基于SP6648的新型礦燈設(shè)計(jì)

　　國(guó)家煤礦安全委員會(huì)針對(duì)礦燈安全制定了一些標(biāo)準(zhǔn)和要求，主要包括：1. 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)立控制的。主燈用于大部分時(shí)間的照明應(yīng)用，電流較大且要求工作時(shí)間不低于11小時(shí)，副燈在主燈不能工作時(shí)而輔助工作，一般電流較小且要求時(shí)間不低

　　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，以避免瓦斯爆炸。

　　礦燈用的電池最早是鉛酸電池，但由于體積大、重量大、容量小，鉛酸電池很快就退出了這個(gè)舞臺(tái)。接著，鋰離子電池的快速發(fā)展以及鋰離子電池相對(duì)于傳統(tǒng)鉛酸電池在體積和容量上的優(yōu)勢(shì)，使得大部分的礦燈生產(chǎn)和設(shè)計(jì)廠商都選用鋰離子電池作為礦燈的電源。這種普通的鋰電池大多采用鈷酸鋰和錳酸鋰作為正極材料，在短路和撞擊時(shí)有可能發(fā)生冒火和爆炸，在過充和濫放時(shí)會(huì)由于電池?zé)後尫呕驘崾Э囟痣姵厝紵?/P>

　　近年來一種新興的磷酸鐵鋰電池迅速成長(zhǎng)起來。磷酸鐵鋰電池采用磷酸鐵鋰(LiFePO4)作為正極材料，是通過濫用測(cè)試的真正安全電池。LiFePO4耐高溫、遇熱不分解，在電池過充或短路的情況下物理和化學(xué)特性非常穩(wěn)定。當(dāng)電池濫用時(shí)，LiFePO4不會(huì)因熱釋放或熱失控而引起電池燃燒。電池在3A 5V下過充，電池溫度不會(huì)超過55℃，非常安全。當(dāng)進(jìn)行熱箱測(cè)試時(shí)，在加溫到130℃的5~8小時(shí)的過程中，電池溫度幾乎與箱溫一致，不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部短路。當(dāng)被擠壓與針刺時(shí)，溫度不會(huì)超過110℃。具有橄欖石型結(jié)構(gòu)的LiFePO4能滿足高安全、高容量、高功率鋰電池的需要。LiFePO4無毒、環(huán)境友好、原料豐富、比容量高、充放電平穩(wěn)、循環(huán)性能好、熱穩(wěn)定性高、安全可靠，采用該材料制造的鋰離子電池非常適用于對(duì)安全性、循環(huán)壽命、功率特性、使用成本有很高要求的電池應(yīng)用領(lǐng)域。

　　普通的鈷酸鋰和錳酸鋰電池的額定電壓范圍是3.6V~4.2V，而礦燈采用的單芯片白光LED的導(dǎo)通電壓是3.8V(200mA電流)，所以LED驅(qū)動(dòng)器必須采用升降壓模式來滿足導(dǎo)通電壓要求。圖1是礦燈用白光LED的常用驅(qū)動(dòng)方案。由于升降壓驅(qū)動(dòng)電路主要受升壓電路的影響，所以很難實(shí)現(xiàn)很高的效率，而且該方案比較復(fù)雜、成本較高。

　　圖1：礦燈用白光LED的常用驅(qū)動(dòng)方案。

　　新興的磷酸鐵鋰電池的額定電壓范圍是2.5V~3.4V，因此只需單一的升壓電路來驅(qū)動(dòng)LED。Sipex公司的SP6648是一款采用同步整流技術(shù)的升壓型DC/DC調(diào)節(jié)器，可以從0.7V~4.5V升壓到需要的電壓值，可提供最大400mA的電流。對(duì)于LED，建議采用恒流驅(qū)動(dòng)方式以滿足亮度一致和高效率，圖2a為應(yīng)用電路圖。

　　當(dāng)SW2閉合，SW1斷開時(shí)，主燈D2亮，以維持高亮度、長(zhǎng)時(shí)間的照明，恒定輸出電流等于IOUT=1.25V/R2。

　　當(dāng)SW2斷開，SW1閉合，或者當(dāng)U1出現(xiàn)問題不能點(diǎn)亮?xí)r，副燈開始工作，在15mA的電流下保證足夠長(zhǎng)的照明時(shí)間。由于副燈D1的電流很小(為15mA)，導(dǎo)通電壓很低(大約為3V)，所以可以直接由電池驅(qū)動(dòng)而無需額外的升壓電路。

　　將開關(guān)SW1、SW2連接到地，以免控制電源線而可能產(chǎn)生電弧或者電火花。R3和R4被用來設(shè)置電池欠壓保護(hù)閾值，VLOWBATT=0.61(R3+R4)/R4。R1可以限制流過L1的峰值電流，以控制輸出電路，Ipeak=1,600/Rlim。C1和C2則由原來的鉭電容改為無極性的陶瓷電容，因?yàn)橛袠O性鉭電容在發(fā)生短路時(shí)有可能產(chǎn)生火花或者燃燒，這在礦燈應(yīng)用中是堅(jiān)決杜絕的。

　　但是圖2a電路也有不足之處。1.25V的FB引腳電壓在R2上將產(chǎn)生較大的損耗(約為1.25V200mA=0.25W)，從而降低整個(gè)方案的效率。圖2b對(duì)圖2a電路進(jìn)行了改進(jìn)。

　　圖2：(a) 基于SP6648的礦燈用白光LED驅(qū)動(dòng)電路圖；(b) 對(duì)圖2電路進(jìn)行改進(jìn)后可以提高整個(gè)方案的效率。

　　圖2b電路在FB引腳上增加了1N4148二極管，使得R2上的損耗減少到(1.25V-0.6V)200mA=0.13W，這使得整體方案的效率大大提高。具體的效率曲線如圖3所示，在磷酸鐵鋰電池的額定電壓范圍內(nèi)，平均效率達(dá)到90%。

　　圖3：圖2b電路的效率曲線。

　　圖2a的輸出端采用了陶瓷電容，由于陶瓷電容的ESR非常低，輸出電壓調(diào)制不能太穩(wěn)定，從而導(dǎo)致紋波變大。為減小輸出紋波以保護(hù)LED并延長(zhǎng)使用壽命，圖2b在輸出電容C2旁串聯(lián)一個(gè)0.1Ω的小阻值電阻(ESR太高會(huì)導(dǎo)致效率降低，因此該電阻的阻值不能太大)，使輸出紋波從原來的100mV減小到50mV，如圖4所示。當(dāng)然也可以在LED上并聯(lián)一個(gè)220pF的旁路電容來改善輸出紋波。

　　圖4：在輸出電容C2旁串聯(lián)一個(gè)0.1Ω的小阻值電阻，使輸出紋波從原來的100mV減小到50mV。

　　最后考慮升壓電路的過壓保護(hù)問題。當(dāng)LED開路時(shí)，SP6648輸出電壓固定在3.3V，因此無需擔(dān)心過壓超過8V的礦燈限制，也不用增加過壓保護(hù)電路?？傊琒P6648是一款可以提供最大400mA電流的同步升壓芯片，具有高達(dá)92%的效率，它僅需很少的外圍元器件，便能以較低成本滿足礦燈應(yīng)用的要求。