基于SP7611A的矿灯电路

矿灯主要应用在煤矿，煤井和地下的工作场合，由于特殊的工作环境要求要绝对的安全，所以矿灯设计对安全的考虑非常重要。国家煤矿安全委员会对矿灯的安全作出了一些标准和要求，包括：1)在矿灯的设计电路中，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。主灯用于大部分时间的照明应用，因此主灯需要的电流较大，且时间较长不小于11小时。副灯主要在主灯不能工作的时候辅助工作，电流一般较小，且工作时间较长，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，避免发生瓦斯爆炸。
由于矿灯使用在一些特殊的行业和环境，所以设计矿灯必须注意以下事项：
1)近年来锂离子电池得到快速发展，而且与传统铅酸电池相比，锂离子电池具有体积和容量上的优势，这使得目前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。由于锂离子电池的电压范围是3.6V到4.2V，所以只能使用单个锂离子电池作为矿灯的能源。包含多个电池的电池包会超过矿灯要求的8V电压，此外也不允许使用传统的电感式升压电路和电容式升压电路。
2)由于矿灯具有主副两组且是独立控制的，所以两者的控制方式不能相互干扰，更为重要的是，为满足长时间的工作要求，控制电路必须具有很高效率。
3)为避免高电压产生电弧或者火花，控制开关都要求接在地上，而不是接在电源线，以免由于开关而产生电弧或者电火花。
SP7611A是SIPex公司推出的低压差系列LED驱动器之一，它与传统的LED驱动器有很大不同。传统的LED驱动器基于电容式升压电路或者电感式升压电路，需要将电池的电压升压到能点亮LED，而SP761X是基于灌电流型的降压LED驱动器，如图1所示，只要电池的电压大于或者等于LED的Vf和LED灯阴极到地的电压VLED之和，流过LED的电流就是恒定。由于LED供应商的激烈竞争和LED工艺的改进，LED的Vf越来越小，由原来的3.5V~3.8V减少到现在的3.2V~3.4V。VLED的范围是0.3V~1V。因此在锂离子电池3.6V~4.2V电压范围内选择低Vf的LED是可以满足恒流驱动的。

图1 ：SP761X是基于灌电流型的降压LED驱动器。
本文讨论SP7611A在矿灯上的两个应用电路。图2电路没有用传统的电感和电容作为升压，而是直接通过电池驱动矿灯，从而有效避免了电感带来的辐射干扰。此外，该电路采用线性电源解决方案，可避免由于使用开关式电源而传导干扰。该电路还通过控制地线上的开关来避免由于控制电源线而产生电弧或者电火花的可能。

图2：仅用一个SP7611A控制矿灯的主副LED灯的应用电路。
当SW1 打开，SW2闭合时，矿灯的主灯输出LED1~LED4点亮。当LED阴极到地的电压VLEDLED=200×(VCONTROL-VCTRL)/R1；当LED阴极到地的电压VLED=500m V时，ILED=435×(VCONTROL-VCTRL)/R1。
其中200、435 是电流的放大倍数，从上面的等式可以看出，流过LED1的电流等于流过R1的电流乘以一个放大倍数。该放大倍数跟VLED有很大关系(图3)。
通过图3，可以简单归纳为如表所示的比例关系。
LED电压的关系。图3：图2电路的电流放大倍数与VLED电压的关系。
当然，流过其它LED的电流是流过LED1 的电流是镜像电流，它们之间均等和匹配的，其电流的匹配程度为0.8%，最大误差不超过3%，如图4所示。
in电压的关系。图4：流过其它LED的电流与Vin电压的关系。
图5是实际测试的效率曲线。此电源方案的效率E=100×(Vbattery-VLED )/Vbattery。从图5可以看出效率与VLED和Vbattery的关系。当电池电压等于3.6V，效率高达91%；当电池电压等于4.2V，效率也有79%，远远大于传统的电容式升压电路(电荷泵)。该方案的工作时间大于 11小时。

图5：实际测试的SP7611A效率曲线。
在图2电路中，当SW1关闭，SW2打开时，副LED灯工作，流过LED1的电流ILED=(Vbattery-Vf)/R2，其中D1被用来防止电流通过芯片流到地。此时芯片SP7611A没有工作，由于流过LED1的电流较小，所以工作时间可大于30小时。
图6给出了SP7611A的另一种应用电路，它利用两颗SP7611A 控制主副灯，其中U1 控制主灯，U3控制副灯。

图6：分别由两个SP7611A控制矿灯主副灯的应用电路，其中U1 控制主灯，U3控制副灯。
当SW1和SW2闭合时，U1和U3均工作，主灯LED1~LED5点亮，此时通过LDO SPX5205提供3V电源来设置LED1的电流。
ILED1=Current Ratio×(VCONTROL-VCTRL)/R1
其中，R1=R2。
当 SW1打开,SW2闭合时，U1不工作，U3工作，此时是副灯LED5点亮，流过LED5的电流为：
LLED5=Current Ratio×(VCONTROL-VCTRL)/R2,
这里的Current Ratio与图2中的一样，值得注意的是，U3工作时，LED5必须接到U3的引脚3。引脚3的电流跟流过R2的电流成一定的放大倍数关系，如果LED5接到其它的引脚，则此电流就不受控制。
LED的关系。
表：电流放大倍数与VLED的关系。
SP7611A是Sipex公司SP761X系列产品中一种型号，可以同时驱动4颗LED。如果要驱动少与4颗LED的设计，可以选择SP7612A、SP7614A，它们可以分别驱动3颗LED和2颗LED，设计电路图类似。SP761X以其高达91%的效率、较小的SC-70封装、不需要电感或者电容升压而直接驱动LED的特点、以及0.8%的电流匹配度，安全且低成本地解决了在矿灯应用上的设计问题。