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合，由于特殊的工作環(huán)境要求要絕對的安全，所以礦燈設(shè)計對安全的考慮非常重要。國家煤礦安全委員會對礦燈的安全作出了一些標準和要求，包括：1)在礦燈的設(shè)計電路中，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，而且是完全獨立控制。主燈用于大部分時間的照明應(yīng)用，因此主燈需要的電流較大，且時間較長不小于11小時。副燈主要在主燈不能工作的時候輔助工作，電流一般較小，且工作時間較長，不低于30小時。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)計礦燈必須注意以下事項：

1. 近年來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，這使得目前大部分的礦燈生產(chǎn)和設(shè)計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，所以只能使用單個鋰離子電池作為礦燈的能源。包含多個電池的電池包會超過礦燈要求的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。
2. 由于礦燈具有主副兩組且是獨立控制的，所以兩者的控制方式不能相互干擾，更為重要的是，為滿足長時間的工作要求，控制電路必須具有很高效率。
3. 為避免高電壓產(chǎn)生電弧或者火花，控制開關(guān)都要求接在地上，而不是接在電源線，以免由于開關(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)動器之一，它與傳統(tǒng)的LED驅(qū)動器有很大不同。傳統(tǒng)的LED驅(qū)動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亮LED，而SP761X是基于灌電流型的降壓LED驅(qū)動器，如圖1所示，只要電池的電壓大于或者等于LED的V_f和LED燈陰極到地的電壓V_LED之和，流過LED的電流就是恒定。由于LED供應(yīng)商的激烈競爭和LED工藝的改進，LED的V_f越來越小，由原來的3.5V~3.8V減少到現(xiàn)在的3.2V~3.4V。V_LED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V_f的LED是可以滿足恒流驅(qū)動的。

圖1 ：SP761X是基于灌電流型的降壓LED驅(qū)動器。

　　本文討論SP7611A在礦燈上的兩個應(yīng)用電路。圖2電路沒有用傳統(tǒng)的電感和電容作為升壓，而是直接通過電池驅(qū)動礦燈，從而有效避免了電感帶來的輻射干擾。此外，該電路采用線性電源解決方案，可避免由于使用開關(guān)式電源而傳導(dǎo)干擾。該電路還通過控制地線上的開關(guān)來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SP7611A控制礦燈的主副LED燈的應(yīng)用電路。

　　當SW1 打開，SW2閉合時，礦燈的主燈輸出LED1~LED4點亮。當LED陰極到地的電壓V_LED=300m V時，流過LED1的電流I_LED=200×(V_CONTROL-V_CTRL)/R1；當LED陰極到地的電壓V_LED>=500m V時，I_LED=435×(V_CONTROL-V_CTRL)/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LED1的電流等于流過R1的電流乘以一個放大倍數(shù)。該放大倍數(shù)跟V_LED有很大關(guān)系(圖3)。

　　通過圖3，可以簡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。

　　當然，流過其它LED的電流是流過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3%，如圖4所示。

圖4：流過其它LED的電流與Vin電壓的關(guān)系。

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

圖5：實際測試的SP7611A效率曲線。

　　在圖2電路中，當SW1關(guān)閉，SW2打開時，副LED燈工作，流過LED1的電流I_LED=(V_battery-V_f)/R2，其中D1被用來防止電流通過芯片流到地。此時芯片SP7611A沒有工作，由于流過LED1的電流較小，所以工作時間可大于30小時。

　　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SW1和SW2閉合時，U1和U3均工作，主燈LED1~LED5點亮，此時通過LDO SPX5205提供3V電源來設(shè)置LED1的電流。

I_LED1=Current Ratio×(V_CONTROL-V_CTRL)/R1

其中，R1=R2。

當 SW1打開,SW2閉合時，U1不工作，U3工作，此時是副燈LED5點亮，流過LED5的電流為：

LLED5=Current Ratio×(V_CONTROL-V_CTRL)/R2,

這里的Current Ratio與圖2中的一樣，值得注意的是，U3工作時，LED5必須接到U3的引腳3。引腳3的電流跟流過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，可以同時驅(qū)動4顆LED。如果要驅(qū)動少與4顆LED的設(shè)計，可以選擇SP7612A、SP7614A，它們可以分別驅(qū)動3顆LED和2顆LED，設(shè)計電路圖類似。SP761X以其高達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LED的特點、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)計問題。