SP7611A的礦燈應(yīng)用電路詳解

礦燈主要應(yīng)用在煤礦，煤井和地下的工作場(chǎng)合，由于特殊的工作環(huán)境要求要絕對(duì)的安全，所以礦燈設(shè)計(jì)對(duì)安全的考慮非常重要。國(guó)家煤礦安全委員會(huì)對(duì)礦燈的安全作出了一些標(biāo)準(zhǔn)和要求，包括：1)在礦燈的設(shè)計(jì)電路中，所有的電壓必須小于8V，包括輸入電壓，輸出電壓和變換所需的中間電壓。2)礦燈的燈必須是主副兩組，而且是完全獨(dú)立控制。主燈用于大部分時(shí)間的照明應(yīng)用，因此主燈需要的電流較大，且時(shí)間較長(zhǎng)不小于11小時(shí)。副燈主要在主燈不能工作的時(shí)候輔助工作，電流一般較小，且工作時(shí)間較長(zhǎng)，不低于30小時(shí)。3)特殊的應(yīng)用環(huán)境要求所有的控制電路不能在工作時(shí)產(chǎn)生電弧或者電火花，避免發(fā)生瓦斯爆炸。

由于礦燈使用在一些特殊的行業(yè)和環(huán)境，所以設(shè)計(jì)礦燈必須注意以下事項(xiàng)：

近年來(lái)鋰離子電池得到快速發(fā)展，而且與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，鋰離子電池具有體積和容量上的優(yōu)勢(shì)，這使得目前大部分的礦燈生產(chǎn)和設(shè)計(jì)廠商都選用鋰離子電池作為礦燈的電源。由于鋰離子電池的電壓范圍是3.6V到4.2V，所以只能使用單個(gè)鋰離子電池作為礦燈的能源。包含多個(gè)電池的電池包會(huì)超過(guò)礦燈要求的8V電壓，此外也不允許使用傳統(tǒng)的電感式升壓電路和電容式升壓電路。

由于礦燈具有主副兩組且是獨(dú)立控制的，所以兩者的控制方式不能相互干擾，更為重要的是，為滿足長(zhǎng)時(shí)間的工作要求，控制電路必須具有很高效率。

為避免高電壓產(chǎn)生電弧或者火花，控制開(kāi)關(guān)都要求接在地上，而不是接在電源線，以免由于開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生電弧或者電火花。

SP7611A是Sipex公司推出的低壓差系列LED驅(qū)動(dòng)器之一，它與傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)器有很大不同。傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)器基于電容式升壓電路或者電感式升壓電路，需要將電池的電壓升壓到能點(diǎn)亮LED，而SP761X是基于灌電流型的降壓LED驅(qū)動(dòng)器，如圖1所示，只要電池的電壓大于或者等于LED的Vf和LED燈陰極到地的電壓VLED之和，流過(guò)LED的電流就是恒定。由于LED供應(yīng)商的激烈競(jìng)爭(zhēng)和LED工藝的改進(jìn)，LED的Vf越來(lái)越小，由原來(lái)的3.5V~3.8V減少到現(xiàn)在的3.2V~3.4V。VLED的范圍是0.3V~1V。因此在鋰離子電池3.6V~4.2V電壓范圍內(nèi)選擇低Vf的LED是可以滿足恒流驅(qū)動(dòng)的。

圖1 ：SP761X是基于灌電流型的降壓LED驅(qū)動(dòng)器。

本文討論SP7611A在礦燈上的兩個(gè)應(yīng)用電路。圖2電路沒(méi)有用傳統(tǒng)的電感和電容作為升壓，而是直接通過(guò)電池驅(qū)動(dòng)礦燈，從而有效避免了電感帶來(lái)的輻射干擾。此外，該電路采用線性電源解決方案，可避免由于使用開(kāi)關(guān)式電源而傳導(dǎo)干擾。該電路還通過(guò)控制地線上的開(kāi)關(guān)來(lái)避免由于控制電源線而產(chǎn)生電弧或者電火花的可能。

圖2：僅用一個(gè)SP7611A控制礦燈的主副LED燈的應(yīng)用電路。

當(dāng)SW1 打開(kāi)，SW2閉合時(shí)，礦燈的主燈輸出LED1~LED4點(diǎn)亮。當(dāng)LED陰極到地的電壓VLED<=300m V時(shí)，流過(guò)LED1的電流ILED=200×(VCONTROL-VCTRL)/R1;當(dāng)LED陰極到地的電壓VLED>=500m V時(shí)，ILED=435×(VCONTROL-VCTRL)/R1。

其中200、435 是電流的放大倍數(shù)，從上面的等式可以看出，流過(guò)LED1的電流等于流過(guò)R1的電流乘以一個(gè)放大倍數(shù)。該放大倍數(shù)跟VLED有很大關(guān)系(圖3)。

通過(guò)圖3，可以簡(jiǎn)單歸納為如表所示的比例關(guān)系。

圖3：圖2電路的電流放大倍數(shù)與VLED電壓的關(guān)系。

當(dāng)然，流過(guò)其它LED的電流是流過(guò)LED1 的電流是鏡像電流，它們之間均等和匹配的，其電流的匹配程度為0.8%，最大誤差不超過(guò)3%，如圖4所示。

圖4：流過(guò)其它LED的電流與Vin電壓的關(guān)系。[!--empirenews.page--]

圖5是實(shí)際測(cè)試的效率曲線。此電源方案的效率E=100×(Vbattery-VLED )/Vbattery。從圖5可以看出效率與VLED和Vbattery的關(guān)系。當(dāng)電池電壓等于3.6V，效率高達(dá)91%;當(dāng)電池電壓等于4.2V，效率也有79%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的電容式升壓電路(電荷泵)。該方案的工作時(shí)間大于 11小時(shí)。

圖5：實(shí)際測(cè)試的SP7611A效率曲線。

在圖2電路中，當(dāng)SW1關(guān)閉，SW2打開(kāi)時(shí)，副LED燈工作，流過(guò)LED1的電流ILED=(Vbattery-Vf)/R2，其中D1被用來(lái)防止電流通過(guò)芯片流到地。此時(shí)芯片SP7611A沒(méi)有工作，由于流過(guò)LED1的電流較小，所以工作時(shí)間可大于30小時(shí)。

圖6給出了SP7611A的另一種應(yīng)用電路，它利用兩顆SP7611A 控制主副燈，其中U1 控制主燈，U3控制副燈。

圖6：分別由兩個(gè)SP7611A控制礦燈主副燈的應(yīng)用電路，其中U1 控制主燈，U3控制副燈。

當(dāng)SW1和SW2閉合時(shí)，U1和U3均工作，主燈LED1~LED5點(diǎn)亮，此時(shí)通過(guò)LDO SPX5205提供3V電源來(lái)設(shè)置LED1的電流。

ILED1=Current Ratio×(VCONTROL-VCTRL)/R1

其中，R1=R2。

當(dāng) SW1打開(kāi),SW2閉合時(shí)，U1不工作，U3工作，此時(shí)是副燈LED5點(diǎn)亮，流過(guò)LED5的電流為：

LLED5=Current Ratio×(VCONTROL-VCTRL)/R2,

這里的Current Ratio與圖2中的一樣，值得注意的是，U3工作時(shí)，LED5必須接到U3的引腳3。引腳3的電流跟流過(guò)R2的電流成一定的放大倍數(shù)關(guān)系，如果LED5接到其它的引腳，則此電流就不受控制。

表：電流放大倍數(shù)與VLED的關(guān)系。

SP7611A是Sipex公司SP761X系列產(chǎn)品中一種型號(hào)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)4顆LED。如果要驅(qū)動(dòng)少與4顆LED的設(shè)計(jì)，可以選擇SP7612A、SP7614A，它們可以分別驅(qū)動(dòng)3顆LED和2顆LED，設(shè)計(jì)電路圖類似。SP761X以其高達(dá)91%的效率、較小的SC-70封裝、不需要電感或者電容升壓而直接驅(qū)動(dòng)LED的特點(diǎn)、以及0.8%的電流匹配度，安全且低成本地解決了在礦燈應(yīng)用上的設(shè)計(jì)問(wèn)題。