胡曄,馮勇建

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

　　摘要：針對(duì)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(jì)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(dòng)切換的恒流驅(qū)動(dòng)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(shí)間，又保證輔燈的應(yīng)急時(shí)間，提出一種高精度欠壓閾值檢測(cè)電池電壓，實(shí)現(xiàn)雙通道自動(dòng)切換的結(jié)構(gòu)，精確檢測(cè)電池的容量變化，保證了充電的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，確保了礦燈使用安全；為解決電池電壓充電節(jié)點(diǎn)的一致性，設(shè)計(jì)了時(shí)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(shí)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(dòng)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(qiáng)的設(shè)計(jì)要求。另外還設(shè)計(jì)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(jì)

0引言

　　20世紀(jì)60年代初，我國(guó)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(dòng)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(diǎn)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(guó)外的先進(jìn)礦燈主要有如下特點(diǎn)：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(jí)，可防水和粉塵；礦燈強(qiáng)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(diǎn)燈時(shí)間達(dá)16 h。在煤礦、煤井等地下工作場(chǎng)合的照明中，必須要確保礦燈在使用時(shí)的絕對(duì)安全，因此安全可靠性能是礦燈設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。國(guó)家煤礦安全委員會(huì)正是出于上述考慮，對(duì)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(shí)現(xiàn)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。由于大部分時(shí)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(shí)間不能小于11 h。輔燈更多時(shí)候用于應(yīng)急情況，或者主燈不能工作時(shí)，通常工作電流較小，并且要求工作時(shí)間不能低于30 h。(3)正常工作時(shí)，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(gè)鋰電池作為礦燈的電源就足以驅(qū)動(dòng)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(chǎng)合比如搶險(xiǎn)救災(zāi)等，滿足安全可靠的使用要求。

1線性恒流LED驅(qū)動(dòng)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(shí)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(zhǎng)，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(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了一定的要求。

　　1.2LED線性恒流驅(qū)動(dòng)方式圖2LED線性恒流驅(qū)動(dòng)線路

　　在線性恒流驅(qū)動(dòng)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(gè)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(huì)取值較大，工作在線性區(qū)，以減小功率MOS上的損耗。通過運(yùn)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(hào)連到運(yùn)算放大器的反相輸入端，基準(zhǔn)電壓Vref與運(yùn)算放大器的正相輸入端相連。由于運(yùn)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(dòng)芯片的實(shí)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(dòng)芯片的實(shí)現(xiàn)正是基于線性恒流LED驅(qū)動(dòng)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(gè)通道，通常只有一個(gè)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(cè)UV管腳電壓實(shí)際上就是在檢測(cè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，即主燈亮，芯片將恒流驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(jì)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(gè)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(hào)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(hào)POR；參考電壓修正控制模塊用于當(dāng)參考電壓需要修正時(shí)輸出特定的值給控制信號(hào)D0~D4；電源欠壓檢測(cè)模塊輸出信號(hào)為L(zhǎng)ED_ctrl，用于控制主輔燈通道中其中一個(gè)通道的導(dǎo)通；主燈短路保護(hù)模塊用于檢測(cè)主燈是否被短路，若發(fā)生主燈被短路，則輸出信號(hào)led_short變?yōu)楦唠娖剑恢鳠趄?qū)動(dòng)模塊用于給ISET 管腳一個(gè)典型值為1.2 V 的電壓，同時(shí)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(jì)

　　芯片的基本功能模塊包括：基準(zhǔn)源模塊、電源欠壓檢測(cè)模塊、主燈短路保護(hù)模塊及數(shù)字信號(hào)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?yàn)楫?dāng)電源、工藝、溫度等不確定因素改變時(shí)，它仍然能夠產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(gè)具有零溫度系數(shù)特性且與電源電壓大小無(wú)關(guān)的帶隙基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電路如圖5所示。

　　由于運(yùn)算放大器的作用，使得A、B兩點(diǎn)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(diǎn)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(cè)模塊

　　電源欠壓檢測(cè)模塊用來檢測(cè)電源電壓VCC的大小，當(dāng)電源電壓VCC 高于一定閾值時(shí)，讓主燈亮，輔燈滅；當(dāng)電源電壓VCC低于一定閾值時(shí)，讓主燈滅，輔燈亮，設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)電阻分壓而來，所以檢測(cè)UV引腳的電壓實(shí)際上是檢測(cè)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(shí)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(shí)， 芯片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)讓主燈關(guān)閉、輔燈導(dǎo)通的信號(hào)，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(shí)，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(shí)主燈短路信號(hào)led_short 為低電平；當(dāng)發(fā)生主燈被短路時(shí)，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(hào)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(shí)，如果led_short 還是高電平，會(huì)通過NM1 把MAIN引腳電壓強(qiáng)制拉低，然后讓led_short 信號(hào)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(jì)出的邏輯控制模塊的電路如圖8所示。

　　(1)當(dāng)溫度過高時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，則主燈滅，輔燈陰極直接連到地而點(diǎn)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(yàn)證

　　接上電源，驗(yàn)證芯片功能，如圖10所示?？傮w上芯片達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6結(jié)論

　　本文針對(duì)傳統(tǒng)鉛酸礦燈的缺點(diǎn)，結(jié)合礦燈照明的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(yàn)證芯片功能

　　壓閾值和主輔雙通道自動(dòng)切換的恒流驅(qū)動(dòng)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(gè)子模塊的設(shè)計(jì)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了實(shí)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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