胡曄,馮勇建

　　（廈門大學 物理與機電工程學院，福建 廈門 361005）

　　摘要：針對傳統的礦燈存在的體積大、壽命短、耗電量大、玻璃易碎、使用不安全等不足，設計了一款以鋰電池為電源、LED 為光源、高精度欠壓閾值和主輔雙通道自動切換的恒流驅動芯片，減小了礦燈的體積和重量，提高了礦燈的壽命和安全使用性能。為了既保證主燈的生產工作時間，又保證輔燈的應急時間，提出一種高精度欠壓閾值檢測電池電壓，實現雙通道自動切換的結構，精確檢測電池的容量變化，保證了充電的時間節點，確保了礦燈使用安全；為解決電池電壓充電節點的一致性，設計了時序邏輯校正控制結構電路，精確調整了分壓電阻的阻值，實現了帶有80 mV遲滯的欠壓閾值±2%電壓范圍的控制，有效防止了因電源波動引起雙通道切換的誤操作，滿足芯片穩定性好、抗干擾性強的設計要求。另外還設計了主燈短路保護和過溫保護等電路，進一步保證礦燈工作安全。

　　關鍵詞：LED 礦燈；主輔雙通道；版圖設計

0引言

　　20世紀60年代初，我國自主開發研制了以鉛酸蓄電池和錫鎳蓄電池為電源的礦燈，盡管在之后的發展過程中不斷改進，但是礦燈的驅動電源、所采用的白熾鎢絲光源及安全性能等方面并沒有多大的改善。

　　鉛酸蓄電池礦燈和堿性電池礦燈的最大缺點是蓄電池和燈頭容易碰撞摔破，電纜破皮扯斷等現象產生電火花導致礦難事故的發生［1］ 。國外的先進礦燈主要有如下特點：采用雙光源，當主光源燒壞后，可用輔助光源照明；采用阻燃耐脂肪酸電纜和防靜電塑料外殼；燈頭和蓄電池部分達到IP54 防護等級，可防水和粉塵；礦燈強度和耐沖擊性好；外部緊固閉鎖裝置一般采用鉛封或錫焊，可防止隨意拆卸礦燈；蓄電池容量大，可保證點燈時間達16 h。在煤礦、煤井等地下工作場合的照明中，必須要確保礦燈在使用時的絕對安全，因此安全可靠性能是礦燈設計時需要考慮的重要因素。國家煤礦安全委員會正是出于上述考慮，對礦燈做出了一些標準和要求，包括：(1)與礦燈相關的電路，所有電壓包括輸入電壓、輸出電壓或變換所需的中間電壓都必須小于8 V。(2)礦燈必須具有主燈和輔燈兩組，并且能實現單獨驅動。由于大部分時間的照明中使用主燈，因此主燈需要的電流一般較大，更主要是工作時間不能小于11 h。輔燈更多時候用于應急情況，或者主燈不能工作時，通常工作電流較小，并且要求工作時間不能低于30 h。(3)正常工作時，所有的控制電路不能產生電弧或者電火花，防止瓦斯爆炸事故的發生。鋰電池電壓范圍通常是2.7~4.2 V，結合LED 的導通電壓，單個鋰電池作為礦燈的電源就足以驅動LED燈。以鋰電池為電源的LED 礦燈不僅可用于礦山的生產照明，還可用于一些特殊場合比如搶險救災等，滿足安全可靠的使用要求。

1線性恒流LED驅動芯片分析

　　1.1LED特性

　　LED的IV特性曲線成非線性關系，圖1所示為40℃時白光LuxeonⅢ的IV曲線［2］。LED導通電壓一般在3V左右，從圖1可知，只要LED導通后，如果兩端電壓發生微小變化，那么流過LED的電流將發生很大的變化，嚴重影響LED的光輸出主波長，甚至導致LED的色溫發生漂移，因此流過LED的電流最好能保持穩定，即對LED驅動電路的設計提出了一定的要求。

　　1.2LED線性恒流驅動方式圖2LED線性恒流驅動線路

　　在線性恒流驅動電路中，主功率MOS器件與LED負載是串聯的關系，且工作在線性區［35］ ，功率MOS相當于一個阻值較小的電阻，其典型電路圖如圖2所示。其中Q1為NMOS型功率器件，尺寸一般會取值較大，工作在線性區，以減小功率MOS上的損耗。通過運算放大器，由Q1的柵極電壓調節其VDS電壓，從而相應調節LED上的壓降。Q1的Drain端與LED的陰極相連，用于設定LED電流和負載電流反饋的電阻RSET 串聯在主回路中，電流反饋信號連到運算放大器的反相輸入端，基準電壓Vref與運算放大器的正相輸入端相連。由于運算放大器“虛短”的作用，使得反相輸入端電壓VSET等于基準電壓Vref，因此流過LED電流大小為ILED=VSETRSET=VREFRSET。如果基準電壓Vref不隨溫度、電源電壓的變化而變化，那么流過LED的電流就能保持恒定。

2主輔雙通道恒流LED驅動芯片的實現

　　2.1芯片的典型應用線路及其工作原理

　　主輔雙通道LED驅動芯片的實現正是基于線性恒流LED驅動電路的基本原理，下面分別介紹這款芯片的典型應用線路及其工作原理、內部框架結構。芯片的典型應用線路如圖3所示。

　　芯片的工作原理是：芯片具有主輔兩個通道，通常只有一個通道導通，且具有相互切換的功能。UV管腳的電壓由VCC經過R2、R3分壓而來，檢測UV管腳電壓實際上就是在檢測VCC的電壓大小。當電源電壓VCC從高電壓到低電壓減小，芯片的UV引腳電壓低于閾值電壓1.2 V時，主通道關閉(主燈滅)， 輔通道導通(輔燈亮)；當電源電壓VCC從低電壓到高電壓增大，UV引腳電壓達到1.28 V時，主通道導通(主燈亮)，輔通道關閉(輔燈滅)。當主通道導通時，即主燈亮，芯片將恒流驅動主燈，主燈電流大小是ISET引腳的8 000倍，所以通過ISET管腳的外接電阻即可設定主燈電流。當主燈的電流為200 mA時，芯片內部的恒流源只需要0.1 V的壓差。當輔通道導通時，即輔燈亮，芯片通過內部功率MOS將LED的陰極端下拉到地。

　　2.2芯片的內部框架結構

　　根據芯片的工作原理，所設計的芯片的內部框架結構如圖4所示，基準源模塊用于產生電路各個模塊所需要的偏置電流IBIAS和參考電壓Vref1p2、vref1p28，以及過溫保護模塊的輸出信號otp；上電復位模塊為參考電壓修正控制模塊的鎖存器提供上電復位信號POR；參考電壓修正控制模塊用于當參考電壓需要修正時輸出特定的值給控制信號D0~D4；電源欠壓檢測模塊輸出信號為LED_ctrl，用于控制主輔燈通道中其中一個通道的導通；主燈短路保護模塊用于檢測主燈是否被短路，若發生主燈被短路，則輸出信號led_short變為高電平；主燈驅動模塊用于給ISET 管腳一個典型值為1.2 V 的電壓，同時讓主燈電流是ISET管腳電流的8 000倍。

3基本功能模塊的設計

　　芯片的基本功能模塊包括：基準源模塊、電源欠壓檢測模塊、主燈短路保護模塊及數字信號邏輯控制模塊。

　　3.1基準源模塊

　　帶隙基準在CMOS電路中廣泛應用，因為當電源、工藝、溫度等不確定因素改變時，它仍然能夠產生一個穩定的電壓［6］ ，在很多模擬電路中是不可或缺的。

　　利用三極管構建正、負溫度系數的電壓，以一定的比例系數相加，就可以得到一個具有零溫度系數特性的基準電壓，即VREF=aVBE+bΔVBE。通過選取適當的系數a、b，就能獲得一個具有零溫度系數特性且與電源電壓大小無關的帶隙基準，設計的帶隙基準電路如圖5所示。

　　由于運算放大器的作用，使得A、B兩點電壓相等，那么電阻R1上的電壓就等于Q1、Q2的基極集電極電壓的差值△V BE，所以流過R1的電流為：IR1=ΔVBER1，顯然流過R3的電流為2IR1，所以BG點的電壓為：

　　所以選取合適的R1、R2、R3及n就可獲得零溫度系數的基準電壓。為了盡量減小三極管的匹配誤差，通常取n=8。

　　3.2電源欠壓檢測模塊

　　電源欠壓檢測模塊用來檢測電源電壓VCC的大小，當電源電壓VCC 高于一定閾值時，讓主燈亮，輔燈滅；當電源電壓VCC低于一定閾值時，讓主燈滅，輔燈亮，設計的電路如圖6所示。

　　具體的工作過程是：UV引腳的電壓是通過VCC經過兩個電阻分壓而來，與基準源模塊的Vref1p2、Vref1p28V(典型值分別為1.2 V、1.28 V)比較。若電源電壓VCC從低到高變化，UV引腳電壓在VCC剛上電時比較低，因而UV引腳電壓與Vref1p28比較，當UV引腳電壓達到Vref1p28時，LED_ctrl=1，使主通道導通，輔通道關閉；反之，當主通道導通后，電源電壓VCC從高到低變化，UV引腳電壓低于欠壓閾值Vref1p2時，LED_ctrl=0，主通道關閉，輔通道導通。由于UV引腳的電壓是通過VCC經過兩個電阻分壓而來，所以檢測UV引腳的電壓實際上是檢測VCC電壓的大小，通過調整圖3中電阻R1、R2的大小，就可根據實際需要調整VCC的欠壓閾值。

　　3.3主燈短路保護模塊

　　圖7主燈短路保護電路主燈短路保護模塊的功能是當主燈被短路時， 芯片會產生一個讓主燈關閉、輔燈導通的信號，電路如圖7所示。本質上，圖7由比較器和倒相器構成，比較器的輸入端電壓分別為 MAIN引腳電壓和VCC-VGS 的比較電壓。正常工作時，如果主燈電流為200 mA ，那么MAIN引腳電壓最高為100 mV，低于比較電壓VCC-VGS，因而正常工作時主燈短路信號led_short 為低電平；當發生主燈被短路時，MAIN引腳直接接到VCC ，高于比較器的比較電壓VCC-VGS ，經過倒相器I1、I2 整形后，主燈短路信號led_short變為高電平，通過邏輯控制模塊，使主燈關閉，輔燈導通。NM1 這條支路的作用是當主燈短路解除時，如果led_short 還是高電平，會通過NM1 把MAIN引腳電壓強制拉低，然后讓led_short 信號恢復為低電平。

　　3.4邏輯功能模塊

　　根據芯片的功能要求，設計出的邏輯控制模塊的電路如圖8所示。

　　(1)當溫度過高時otp=1，主燈和輔燈都滅，即drv_main=0，drv_sub=0 ；

　　(2)當芯片正常工作時，若LED_ctrl=1，則主燈亮，輔燈滅，即drv_main=1，drv_sub=0；反之若LED_ctrl=0，則主燈滅，輔燈亮，即drv_main=0，drv_sub=；

　　(3)當主燈發生短路時，led_short=1，則主燈滅，輔燈亮，即drv_main=0，drv_sub=1；

　　(4)當外面開關閉合時，則主燈滅，輔燈陰極直接連到地而點亮，即drv_main=0。

　　圖8邏輯控制電路

　　4芯片的整體版圖

　　芯片的整體版圖如圖9所示。

5芯片功能驗證

　　接上電源，驗證芯片功能，如圖10所示。總體上芯片達到了設計要求。

6結論

　　本文針對傳統鉛酸礦燈的缺點，結合礦燈照明的行業標準，設計了一款以鋰電池為電源、LED 為光源，高精度欠 圖10接上電源，驗證芯片功能

　　壓閾值和主輔雙通道自動切換的恒流驅動芯片，不僅減小了礦燈的體積和重量，提高了礦燈的壽命和安全使用，而且提升了礦燈的標準化生產水平。本文介紹了芯片的典型應用線路和芯片內部整體框架，完成了各個子模塊的設計。同時，在設計時充分考慮了實際應用可能遇到的意外情況，加入了多種保護電路。總體上，該芯片達到了基本要求。

參考文獻

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