主辅双通道LED驱动芯片的研制_电压_矿灯

（厦门大学 物理与机电工程学院，福建 厦门 361005）

择要：针对传统的矿灯存在的体历年夜、寿命短、耗电量大、玻璃易碎、利用不屈安等不敷，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利用性能。
为了既担保主灯的生产事情韶光，又担保辅灯的应急韶光，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构造，精确检测电池的容量变革，担保了充电的韶光节点，确保了矿灯利用安全；为办理电池电压充电节点的同等性，设计了时序逻辑校正掌握构造电路，精确调度了分压电阻的阻值，实现了带有80 mV迟滞的欠压阈值±2%电压范围的掌握，有效防止了因电源颠簸引起双通道切换的误操作，知足芯片稳定性好、抗滋扰性强的设计哀求。
其余还设计了主灯短路保护和过温保护等电路，进一步担保矿灯事情安全。

0弁言

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

铅酸蓄电池矿灯和碱性电池矿灯的最大缺陷是蓄电池和灯头随意马虎碰撞摔破，电缆破皮扯断等征象产生电火花导致矿难事件的发生［1］ 。
国外的前辈矿灯紧张有如下特点：采取双光源，当主光源烧坏后，可用赞助光源照明；采取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样平常采取铅封或锡焊，可防止随意拆卸矿灯；蓄电池容量大，可担保点灯韶光达16 h。
在煤矿、煤井等地下事情场合的照明中，必须要确保矿灯在利用时的绝对安全，因此安全可靠性能是矿灯设计时须要考虑的主要成分。
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哀求，包括：(1)与矿灯干系的电路，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。
由于大部分韶光的照明中利用主灯，因此主灯须要的电流一样平常较大，更紧张是事情韶光不能小于11 h。
辅灯更多时候用于应急情形，或者主灯不能事情时，常日事情电流较小，并且哀求事情韶光不能低于30 h。
(3)正常事情时，所有的掌握电路不能产生电弧或者电火花，防止瓦斯爆炸事件的发生。
锂电池电压范围常日是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，还可用于一些分外场合比如抢险救灾等，知足安全可靠的利用哀求。

1线性恒流LED驱动芯片剖析

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导通电压一样平常在3V旁边，从图1可知，只要LED导通后，如果两端电压发生眇小变革，那么流过LED的电流将发生很大的变革，严重影响LED的光输出主波长，乃至导致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哀求。

1.2LED线性恒流驱动办法图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，且事情在线性区［35］ ，功率MOS相称于一个阻值较小的电阻，其范例电路图如图2所示。
个中Q1为NMOS型功率器件，尺寸一样平常会取值较大，事情在线性区，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，电流反馈旗子暗记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审察连。
由于运算放大器“虚短”的浸染，使得反相输入端电压VSET即是基准电压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、电源电压的变革而变革，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芯片的范例运用线路及其事情事理

主辅双通道LED驱动芯片的实现正是基于线性恒流LED驱动电路的基本事理，下面分别先容这款芯片的范例运用线路及其事情事理、内部框架构造。
芯片的范例运用线路如图3所示。

芯片的事情事理是：芯片具有主辅两个通道，常日只有一个通道导通，且具有相互切换的功能。
UV管脚的电压由VCC经由R2、R3分压而来，检测UV管脚电压实际上便是在检测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，以是通过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须要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的阴极度下拉到地。

2.2芯片的内部框架构造

根据芯片的事情事理，所设计的芯片的内部框架构造如图4所示，基准源模块用于产生电路各个模块所须要的偏置电流IBIAS和参考电压Vref1p2、vref1p28，以及过温保护模块的输出旗子暗记otp；上电复位模块为参考电压改动掌握模块的锁存器供应上电复位旗子暗记POR；参考电压改动掌握模块用于当参考电压须要改动时输出特定的值给掌握旗子暗记D0~D4；电源欠压检测模块输出旗子暗记为LED_ctrl，用于掌握主辅灯通道中个中一个通道的导通；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，则输出旗子暗记led_short变为高电平；主灯驱动模块用于给ISET 管脚一个范例值为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旗子暗记逻辑掌握模块。

3.1基准源模块

带隙基准在CMOS电路中广泛运用，由于当电源、工艺、温度等不愿定成分改变时，它仍旧能够产生一个稳定的电压［6］ ，在很多仿照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，就能得到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。

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

以是选取得当的R1、R2、R3及n就可得到零温度系数的基准电压。
为了只管即便减小三极管的匹配偏差，常日取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。

详细的事情过程是：UV引脚的电压是通过VCC经由两个电阻分压而来，与基准源模块的Vref1p2、Vref1p28V(范例值分别为1.2 V、1.28 V)比较。
若电源电压VCC从低到高变革，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从高到低变革，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经由两个电阻分压而来，以是检测UV引脚的电压实际上是检测VCC电压的大小，通过调度图3中电阻R1、R2的大小，就可根据实际须要调度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、辅灯导通的旗子暗记，电路如图7所示。
实质上，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。
正常事情时，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，因而正常事情时主灯短路旗子暗记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 ，经由倒相器I1、I2 整形后，主灯短路旗子暗记led_short变为高电平，通过逻辑掌握模块，使主灯关闭，辅灯导通。
NM1 这条岔路支路的浸染是当主灯短路解除时，如果led_short 还是高电平，会通过NM1 把MAIN引脚电压逼迫拉低，然后让led_short 旗子暗记规复为低电平。

3.4逻辑功能模块

根据芯片的功能哀求，设计出的逻辑掌握模块的电路如图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)当芯片正常事情时，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)当表面开关闭合时，则主灯灭，辅灯阴极直接连到地而点亮，即drv_main=0。

图8逻辑掌握电路

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哀求。

6结论

本文针对传统铅酸矿灯的缺陷，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利用，而且提升了矿灯的标准化生产水平。
本文先容了芯片的范例运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运用可能碰着的意外情形，加入了多种保护电路。
总体上，该芯片达到了基本哀求。

参考文献

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［2］ MINEIRO Sá Jr. E， ANTUNESF L. M.， PERIN A. J. Low cost selfoscillating ZVSCV driver for power LEDs［C］. IEEE Power Electronics Specialists Conference，2008：41964201.

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