胡晔,冯勇建

　　（厦门大学 物理与机电工程学院，福建 厦门 361005）

　　摘要：针对传统的矿灯存在的体积大、寿命短、耗电量大、玻璃易碎、使用不安全等不足，设计了一款以锂电池为电源、LED 为光源、高精度欠压阈值和主辅双通道自动切换的恒流驱动芯片，减小了矿灯的体积和重量，提高了矿灯的寿命和安全使用性能。为了既保证主灯的生产工作时间，又保证辅灯的应急时间，提出一种高精度欠压阈值检测电池电压，实现双通道自动切换的结构，精确检测电池的容量变化，保证了充电的时间节点，确保了矿灯使用安全；为解决电池电压充电节点的一致性，设计了时序逻辑校正控制结构电路，精确调整了分压电阻的阻值，实现了带有80 mV迟滞的欠压阈值±2%电压范围的控制，有效防止了因电源波动引起双通道切换的误操作，满足芯片稳定性好、抗干扰性强的设计要求。另外还设计了主灯短路保护和过温保护等电路，进一步保证矿灯工作安全。

　　关键词：LED 矿灯；主辅双通道；版图设计

0引言

　　20世纪60年代初，我国自主开发研制了以铅酸蓄电池和锡镍蓄电池为电源的矿灯，尽管在之后的发展过程中不断改进，但是矿灯的驱动电源、所采用的白炽钨丝光源及安全性能等方面并没有多大的改善。

　　铅酸蓄电池矿灯和碱性电池矿灯的最大缺点是蓄电池和灯头容易碰撞摔破，电缆破皮扯断等现象产生电火花导致矿难事故的发生［1］ 。国外的先进矿灯主要有如下特点：采用双光源，当主光源烧坏后，可用辅助光源照明；采用阻燃耐脂肪酸电缆和防静电塑料外壳；灯头和蓄电池部分达到IP54 防护等级，可防水和粉尘；矿灯强度和耐冲击性好；外部紧固闭锁装置一般采用铅封或锡焊，可防止随意拆卸矿灯；蓄电池容量大，可保证点灯时间达16 h。在煤矿、煤井等地下工作场合的照明中，必须要确保矿灯在使用时的绝对安全，因此安全可靠性能是矿灯设计时需要考虑的重要因素。国家煤矿安全委员会正是出于上述考虑，对矿灯做出了一些标准和要求，包括：(1)与矿灯相关的电路，所有电压包括输入电压、输出电压或变换所需的中间电压都必须小于8 V。(2)矿灯必须具有主灯和辅灯两组，并且能实现单独驱动。由于大部分时间的照明中使用主灯，因此主灯需要的电流一般较大，更主要是工作时间不能小于11 h。辅灯更多时候用于应急情况，或者主灯不能工作时，通常工作电流较小，并且要求工作时间不能低于30 h。(3)正常工作时，所有的控制电路不能产生电弧或者电火花，防止瓦斯爆炸事故的发生。锂电池电压范围通常是2.7~4.2 V，结合LED 的导通电压，单个锂电池作为矿灯的电源就足以驱动LED灯。以锂电池为电源的LED 矿灯不仅可用于矿山的生产照明，还可用于一些特殊场合比如抢险救灾等，满足安全可靠的使用要求。

1线性恒流LED驱动芯片分析

　　1.1LED特性

　　LED的IV特性曲线成非线性关系，图1所示为40℃时白光LuxeonⅢ的IV曲线［2］。LED导通电压一般在3V左右，从图1可知，只要LED导通后，如果两端电压发生微小变化，那么流过LED的电流将发生很大的变化，严重影响LED的光输出主波长，甚至导致LED的色温发生漂移，因此流过LED的电流最好能保持稳定，即对LED驱动电路的设计提出了一定的要求。

　　1.2LED线性恒流驱动方式图2LED线性恒流驱动线路

　　在线性恒流驱动电路中，主功率MOS器件与LED负载是串联的关系，且工作在线性区［35］ ，功率MOS相当于一个阻值较小的电阻，其典型电路图如图2所示。其中Q1为NMOS型功率器件，尺寸一般会取值较大，工作在线性区，以减小功率MOS上的损耗。通过运算放大器，由Q1的栅极电压调节其VDS电压，从而相应调节LED上的压降。Q1的Drain端与LED的阴极相连，用于设定LED电流和负载电流反馈的电阻RSET 串联在主回路中，电流反馈信号连到运算放大器的反相输入端，基准电压Vref与运算放大器的正相输入端相连。由于运算放大器“虚短”的作用，使得反相输入端电压VSET等于基准电压Vref，因此流过LED电流大小为ILED=VSETRSET=VREFRSET。如果基准电压Vref不随温度、电源电压的变化而变化，那么流过LED的电流就能保持恒定。

2主辅双通道恒流LED驱动芯片的实现

　　2.1芯片的典型应用线路及其工作原理

　　主辅双通道LED驱动芯片的实现正是基于线性恒流LED驱动电路的基本原理，下面分别介绍这款芯片的典型应用线路及其工作原理、内部框架结构。芯片的典型应用线路如图3所示。

　　芯片的工作原理是：芯片具有主辅两个通道，通常只有一个通道导通，且具有相互切换的功能。UV管脚的电压由VCC经过R2、R3分压而来，检测UV管脚电压实际上就是在检测VCC的电压大小。当电源电压VCC从高电压到低电压减小，芯片的UV引脚电压低于阈值电压1.2 V时，主通道关闭(主灯灭)， 辅通道导通(辅灯亮)；当电源电压VCC从低电压到高电压增大，UV引脚电压达到1.28 V时，主通道导通(主灯亮)，辅通道关闭(辅灯灭)。当主通道导通时，即主灯亮，芯片将恒流驱动主灯，主灯电流大小是ISET引脚的8 000倍，所以通过ISET管脚的外接电阻即可设定主灯电流。当主灯的电流为200 mA时，芯片内部的恒流源只需要0.1 V的压差。当辅通道导通时，即辅灯亮，芯片通过内部功率MOS将LED的阴极端下拉到地。

　　2.2芯片的内部框架结构

　　根据芯片的工作原理，所设计的芯片的内部框架结构如图4所示，基准源模块用于产生电路各个模块所需要的偏置电流IBIAS和参考电压Vref1p2、vref1p28，以及过温保护模块的输出信号otp；上电复位模块为参考电压修正控制模块的锁存器提供上电复位信号POR；参考电压修正控制模块用于当参考电压需要修正时输出特定的值给控制信号D0~D4；电源欠压检测模块输出信号为LED_ctrl，用于控制主辅灯通道中其中一个通道的导通；主灯短路保护模块用于检测主灯是否被短路，若发生主灯被短路，则输出信号led_short变为高电平；主灯驱动模块用于给ISET 管脚一个典型值为1.2 V 的电压，同时让主灯电流是ISET管脚电流的8 000倍。

3基本功能模块的设计

　　芯片的基本功能模块包括：基准源模块、电源欠压检测模块、主灯短路保护模块及数字信号逻辑控制模块。

　　3.1基准源模块

　　带隙基准在CMOS电路中广泛应用，因为当电源、工艺、温度等不确定因素改变时，它仍然能够产生一个稳定的电压［6］ ，在很多模拟电路中是不可或缺的。

　　利用三极管构建正、负温度系数的电压，以一定的比例系数相加，就可以得到一个具有零温度系数特性的基准电压，即VREF=aVBE+bΔVBE。通过选取适当的系数a、b，就能获得一个具有零温度系数特性且与电源电压大小无关的带隙基准，设计的带隙基准电路如图5所示。

　　由于运算放大器的作用，使得A、B两点电压相等，那么电阻R1上的电压就等于Q1、Q2的基极集电极电压的差值△V BE，所以流过R1的电流为：IR1=ΔVBER1，显然流过R3的电流为2IR1，所以BG点的电压为：

　　所以选取合适的R1、R2、R3及n就可获得零温度系数的基准电压。为了尽量减小三极管的匹配误差，通常取n=8。

　　3.2电源欠压检测模块

　　电源欠压检测模块用来检测电源电压VCC的大小，当电源电压VCC 高于一定阈值时，让主灯亮，辅灯灭；当电源电压VCC低于一定阈值时，让主灯灭，辅灯亮，设计的电路如图6所示。

　　具体的工作过程是：UV引脚的电压是通过VCC经过两个电阻分压而来，与基准源模块的Vref1p2、Vref1p28V(典型值分别为1.2 V、1.28 V)比较。若电源电压VCC从低到高变化，UV引脚电压在VCC刚上电时比较低，因而UV引脚电压与Vref1p28比较，当UV引脚电压达到Vref1p28时，LED_ctrl=1，使主通道导通，辅通道关闭；反之，当主通道导通后，电源电压VCC从高到低变化，UV引脚电压低于欠压阈值Vref1p2时，LED_ctrl=0，主通道关闭，辅通道导通。由于UV引脚的电压是通过VCC经过两个电阻分压而来，所以检测UV引脚的电压实际上是检测VCC电压的大小，通过调整图3中电阻R1、R2的大小，就可根据实际需要调整VCC的欠压阈值。

　　3.3主灯短路保护模块

　　图7主灯短路保护电路主灯短路保护模块的功能是当主灯被短路时， 芯片会产生一个让主灯关闭、辅灯导通的信号，电路如图7所示。本质上，图7由比较器和倒相器构成，比较器的输入端电压分别为 MAIN引脚电压和VCC-VGS 的比较电压。正常工作时，如果主灯电流为200 mA ，那么MAIN引脚电压最高为100 mV，低于比较电压VCC-VGS，因而正常工作时主灯短路信号led_short 为低电平；当发生主灯被短路时，MAIN引脚直接接到VCC ，高于比较器的比较电压VCC-VGS ，经过倒相器I1、I2 整形后，主灯短路信号led_short变为高电平，通过逻辑控制模块，使主灯关闭，辅灯导通。NM1 这条支路的作用是当主灯短路解除时，如果led_short 还是高电平，会通过NM1 把MAIN引脚电压强制拉低，然后让led_short 信号恢复为低电平。

　　3.4逻辑功能模块

　　根据芯片的功能要求，设计出的逻辑控制模块的电路如图8所示。

　　(1)当温度过高时otp=1，主灯和辅灯都灭，即drv_main=0，drv_sub=0 ；

　　(2)当芯片正常工作时，若LED_ctrl=1，则主灯亮，辅灯灭，即drv_main=1，drv_sub=0；反之若LED_ctrl=0，则主灯灭，辅灯亮，即drv_main=0，drv_sub=；

　　(3)当主灯发生短路时，led_short=1，则主灯灭，辅灯亮，即drv_main=0，drv_sub=1；

　　(4)当外面开关闭合时，则主灯灭，辅灯阴极直接连到地而点亮，即drv_main=0。

　　图8逻辑控制电路

　　4芯片的整体版图

　　芯片的整体版图如图9所示。

5芯片功能验证

　　接上电源，验证芯片功能，如图10所示。总体上芯片达到了设计要求。

6结论

　　本文针对传统铅酸矿灯的缺点，结合矿灯照明的行业标准，设计了一款以锂电池为电源、LED 为光源，高精度欠 图10接上电源，验证芯片功能

　　压阈值和主辅双通道自动切换的恒流驱动芯片，不仅减小了矿灯的体积和重量，提高了矿灯的寿命和安全使用，而且提升了矿灯的标准化生产水平。本文介绍了芯片的典型应用线路和芯片内部整体框架，完成了各个子模块的设计。同时，在设计时充分考虑了实际应用可能遇到的意外情况，加入了多种保护电路。总体上，该芯片达到了基本要求。

参考文献

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　　［5］ 童华章. 大功率LED 矿灯的双恒流驱动模块［P］. 中国：CN1819731， 20060816.

　　［6］ Jiang Yueming， LEE E K F. Design of lowvoltage bandgap reference using transimpedance amplifier［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ Analog & Digital Signal Processing，2000，47(6)：552555.