一种针对LED电源不同故障特点的三级保护方法

摘要

本发明提供了一种针对LED电源不同故障特点的三级保护方法，检测电源运行状态的，当电源状态发生突变，通过硬件实现系统关机，当出现渐变性质的故障，则进行应力调整二级保护，即通过单位时间内脉冲宽度下调速率，使得电源功率下调，如果通过应力调整，电源故障倾向未得到消除，则启动第三级保护“软关机”，下调PWM脉宽，直至PWM脉冲的宽度减小为0，电源输出功率为0断电关机。本发明主要对电源实施“三级保护”，采用了不同方法处理紧急故障和渐变型故障，并通过应力调整实现故障规避，可以提高电源的可靠性，降低故障率，以便消除或降低电源在电子系统中造成的“瓶颈效应”。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED电源，尤其是针对LED电源故障保护的方法。

背景技术

LED电源主要分为开关电源、线性电源等两种。根据以往针对电子设备故障的统 计学分析，其故障超过半数以上是由于其内部电源的故障造成的；特别是LED路灯，其 故障的80％来自于电源，致使其推广使用受到影响；故电源的可靠性应该受到高度的 关注。

目前，对于不同种类电源的保护可以分为两大类，叙述如下。

(1)硬件保护方法。该方法主要利用电路内部设定的检测、比较等硬件电路，对 过欠压、过欠流、过热、瞬态冲击等故障实施关机保护，以避免故障损失的扩大。这 类保护方法的优点是保护速度快、简单可行，但缺点是：①电源无故障工作时间较短； ②快速关机会造成额外损失或损伤。

(2)基于软、硬件结合的保护方法，称为“软关断”的方法。该方法将故障分为 两种，一种是紧急故障，仍采用第一类保护方法。另一种是缓变故障，保护过程是： 先用软件控制输出电压，使其逐步趋于零，再用硬件断开输入电源。这种方法可以降 低开关过程造成的损伤，但依然无法避免因关机造成的损失，且对其可靠性提升不明 显。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明是在目前常用的两类保护方法的基础上，提出 一种“电源三级保护”技术，它除了具有上述两类保护措施外，还增加了第三类的 “故障规避”环节。当电源的故障检测模块测得故障征兆时，先启动故障规避模块， 通过调整电源的运行参数降低元件所承受的应力，使得电源运行状态趋于正常，拟消 除故障隐患。当规避无效时，启动另外两类保护方法中的一种。因此本发明具有针对 故障性质自适应的选择保护方法的特点，可有效提高电源的可靠性。

该方法的第一级保护用以处理紧急故障，以阻止破坏性的扩大；第二级保护是应 力调整消除故障的隐患，以避免故障发生；第三级保护是通过软件关断的方法处理渐 变性故障。

本发明解决其技术问题所采用的实现“三级保护”的技术方案是：

步骤1：建立检测电源运行状态的传感器组合，测量如下参数：输入电压V(k)、 输出电流I(k)、机箱温度T(k)，其中k是计数值；

设定输入电压、输出电流、机箱温度参考值，见表1：

表1

  正常 超1 超2 超3 输入电压 额定电压V_eV₁＝V_e×110% V₂＝V_e×125% V_max＝V_e×130% 输出电流 额定电流I_eI₁＝I_e×130% I₂＝I_e×140% I_max＝I_e×150% 机箱温度 T₀＝65℃ T₁＝75℃ T₂＝85℃ T_max＝95℃

步骤2：第一级保护

将步骤1测量的参数与表1的参考值进行比较，当出现下列任一情况：

V(k)≥V_max、I(k)≥I_max、T(k)≥T_max

则认为电源状态发生突变，是紧急故障，转入硬件保护，即一级保护，即通过硬 件实现系统关机，否则进入步骤3；

步骤3：第二级保护

（1）根据步骤1测定的电源各项参数，当下述判定条件有任何一条成立，可认为 出现渐变性质的故障：

①若连续3次检测到温度T(k)＞T(k-1)，而且温度上升速率δT(k)超过设定值δ_T， 其中δ_T一般设定为2℃/分钟，δT(k)＝[T(k)-T(k-1)][t(k)-t(k-1)]；

②若电源电压、电流或温度有一项值达到且超过表1设定的超1的值，但是尚未达 到超3的值，即出现如下任一情况：

V₁≤V(k)＜V_max、I₁≤I(k)＜I_max、T₁≤T(k)＜T_max

③若电源电压、电流、温度工作正常，但是预测的下一检测时刻的电源参数超过 超1的设定值，即出现如下任一情况：

$\hat{V}(k+1)\ge V_1,\hat{I}(k+1)\ge I_1,\hat{T}(k+1)\ge T_1$

其中，分别为预测的下一检测时刻的输入电压、输出电流 和机箱温度：

$\hat{T}(k+1)=2T\left(k\right)-T(k-1)$

$\hat{V}(k+1)=2V\left(k\right)-V(k-1)$

$\hat{I}(k+1)=2I\left(k\right)-I(k-1)$

⑵若步骤（1）中出现渐变性质的故障倾向，则进行应力调整二级保护：

即通过确定在单位时间内脉冲宽度下调速率ΔPWM／T，，并依据此速率自动下调脉 冲宽度PWM，使得电源功率下调：

计算下调脉冲宽度Δ(PWM)

Δ(PWM)＝K[0.85×(最大脉宽)5]

其中，Δ(PWM)为下调脉冲宽度，最大脉宽为100%脉宽减去防止功率器件直通而 设计的“死区”宽度，K的取值为1，2，3，4，5，分别表示五档不同的脉宽控制速度；

K的取值依据如下原则：

满足下列条件中任意一条时，K＝5：

V(k)≥V₂、I(k)≥I₂、T(k)≥T₂、$\hat{V}(k+1)\ge V_{\max },\hat{I}(k+1)\ge I_{\max },\hat{T}(k+1)\ge T_{\max },$T(k)-T(k-1)≥1.2δ_T

未满足K＝5的条件，但是满足下列条件中任意两个及以上时，K＝4：

V(k)≥V₁、I(k)≥I₁、T(k)≥T₁、$\hat{V}(k+1)\ge V_2,\hat{I}(k+1)\ge I_2,\hat{T}(k+1)\ge T_2,$T(k)-T(k-1)≥1.1δ_T

未满足K＝5的条件，但是满足下列条件中任意一个条件时，K＝3：

V(k)≥V₁、I(k)≥I₁、T(k)≥T₁、$\hat{V}(k+1)\ge V_2,\hat{I}(k+1)\ge I_2,\hat{T}(k+1)\ge T_2,$T(k)-T(k-1)≥1.1δ_T

未满足K＝3、K＝4、K＝5的条件，但是满足下列条件中任意两个时，K＝2：

$\hat{V}(k+1)\ge V_1,\hat{I}(k+1)\ge I_1,\hat{T}(k+1)\ge T_1,$T(k)-T(k-1)≥1.1δ_T

不满足K＝2、K＝3、K＝4、K＝5的条件时，K＝1；

按单位时间内脉冲宽度下调速率下调PWM输出值，T为设定的功率调整限 时，T一般可取T＝10～20，即按照下调电源输出功率；

步骤4：第三级保护：

通过应力调整，在步骤3的设定的功率调整时间T之后，电源故障倾向未得到消除， 则启动第三级保护——“软关机”，即依照K＝5时对应的下调PWM脉宽，直至 PWM脉冲的宽度减小为0，这时电源输出功率为0，断电关机。

本发明的有益效果体现在对电源实施“三级保护”，采用了不同方法处理紧急故障 和渐变型故障，并通过应力调整实现故障规避，可以提高电源的可靠性，降低故障率， 以便消除或降低电源在电子系统中造成的“瓶颈效应”。

附图说明

图1是发明实施过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

该方法主要是通过对电源运行状态检测数据的分析，判断该电源是否运行正常， 进而判断可能发生故障类型，并作出或规避、或保护（立即保护或软件保护）的决策。

“三级保护”之间的转换是在故障检测模块调度下自动转换，其依据是电源当前 运行状态、状态变化速率以及电源运行参数调整过程中故障状态消除的效果，这里涉 及的故障检测模块是指用于对电源运行状态进行检测、并通过状态参数偏离正常值的 大小及偏离速率，进而判断故障性质及可能发生故障的时间的功能模块。而故障规避 模块则是根据故障特点按给定方案调整电源主要元件承受的应力，拟使其运行状态回 归正常的功能模块。

具体实施方式如下：

步骤1：建立检测电源运行状态的传感器组合，测量如下参数：输入电压V(k)、 输出电流I(k)、机箱温度T(k)，其中k是计数值；在电源运行过程中，故障检测模块 始终对电源运行状态在线监测。

不同传感器数据融合工作于特征值，其中电压、电流超标分四级：正常、超1、超 2、超3，其中超3为上限值；

设定输入电压、输出电流、机箱温度参考值，见表1：

表1

  正常 超1 超2 超3 输入电压 额定电压V_eV₁＝V_e×110% V₂＝V_e×125% V_max＝V_e×130% 输出电流 额定电流I_eI₁＝I_e×130% I₂＝I_e×140% I_max＝I_e×150% 机箱温度 T₀＝65℃ T₁＝75℃ T₂＝85℃ T_max＝95℃

步骤2：第一级保护

将步骤1测量的参数与表1的参考值进行比较，当出现下列任一情况：

V(k)≥V_max、I(k)≥I_max、T(k)≥T_max

则认为电源状态发生突变，是紧急故障，转入硬件保护，即一级保护，即通过硬 件实现系统关机，否则进入步骤3；

利用电路内部设定的“检测比较电路”对各传感器“过-欠压”、“过流”、“过热”、 “瞬态电能冲击”等状态信息和标称值进行比较，当六项被检测数据有一项超过上限 值，认为是紧急故障，并转入第一级故障保护，实施应急保护。由于采用硬件电路， 一般执行时间小于5μs；

第一级保护用于解决电源出现的紧急故障，如短路、雷电冲击、器件损坏等，使 得电路无法运行，必须立即关断。具体实施的方法如下。

①通过“模拟-比较”等硬件电路监测电源工作状态，捕捉元件承受应力超过允 许上限的瞬间；

②若元件承受应力超过允许上限，立即通过“与非逻辑器件”同时断开交流继电 器、关闭直流输出、封锁所有有源器件驱动端口；

③输出故障状态、性质等信号。

由于第一级保护可以在微秒级的时间间隔内对故障实现快速保护，能有效避免故 障损失的扩大。

步骤3：第二级保护

（1）根据步骤1测定的电源各项参数，当下述判定条件有任何一条成立，可认为 出现渐变性质的故障：

①若连续3次检测到温度T(k)＞T(k-1)，而且温度上升速率δT(k)超过设定值δ_T， 其中δ_T一般设定为2℃/分钟，δT(k)＝[T(k)-T(k-1)][t(k)-t(k-1)]；

②若电源电压、电流或温度有一项值达到且超过表1设定的超1的值，但是尚未达 到超3的值，即出现如下任一情况：

V₁≤V(k)＜V_max、I₁≤I(k)＜I_max、T₁≤T(k)＜T_max

③若电源电压、电流、温度工作正常，但是预测的下一检测时刻的电源参数超过 超1的设定值，即出现如下任一情况：

$\hat{V}(k+1)\ge V_1,\hat{I}(k+1)\ge I_1,\hat{T}(k+1)\ge T_1$

其中，分别为预测的下一检测时刻的输入电压、输出电流 和机箱温度：

$\hat{T}(k+1)=2T\left(k\right)-T(k-1)$

$\hat{V}(k+1)=2V\left(k\right)-V(k-1)$

$\hat{I}(k+1)=2I\left(k\right)-I(k-1)$

⑵若步骤（1）中出现渐变性质的故障倾向，则进行应力调整二级保护：

即通过确定在单位时间内脉冲宽度下调速率ΔPWM／T，，并依据此速率自动下调脉 冲宽度PWM，使得电源功率下调：

计算下调脉冲宽度Δ(PWM)

Δ(PWM)＝K[0.85×(最大脉宽)5]

其中，Δ(PWM)为下调脉冲宽度，最大脉宽为100%脉宽减去防止功率器件直通而 设计的“死区”宽度，K的取值为1，2，3，4，5，分别表示五档不同的脉宽控制速度。

K的取值依据如下原则：

满足下列条件中任意一条时，K＝5：

V(k)≥V₂、I(k)≥I₂、T(k)≥T₂、$\hat{V}(k+1)\ge V_{\max },\hat{I}(k+1)\ge I_{\max },\hat{T}(k+1)\ge T_{\max },$T(k)-T(k-1)≥1.2δ_T

未满足K＝5的条件，但是满足下列条件中任意两个及以上时，K＝4：

V(k)≥V₁、I(k)≥I₁、T(k)≥T₁、$\hat{V}(k+1)\ge V_2,\hat{I}(k+1)\ge I_2,\hat{T}(k+1)\ge T_2,$T(k)-T(k-1)≥1.1δ_T

未满足K＝5的条件，但是满足下列条件中任意一个条件时，K＝3：

V(k)≥V₁、I(k)≥I₁、T(k)≥T₁、$\hat{V}(k+1)\ge V_2,\hat{I}(k+1)\ge I_2,\hat{T}(k+1)\ge T_2,$T(k)-T(k-1)≥1.1δ_T

未满足K＝3、K＝4、K＝5的条件，但是满足下列条件中任意两个时，K＝2：

$\hat{V}(k+1)\ge V_1,\hat{I}(k+1)\ge I_1,\hat{T}(k+1)\ge T_1,$T(k)-T(k-1)≥1.1δ_T

不满足K＝2、K＝3、K＝4、K＝5的条件时，K＝1；

按单位时间内脉冲宽度下调速率下调PWM输出值，T为设定的功率调整限 时，T一般可取T＝10～20，即按照下调电源输出功率；

若电源运行状态发生变化，出现渐变性质的故障倾向时，则进入“第二级保护”。 这是一种基于元件承受应力调整的故障规避方法，其特征在于，对于因关键元件应力 渐变导致电源故障可以采用这种保护方法。该方法把测定电源的典型参数，经数据处 理，判定系统出现故障状态和性质。对于由外界应力引起的渐进性（缓慢）故障趋向， 通过对电路参数的调整，使得超标应力回归，消除故障出现的隐患。具体实施方式包 括以下步骤：

①状态监测与管理：利用温度、电流/电压传感器组合，实时检测工作状态的异 常及变化速率。

②信息融合：对由两个或更多传感器组成的具有协同、互补和竞争性质的传感器 阵列进行融合处理，以便提供更充分更准确的反映故障隐患状态信息，得出更准确的 结论。

③故障诊断与预测：利用融合后的状态信息对故障估计：用其静态信息对故障趋 势进行判决；再利用的动态信息（例如电源运行状态偏离正常值的梯度、速率）判断 故障的性质及可能发生的时间。

④基于应力调整的“故障规避”：若渐变性故障是由元件承受应力超标引起的， 则根据应力的类别（如热、电、磁等），启动故障规避模块，调整能影响该应力的电源 运行参数，以便改变运行状态，拟使得应力回复正常；例如可在一定范围内逐步减小 PWM，以减小输出功率，使得上述应力降低或缓解，从而使得电源脱离可能导致故障发 生的病态运行状态，避免故障的发生。

⑤继续调整能影响该应力的电源运行参数，并对状态变化规律进行监控，以便消 除故障隐患。当故障规避模块在规定的调整范围及调整时间内无法解决故障隐患，则 认为第二级保护对该故障无效，再转入第三级保护模式。

步骤4：第三级保护：

通过应力调整，在步骤3的设定的功率调整时间T之后，电源故障倾向未得到消除， 则启动第三级保护——“软关机”，即依照K＝5时对应的下调PWM脉宽，直至 PWM脉冲的宽度减小为0，这时电源输出功率为0，断电关机。

对于第二级保护不能消除隐患、杜绝故障发生的，则说明影响电源工作状态恶化 的原因不仅仅是外界应力发生变化，可能有元件失效等其他因素，必须停机，此时则 采取第三级保护方法——软件保护。软件保护是故障规避技术的延续，他通过软关断 的方法实现，保护，以便恰当的保护现场、避免系统受到大的冲击。具体实施方式包 括以下步骤：

①状态监测：利用温度、电流/电压传感器检测表征电子系统状态及应力的主要 运行状态信息，跟踪并检测元件承受应力呈现出超越正常范围、趋向故障的状态。

②监测第二级保护效果

在第二级保护执行过程中，通过传感器测量基于功率调整后应力、状态的变化规 律。此时，若应力不发生变化，或者应力变化而状态不发生变化，证明出现电源内部 元件因环境应力等变化而导致故障以外的其他慢变型故障，如元器件失效（损坏或变 质）等，使得电源系统无法维持正常工作。此时启动第三级保护——“程序关机”。

③启动“程序关机”过程

“程序关机”是通过逐步减小PWM脉冲的宽度而减小电源输出功率（电压或电流）， 直至最后关机，以实现“关机过程无冲击、关机过程不出现逻辑紊乱、关机后元件无 储能”的安全状态。本技术允许的关机时间不超过30ms。在该时间段，对于常规50KHz 开关频率的开关电源，将有20000个PWM脉冲作为过渡脉冲，保证了关机的平稳性，不 至于产生冲击电流、尖峰感应电压，造成EMC组件失效，形成附加的二次故障。

④保护自动解除功能

由于该级保护属缓变故障，因而设定了再启动功能。电源执行保护后，停留数秒 （可以任意设置）后，再次启动电源，并按照保护关机前的参数运行。此时，电源保 护系统把此时的工作段设置为“观察窗”状态，时间约为10分钟（可以任意设置），并 提高监测信息的采样速率。如果电源在“观察窗”期间工作正常，则解除第三级保护， 进入正常工作状态。否则，再次软件关机。

⑤关机

如果连续执行本级保护中④中的解除功能超过3次（可以任意设定），则停止再启 动，实现关机。