
[0036] UN30＝UCI_clamp-Vd (1)
[0037] 其中UCI_clamp是由SMPS IC指定的CI引脚钳位电压，并且Vd是二极管两端的电压降。
[0038] 当光耦合器晶体管由于故障而不导通时，节点N30处的电压将受到CI引脚的钳位电压的限制。该电压可以表达为：
[0039]
[0040] 其中R1、R2是
电阻值，PS_HI1是由初级侧供应的高电压，并且Vbe是跨晶体管Q30的电压降。
[0041] 当节点N30处的电压达到某一高电平时，晶体管Q30将开始导通。这又将激活晶体管Q31，导致限定的电流被注入到SMPS IC的CF引脚中，从而增加了开关频率。在这一更高的开关频率处，输出电压、电流和功率将保持低于UL 2类驱动器的限制。保护电路的“触发电平”应当位于在等式(1)与等式(2)中所给定的电压之间，并且触发灵敏度可以由电容器Cdelay来调节，电容器Cdelay与
电阻器R2组合限定了触发延迟。
[0042] 在启动阶段期间，CI引脚具有低电压，例如0.38V。该电压将经由Q33来钳位节点N30处的电压，以防止启动期间的保护。在这一实施例中，源自于驱动器微控制器的信号UC_IN在SMPS转换器的稳态操作期间为低。在其他时间，该信号为高，使得晶体管Q34导通以将节点N30拉至低电位，确保晶体管Q30、Q31保持“关断”，使得CI引脚在驱动器的启动或关闭期间不被拉低。例如，在关闭期间，
母线电压将降低。当其下降至低于某一阈值时，晶体管Q34由初级侧微控制器借助于高信号UC_IN而接通，使节点N30处的电压保持处于低电平并且防止关断期间的保护。在没有初级侧微控制器的情况下，可以使用附加开关来控制晶体管Q34，如本领域技术人员将已知的。
[0043] 在CI引脚电路路径中发生故障的情况下，晶体管Q35将导通，使得节点N30处的电压将降低，导致引脚VCON被电路部分32的晶体管Q32拉低，结果是SMPS IC被置于低输出操作模式。如果光耦合器发生故障，则节点N30处的电压由于输入PS_HI1而增加，导致引脚CI在晶体管Q30、Q31的作用下被拉低，如上文所说明。
[0044] 图4示出了使用图2的保护电路的、图1的LED照明装置的示例性的且非常简化的时序图。仅示出了相关信号。为了清楚起见，未示出实际信号值；而仅指示了每个信号的最小和最大电平。在启动模式MSTARTUP期间，驱动器被连接到市电电源，并且母线电压被施加到SMPS转换器。初级侧上的微控制器开始操作，提供电压电平PS_HI1。在次级侧微控制器也激活后，信号STBY指示驱动器此时处于正常操作模式MNORMAL。到SMPS IC的调节输入CI为高，使额定输出电压和电流被提供给负载。这种操作模式MNORMAL可以持续任何持续时间。如果出现故障(如时间tF处所指示)，则节点N20处的电压上升到其“故障电平”。例如，当光耦合器输入端子SS_FB被拉高时，可能会发生这种情况。在用于避免错误触发的延迟tdelay(由电容器Cdelay确定)之后，CI引脚被拉低。如上所述，这将会使驱动器置于低输出模式MLO，在此期间，驱动器的输出处的电压和电流低于UL 2类驱动器所要求的阈值电平。如上所述，这种状态MLO将持续，直到驱动器从市电断开。虽然示图中没有示出这一点，但是如果正常操作通过关断负载而以通常方式被终止，则驱动器进入关闭模式，在关闭模式期间，信号STBY变低以禁用故障保护电路，从而允许系统以通常受控的方式关闭。
[0045] 虽然已经以优选实施例及其变化的形式公开了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行很多附加的
修改和变化。
[0046] 为了清楚起见，应当理解，贯穿本
申请使用“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元素。提及“单元”或“模块”不排除使用多于一个的单元或模块。
