基于SP6648的新型矿灯设计

基于SP6648的新型矿灯设计

 矿灯是煤矿矿工必备的井下照明灯具，在矿工井下作业中起到十分重要的作用，被称为“矿工的眼睛”。矿灯属于特殊型防爆产品，其安全性能和质量与煤矿安全生产息息相关。近年来，由于矿灯使用管理不善以及电源内部设计问题而诱发的瓦斯煤尘爆炸事故屡屡发生，造成重大损失和恶劣的社会影响，这使得国家对矿灯的安全问题越发重视，并从电源、材料、通信等多个方面来考虑和研究安全问题。 
　　国家煤矿安全委员会针对矿灯安全制定了一些标准和要求，主要包括：1. 矿灯的设计电路中所有的电压必须小于8V，包括输入电压、输出电压和变换所需的中间电压。2. 矿灯的灯必须是主副两组，而且是完全独立控制的。主灯用于大部分时间的照明应用，电流较大且要求工作时间不低于11小时，副灯在主灯不能工作时而辅助工作，一般电流较小且要求时间不低
　　于30小时。3. 特殊的应用环境要求所有的控制电路不能在工作时产生电弧或者电火花，以避免瓦斯爆炸。
　　矿灯用的电池最早是铅酸电池，但由于体积大、重量大、容量小，铅酸电池很快就退出了这个舞台。接着，锂离子电池的快速发展以及锂离子电池相对于传统铅酸电池在体积和容量上的优势，使得大部分的矿灯生产和设计厂商都选用锂离子电池作为矿灯的电源。这种普通的锂电池大多采用钴酸锂和锰酸锂作为正极材料，在短路和撞击时有可能发生冒火和爆炸，在过充和滥放时会由于电池热释放或热失控而引起电池燃烧。
　　近年来一种新兴的磷酸铁锂电池迅速成长起来。磷酸铁锂电池采用磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极材料，是通过滥用测试的真正安全电池。LiFePO4耐高温、遇热不分解，在电池过充或短路的情况下物理和化学特性非常稳定。当电池滥用时，LiFePO4不会因热释放或热失控而引起电池燃烧。电池在3A 5V下过充，电池温度不会超过55℃，非常安全。当进行热箱测试时，在加温到130℃的5~8小时的过程中，电池温度几乎与箱温一致，不会出现内部短路。当被挤压与针刺时，温度不会超过110℃。具有橄榄石型结构的LiFePO4能满足高安全、高容量、高功率锂电池的需要。LiFePO4无毒、环境友好、原料丰富、比容量高、充放电平稳、循环性能好、热稳定性高、安全可靠，采用该材料制造的锂离子电池非常适用于对安全性、循环寿命、功率特性、使用成本有很高要求的电池应用领域。
　　普通的钴酸锂和锰酸锂电池的额定电压范围是3.6V~4.2V，而矿灯采用的单芯片白光LED的导通电压是3.8V(200mA电流)，所以LED驱动器必须采用升降压模式来满足导通电压要求。图1是矿灯用白光LED的常用驱动方案。由于升降压驱动电路主要受升压电路的影响，所以很难实现很高的效率，而且该方案比较复杂、成本较高。

　　图1：矿灯用白光LED的常用驱动方案。
　　新兴的磷酸铁锂电池的额定电压范围是2.5V~3.4V，因此只需单一的升压电路来驱动LED。Sipex公司的SP6648是一款采用同步整流技术的升压型DC/DC调节器，可以从0.7V~4.5V升压到需要的电压值，可提供最大400mA的电流。对于LED，建议采用恒流驱动方式以满足亮度一致和高效率，图2a为应用电路图。
　　当SW2闭合，SW1断开时，主灯D2亮，以维持高亮度、长时间的照明，恒定输出电流等于IOUT=1.25V/R2。
　　当SW2断开，SW1闭合，或者当U1出现问题不能点亮时，副灯开始工作，在15mA的电流下保证足够长的照明时间。由于副灯D1的电流很小(为15mA)，导通电压很低(大约为3V)，所以可以直接由电池驱动而无需额外的升压电路。
　　将开关SW1、SW2连接到地，以免控制电源线而可能产生电弧或者电火花。R3和R4被用来设置电池欠压保护阈值，VLOWBATT=0.61×(R3+R4)/R4。R1可以限制流过L1的峰值电流，以控制输出电路，Ipeak=1,600/Rlim。C1和C2则由原来的钽电容改为无极性的陶瓷电容，因为有极性钽电容在发生短路时有可能产生火花或者燃烧，这在矿灯应用中是坚决杜绝的。
　　但是图2a电路也有不足之处。1.25V的FB引脚电压在R2上将产生较大的损耗(约为1.25V×200mA=0.25W)，从而降低整个方案的效率。图2b对图2a电路进行了改进。

　　图2：(a) 基于SP6648的矿灯用白光LED驱动电路图；(b) 对图2电路进行改进后可以提高整个方案的效率。
　　图2b电路在FB引脚上增加了二极管，使得R2上的损耗减少到(1.25V-0.6V)×200mA=0.13W，这使得整体方案的效率大大提高。具体的效率曲线如图3所示，在磷酸铁锂电池的额定电压范围内，平均效率达到90%。

　　图3：图2b电路的效率曲线。
　　图2a的输出端采用了陶瓷电容，由于陶瓷电容的ESR非常低，输出电压调制不能太稳定，从而导致纹波变大。为减小输出纹波以保护LED并延长使用寿命，图2b在输出电容C2旁串联一个0.1Ω的小阻值电阻(ESR太高会导致效率降低，因此该电阻的阻值不能太大)，使输出纹波从原来的100mV减小到50mV，如图4所示。当然也可以在LED上并联一个220pF的旁路电容来改善输出纹波。

　　图4：在输出电容C2旁串联一个0.1Ω的小阻值电阻，使输出纹波从原来的100mV减小到50mV。
　　最后考虑升压电路的过压保护问题。当LED开路时，SP6648输出电压固定在3.3V，因此无需担心过压超过8V的矿灯限制，也不用增加过压保护电路。总之，SP6648是一款可以提供最大400mA电流的同步升压芯片，具有高达92%的效率，它仅需很少的外围元器件，便能以较低成本满足矿灯应用的要求。

    本文可能所用到的IC型号：