過電壓保護的線性恆流電路的製作方法

2023-09-20 15:08:05 1

本發明涉及電路保護領域，特別是涉及一種過電壓保護的線性恆流電路。

背景技術：

三極體恆流電路是常用的LED恆流驅動電路，由於其結構簡單、成本低廉而被廣泛地應用於驅動電路中。但是，現有的三極體恆流電路普遍存在著一個較大的缺點，隨著輸入電壓的升高，多餘的電壓加載在三極體或並聯的電阻上，容易使三極體或並聯的電阻產生較大的損耗，而這些損耗通常會以熱量的形式體現出來，從而影響整個產品的可靠性和穩定性，甚至引發火災，造成不可挽回的嚴重後果。

圖1為現有技術中常用的一種三極體恆流電路，該電路主要通過穩壓二極體D1鉗位功率三極體Q1基極電壓，使得功率三極體Q1基極電壓穩定在固定的電壓值，從而控制流過功率三極體Q1的發射極電流Ie保持恆定，由於流過功率三極體Q1的發射極電流Ie與集電極電流Ic基本一致，使得電流Ic保持恆定，進而達到為LED燈串(LED燈串包括LED1至LEDN)提供恆流驅動的目的。

在該圖1中，功率三極體Q1發射極與集電極之間的電壓Vce＝Vin-Vout-VR3，而根據LED的特性，LED在正常工作時，Vout基本保持不變，並且由於Ic一定，因此VR3不變，所以在輸入電壓Vin變化時，Vce會隨之變化，當Vin持續上升時，Vce也會上升，由於功率三極體Q1的耗散功率PQ1＝Ic*Vce，因此，在Vce上升時，功率三極體Q1的集電極電流Ic一定，則會導致功率三極體的功率PQ1持續上升，而此損耗往往以熱量的形式體現出來，從而進一步導致功率三極體Q1的溫度大幅升高，進而影響整個電路的可靠工作，甚至是引發火災。

技術實現要素：

鑑於上述問題，提出了本發明以便提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的過電壓保護的線性恆流電路。

本發明提供了一種過電壓保護的線性恆流電路，包括：

線性恆流電路，包括穩壓元件、第一開關元件和阻抗元件，所述線性恆流電路連接於負載以實現對負載的恆流輸出；

保護電路，用於當所述輸入電壓超過指定電壓範圍時，降低流過所述負載的工作電流，所述保護電路連接於所述穩壓元件兩端，包括採樣電路和第二開關元件，所述採樣電路用於檢測所述輸入電壓的電壓值，所述第二開關元件連接至所述採樣電路，當所述採樣電路檢測到所述輸入電壓超過所述指定電壓範圍時，所述第二開關元件開始工作，進而降低流過所述負載的工作電流。

可選地，所述採樣電路連接所述負載的負端，用於採樣所述負載負端的電壓。

可選地，所述負載包括至少一個LED光源。

可選地，所述保護電路還包括：

分壓元件，用於由所述第二開關元件控制其對所述負載進行分壓，進而降低流過所述負載的工作電流，所述分壓元件一端連接至所述負載，另一端連接至所述阻抗元件。

可選地，所述第一開關元件包括功率三極體，所述阻抗元件包括採樣電阻；

所述功率三極體的基極連接至所述穩壓元件的一端，其發射極連接至所述採樣電阻一端，其集電極連接所述負載；

所述穩壓元件的另一端連接至所述採樣電阻的另一端；

所述穩壓元件用於控制所述功率三極體的基極電壓保持恆定，從而控制所述功率三極體的發射極電流保持恆定，進而控制所述功率三極體的集電極電流保持恆定，使得流過所述負載的工作電流保持恆定。

可選地，所述採樣電路包括第一檢測電阻和第二檢測電阻；

所述第一檢測電阻的一端連接所述功率三極體的集電極，另一端連接所述第二檢測電阻的一端，所述第二檢測電阻的另一端連接至所述穩壓元件和所述採樣電阻相連接的一端；

當所述輸入電壓超過所述指定電壓範圍時，所述第一檢測電阻和所述第二檢測電阻進行分壓後，使得所述第二開關元件達到其工作電壓值，從而控制所述第二開關元件進行工作。

可選地，所述第二開關元件為電位控制元件，所述電位控制元件連接至所述功率三極體的基極，用於拉低所述功率三極體的基極電壓，從而關斷所述功率三極體。

可選地，若第一檢測電阻和第二檢測電阻檢測到所述輸入電壓超過所述指定電壓範圍，則所述所述電位控制元件拉低所述功率三極體的基極電壓，從而關斷所述功率三極體，並且所述電位控制元件驅動所述分壓元件對所述負載進行分壓，進而降低流過所述負載的工作電流。

可選地，所述電位控制元件為驅動三極體；

所述驅動三極體的基極連接至所述第一檢測電阻和所述第二檢測電阻相連接的一端，其集電極連接至所述功率三極體的基極，其發射極連接至所述穩壓元件和所述採樣電阻相連接的一端；

當所述輸入電壓超過所述指定電壓範圍時，所述第一檢測電阻和所述第二檢測電阻進行分壓後，使得所述驅動三極體達到其工作電壓值，從而控制所述驅動三極體進行工作，並拉低所述功率三極體的基極電壓，關斷所述功率三極體。

可選地，所述分壓元件包括分壓電阻，所述分壓電阻的一端連接至所述功率三極體的集電極，另一端連接至所述功率三極體的發射極。

可選地，所述穩壓元件為穩壓二極體。

在本發明實施例中，當輸入電壓位於線性恆流電路正常工作時的額定電壓範圍內時，線性恆流電路正常工作，並實現對負載的恆流輸出。當輸入電壓增大，且超過線性恆流電路正常工作時的額定電壓範圍時，保護電路開始工作，保護電路通過對負載分壓來降低流過負載的電流，有效地保證了負載的正常工作，並且，還可以有效避免線性恆流電路中的某些元件由於功耗增加而導致發熱損壞，進而提高了過電壓保護的線性恆流電路的穩定性和可靠性。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉本發明的具體實施方式。

根據下文結合附圖對本發明具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本發明的上述以及其他目的、優點和特徵。

附圖說明

通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1示出了根據本發明一個實施例的現有技術中的三極體恆流電路的結構示意圖；

圖2示出了根據本發明的過電壓保護的線性恆流電路的結構示意圖；

圖3示出了根據本發明較佳實施例的過電壓保護的線性恆流電路的結構示意圖；以及

圖4示出了根據本發明較佳實施例的過電壓保護的線性恆流電路的等效電路的結構示意圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，並且能夠將本公開的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。

為解決上述技術問題，本發明實施例提供了一種過電壓保護的線性恆流電路。參見圖2，過電壓保護的線性恆流電路1包括線性恆流電路101和保護電路102，其中，線性恆流電路101包括穩壓元件10、第一開關元件11和阻抗元件12，線性恆流電路102連接於負載(圖2中未示出)以實現對負載的恆流輸出。保護電路102用於當輸入電壓超過指定電壓範圍時，降低流過負載的工作電流，保護電路102連接於穩壓元件10兩端，包括採樣電路100和第二開關元件110，採樣電路100用於檢測輸入電壓的電壓值，第二開關元件110連接至採樣電路100，當採樣電路100檢測到輸入電壓超過指定電壓範圍時，第二開關元件110開始工作，進而降低流過負載的工作電流。在該實施例中，負載可以為至少一個LED光源，LED光源的個數可以根據實際需要靈活選擇，本發明實施例對LED光源的個數不做具體限定。並且，該實施例中提及的負載並不限於LED光源，還可以是其他負載，本發明實施例對負載的類型也不做具體限定。

另外，該實施例中，輸入電壓的指定電壓範圍，通常是由電路的生產廠家進行規定的，對於不同的電路設計其輸入電壓的額定電壓範圍不同，本實施例中的指定範圍指的是線性恆流電路在正常工作時，由廠家規定的一個輸入電壓的電壓值的範圍。

參見圖3，在本發明一實施例中，過電壓保護的線性恆流電路中的線性恆流電路為三極體恆流電路，在該線性恆流電路中穩壓元件10可以為穩壓二極體D1，第一開關元件11可以為功率三極體Q1，阻抗元件12包括採樣電阻R3和電阻R1，即，該三極體恆流電路主要包括穩壓二極體D1、功率三極體Q1、採樣電阻R3以及電阻R1。在該實施例中，穩壓元件10還可以是其他能夠實現鉗位電壓的器件或電路，本發明實施例對此不做限定。

在三極體恆流電路中，功率三極體Q1的基極同時連接至穩壓二極體D1的一端和電阻R1的一端，其發射極連接至採樣電阻R3一端，其集電極連接負載(的LED1至LEDN)的一端，穩壓二極體D1的另一端連接至採樣電阻R3的另一端，電阻R1的另一端連接至負載的另一端。三極體恆流電路在工作時，穩壓二極體D1將功率三極體Q1的基極電壓鉗位在恆定的電壓值，從而可以使得採樣電阻R3上的電壓值一定，進而控制流過功率三極體Q1的發射極電流Ie保持恆定，由於流過功率三極體Q1的發射極電流Ie與集電極電流Ic基本一致，使得電流Ic保持恆定，進而使得流過負載的電流值恆定。

繼續參見圖3，在本發明一實施例中，保護電路還可以包括分壓元件120。在該實施例中，採樣電路100用於檢測輸入電壓Vin的電壓值。第二開關元件110連接至採樣電路100，當採樣電路100檢測到輸入電壓Vin超過指定電壓範圍時，第二開關元件110進行工作來驅動分壓元件120工作。分壓元件120一端連接至負載，另一端連接至阻抗元件12，其用於由第二開關元件110控制其對負載進行分壓，進而降低流過負載的工作電流。當分壓元件120工作時，對負載進行分壓，進而降低流過負載的工作電流。在本發明一實施例中，採樣電路100可以連接負載的負端，用於採樣負載負端的電壓。

在該實施例中，採樣電路100可以包括第一檢測電阻Ra和第二檢測電阻Rb，其中，第一檢測電阻Ra的一端連接功率三極體Q1的集電極，另一端連接第二檢測電阻Rb的一端，第二檢測電阻Rb的另一端連接至穩壓二極體D1和採樣電阻R3相連接的一端。當輸入電壓Vin超過指定電壓範圍時，第一檢測電阻Ra和第二檢測電阻Rb進行分壓後，可以使得第二開關元件110達到其工作電壓值，從而控制第二開關元件110進行工作。

第二開關元件110可以包括電位控制元件(如圖3中所示的驅動三極體Q2)，電位控制元件連接至功率三極體Q1的基極，用於拉低功率三極體Q1的基極電壓，從而關斷功率三極體Q1。其中，電位控制元件不僅可以為驅動三極體Q2，還可以是其他的器件或電路，只要可以實現拉低功率三極體Q1的基極電壓即可，本發明實施例對此不做限定。

當電位控制元件為驅動三極體Q2時，驅動三極體Q2的基極連接至第一檢測電阻Ra和第二檢測電阻Rb相連接的一端，其集電極連接至功率三極體Q1的基極，其發射極連接至穩壓二極體D1和採樣電阻R3相連接的一端。當輸入電壓Vin超過指定電壓範圍時，第一檢測電阻Ra和第二檢測電阻Rb進行分壓後，使得驅動三極體Q2達到其工作電壓值，從而控制驅動三極體Q2進行工作，並拉低功率三極體Q1的基極電壓，關斷功率三極體Q1。

分壓元件120可以包括分壓電阻R2，分壓電阻R2的一端連接至功率三極體Q1的集電極，另一端連接至功率三極體Q1的發射極。

為了更加清楚地體現本發明實施例，現以圖3所示的過電壓保護的線性恆流電路為例，對過電壓保護的線性恆流電路的實現原理進行詳細介紹。

參見圖3，過電壓保護的線性恆流電路包括三極體恆流電路和保護電路。其中，三極體恆流電路主要包括功率三極體Q1、穩壓二極體D1、採樣電阻R3以及電阻R1，保護電路主要包括第一檢測電阻Ra、第二檢測電阻Rb、驅動三極體Q2以及分壓電阻R2。

當輸入電壓Vin在指定電壓範圍內時，保護電路不工作，三極體恆流電路工作，穩壓二極體D1將功率三極體Q1的電壓鉗位在穩定的電壓值，由於VR3＝VD1-Vbe，其中VD1和Vbe一定，因此VR3一定，從而控制流過功率三極體Q1的發射極電流保持恆定，進而使得流過功率三極體Q1的集電極電流恆定，即流過負載(LED1至LEDN)的電流恆定，為負載提供了恆流驅動。

當輸入電壓Vin增大並超過指定電壓範圍時，保護電路開始工作，保護電路的第一檢測電阻Ra、第二檢測電阻Rb進行分壓後，A點的電位增加，從而使得驅動三極體Q2的基極電壓增大，進而控制驅動三極體Q2導通工作。當驅動三極體Q2導通工作時，根據三極體的特性可知，驅動三極體Q2的集電極電位被拉低，從而導致功率三極體Q1的基極電位被拉低，進而關斷功率三極體Q1，並且由驅動三極體Q2驅動分壓電阻R2工作，實現對負載的分壓，進而減小流過負載的電流，而根據LED的特性，負載LED1至LEDN在正常工作時，Vout基本保持不變，因此，減小了負載的功率損耗。

當功率三極體Q1被關斷後，穩壓二極體D1由於功率三極體Q1的基極電位被拉低而無法繼續工作。另外，雖然第一檢測電阻Ra、第二檢測電阻Rb、驅動三極體Q2和電阻R1均可以繼續工作，但是由於其此時的工作電流均較小，電路中的電流主要流經負載、第一檢測電阻Ra和第二檢測電阻Rb，因此，此時圖3所示的過電壓保護的線性恆流電路結構示意圖可以等效成如圖4所示的等效電路結構示意圖。由圖4可知，此時的過電壓保護的線性恆流電路中負載、分壓電阻R2和採樣電阻R3均依次串聯，分壓電阻R2分擔了一部分輸入電壓Vin，從而使得流經負載的電流值變小，進而減少了系統的功耗。此時，流經負載的電流以及系統的功耗主要由負載、分壓電阻R2和採樣電阻R3決定，因此，通過有效地控制分壓電阻R2的阻值大小，便可以在輸入電壓Vin超過指定電壓範圍時，將系統損耗控制在較小的範圍內。

對於本發明實施例，為了保證本發明實施例的真實可靠性，還進行了一些相關測試。當輸入電壓Vin在指定電壓範圍內時，利用電流表測試流過負載的電流維持恆定不變，當輸入電壓Vin超過指定電壓範圍時，利用電流表測試流過負載的電流逐漸減小，直到功率三極體Q1關斷。

另外，當輸入電壓Vin在指定電壓範圍內時，利用功率計測試過電壓保護的線性恆流電路的總功耗，發現其總功率的變化值不大，當輸入電壓Vin不斷增大時，功率計顯示的總功率也不會出現快速上升的情況，並且，此時利用溫度計測試電路中各個器件的溫度也並沒有大幅度的升高。

因此，本發明不僅可以有效地保證流過負載的電流恆定，還可以在輸入電壓過大時，降低流過負載的電流，從而有效避免了三極體恆流電路中的元件由於功耗增加而導致發熱損壞，進而提高了過電壓保護的線性恆流電路的穩定性和可靠性。

至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的範圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。