胡曄,馮勇建

　?。◤B門大學(xué) 物理與機電工程學(xué)院，福建 廈門 361005）

　　摘要：針對傳統(tǒng)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(shè)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(qū)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(chǎn)工作時間，又保證輔燈的應(yīng)急時間，提出一種高精度欠壓閾值檢測電池電壓，實現(xiàn)雙通道自動切換的結(jié)構(gòu)，精確檢測電池的容量變化，保證了充電的時間節(jié)點，確保了礦燈使用安全；為解決電池電壓充電節(jié)點的一致性，設(shè)計了時序邏輯校正控制結(jié)構(gòu)電路，精確調(diào)整了分壓電阻的阻值，實現(xiàn)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(wěn)定性好、抗干擾性強的設(shè)計要求。另外還設(shè)計了主燈短路保護(hù)和過溫保護(hù)等電路，進(jìn)一步保證礦燈工作安全。

　　關(guān)鍵詞：LED 礦燈；主輔雙通道；版圖設(shè)計

0引言

　　20世紀(jì)60年代初，我國自主開發(fā)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(fā)展過程中不斷改進(jìn)，但是礦燈的驅(qū)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(xiàn)象產(chǎn)生電火花導(dǎo)致礦難事故的發(fā)生［1］ 。國外的先進(jìn)礦燈主要有如下特點：采用雙光源，當(dāng)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(dá)到IP54 防護(hù)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(dá)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)和要求，包括：(1)與礦燈相關(guān)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(xiàn)單獨驅(qū)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(yīng)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(chǎn)生電弧或者電火花，防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生。鋰電池電壓范圍通常是2.7~4.2 V，結(jié)合LED 的導(dǎo)通電壓，單個鋰電池作為礦燈的電源就足以驅(qū)動LED燈。以鋰電池為電源的LED 礦燈不僅可用于礦山的生產(chǎn)照明，還可用于一些特殊場合比如搶險救災(zāi)等，滿足安全可靠的使用要求。

1線性恒流LED驅(qū)動芯片分析

　　1.1LED特性

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

　　1.2LED線性恒流驅(qū)動方式圖2LED線性恒流驅(qū)動線路

　　在線性恒流驅(qū)動電路中，主功率MOS器件與LED負(fù)載是串聯(lián)的關(guān)系，且工作在線性區(qū)［35］ ，功率MOS相當(dāng)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(qū)，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(diào)節(jié)其VDS電壓，從而相應(yīng)調(diào)節(jié)LED上的壓降。Q1的Drain端與LED的陰極相連，用于設(shè)定LED電流和負(fù)載電流反饋的電阻RSET 串聯(lián)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓Vref，因此流過LED電流大小為ILED=VSETRSET=VREFRSET。如果基準(zhǔn)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(qū)動芯片的實現(xiàn)

　　2.1芯片的典型應(yīng)用線路及其工作原理

　　主輔雙通道LED驅(qū)動芯片的實現(xiàn)正是基于線性恒流LED驅(qū)動電路的基本原理，下面分別介紹這款芯片的典型應(yīng)用線路及其工作原理、內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)。芯片的典型應(yīng)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(dǎo)通，且具有相互切換的功能。UV管腳的電壓由VCC經(jīng)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(dāng)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(guān)閉(主燈滅)， 輔通道導(dǎo)通(輔燈亮)；當(dāng)電源電壓VCC從低電壓到高電壓增大，UV引腳電壓達(dá)到1.28 V時，主通道導(dǎo)通(主燈亮)，輔通道關(guān)閉(輔燈滅)。當(dāng)主通道導(dǎo)通時，即主燈亮，芯片將恒流驅(qū)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(shè)定主燈電流。當(dāng)主燈的電流為200 mA時，芯片內(nèi)部的恒流源只需要0.1 V的壓差。當(dāng)輔通道導(dǎo)通時，即輔燈亮，芯片通過內(nèi)部功率MOS將LED的陰極端下拉到地。

　　2.2芯片的內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)芯片的工作原理，所設(shè)計的芯片的內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)如圖4所示，基準(zhǔn)源模塊用于產(chǎn)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(hù)模塊的輸出信號otp；上電復(fù)位模塊為參考電壓修正控制模塊的鎖存器提供上電復(fù)位信號POR；參考電壓修正控制模塊用于當(dāng)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(dǎo)通；主燈短路保護(hù)模塊用于檢測主燈是否被短路，若發(fā)生主燈被短路，則輸出信號led_short變?yōu)楦唠娖?；主燈?qū)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(shè)計

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

　　3.1基準(zhǔn)源模塊

　　帶隙基準(zhǔn)在CMOS電路中廣泛應(yīng)用，因為當(dāng)電源、工藝、溫度等不確定因素改變時，它仍然能夠產(chǎn)生一個穩(wěn)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(gòu)建正、負(fù)溫度系數(shù)的電壓，以一定的比例系數(shù)相加，就可以得到一個具有零溫度系數(shù)特性的基準(zhǔn)電壓，即VREF=aVBE+bΔVBE。通過選取適當(dāng)?shù)南禂?shù)a、b，就能獲得一個具有零溫度系數(shù)特性且與電源電壓大小無關(guān)的帶隙基準(zhǔn)，設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)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(shù)的基準(zhǔn)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(dāng)電源電壓VCC 高于一定閾值時，讓主燈亮，輔燈滅；當(dāng)電源電壓VCC低于一定閾值時，讓主燈滅，輔燈亮，設(shè)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(jīng)過兩個電阻分壓而來，與基準(zhǔn)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(dāng)UV引腳電壓達(dá)到Vref1p28時，LED_ctrl=1，使主通道導(dǎo)通，輔通道關(guān)閉；反之，當(dāng)主通道導(dǎo)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(guān)閉，輔通道導(dǎo)通。由于UV引腳的電壓是通過VCC經(jīng)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(diào)整圖3中電阻R1、R2的大小，就可根據(jù)實際需要調(diào)整VCC的欠壓閾值。

　　3.3主燈短路保護(hù)模塊

　　圖7主燈短路保護(hù)電路主燈短路保護(hù)模塊的功能是當(dāng)主燈被短路時， 芯片會產(chǎn)生一個讓主燈關(guān)閉、輔燈導(dǎo)通的信號，電路如圖7所示。本質(zhì)上，圖7由比較器和倒相器構(gòu)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(dāng)發(fā)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(jīng)過倒相器I1、I2 整形后，主燈短路信號led_short變?yōu)楦唠娖?，通過邏輯控制模塊，使主燈關(guān)閉，輔燈導(dǎo)通。NM1 這條支路的作用是當(dāng)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(fù)為低電平。

　　3.4邏輯功能模塊

　　根據(jù)芯片的功能要求，設(shè)計出的邏輯控制模塊的電路如圖8所示。

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

　　(2)當(dāng)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(dāng)主燈發(fā)生短路時，led_short=1，則主燈滅，輔燈亮，即drv_main=0，drv_sub=1；

　　(4)當(dāng)外面開關(guān)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?？傮w上芯片達(dá)到了設(shè)計要求。

6結(jié)論

　　本文針對傳統(tǒng)鉛酸礦燈的缺點，結(jié)合礦燈照明的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)水平。本文介紹了芯片的典型應(yīng)用線路和芯片內(nèi)部整體框架，完成了各個子模塊的設(shè)計。同時，在設(shè)計時充分考慮了實際應(yīng)用可能遇到的意外情況，加入了多種保護(hù)電路?？傮w上，該芯片達(dá)到了基本要求。

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