led矿灯驱动电路设计Word下载.docx

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KeyWords：

LED,SP7611A,Drivecircuit,Miner

目录

1绪论1

1.1课题研究背景及其意义1

1.2课题研究现状1

1.3课题研究方法2

1.4论文的组成及重要内容框图2

2LED在矿灯照明的发展和行业标准4

2.1LED光源带动照明产业革命4

2.2煤炭行业的矿灯标准和设计注意事项4

2.3将LED作为矿灯光源的优势5

3LED驱动特性及实现方法7

3.1直流控制7

3.2高效率8

3.3PWM调光8

3.4过压保护9

3.5负载断开10

3.6简便易用10

3.7小尺寸10

4LED矿灯电路设计12

4.1电池的选择12

4.2驱动电路的设计12

4.3充电电路设计17

4.4LED矿灯电路原理图20

结论22

致谢23

参考文献24

1绪论

1.1课题研究背景及其意义

近年连续几起特大型矿难，使国家和政府对煤矿安全生产工作极为重视，国家对煤矿电气设备加强把关，提倡研究开发本质安全型产品，以提高安全生产条件。

矿灯是煤矿工人必备的井下照明灯具，属特殊型防爆产品，其安全性能和质量与煤矿安全生产息息相关。

为了提高矿灯的安全性能，防止因矿灯性能问题引发的瓦斯事故，我国已正式颁布了矿灯国家标准《矿灯安全性能通用要求》（GB7957—2003），自2006年4月1日起，所有煤矿必须全部换用新型矿灯。

因此，研究开发技术先进、具有多重功能、安全可靠的新型矿灯势在必行。

发光二极管（LED）由于具有一系列的优点而成为新一代矿灯的首选光源。

LED矿灯是一种煤矿井下作业矿工使用的新型防爆矿灯，采用先进的LED冷光源，利用锂离子电池供电。

该矿灯可用于煤矿工人井下照明使用，还可用于抢险救灾等特殊场合，具有安全可靠，维护简便，节能等优点，是煤炭行业照明应用的必然趋势。

1.2课题研究现状

我国矿灯的发展始于上个世纪60年代初，当时我国自主开发研制了以铅酸蓄电池和锡镍蓄电池为电源的KS和l（J系列矿灯产品。

这些矿灯一直承续了几十年，虽然经过不断改进，但在电源形式、光源、结构、功能等方面并没有多大的变化。

通过对瓦斯爆炸矿难事故的调查和统计得出，有相当部分的矿难是由矿工随身携带使用的矿灯引起的，现有矿灯本身存在的缺陷、矿灯生产中的质量问题、矿工的素质等诸多因素成为导致我国煤矿频发矿难事故的重要因素之一。

国外先进矿灯主要有如下特点：

采用双光源，一个光源烧坏后，可用辅助光源照明；

采用阻燃耐脂肪酸电缆和防静电塑料外壳；

灯头和蓄电池部分达到IP54防护等级，可防水和粉尘；

矿灯强度和耐冲击性好；

外部紧固闭锁装置一般采用铅封或锡焊，可防止随意拆卸矿灯；

蓄电池容量大，可保证点灯时间达16H。

2001年第一代采用LED光源的矿灯在我国产生，该产品电源采用锂电池，光源采用多只红光、绿光、白光、LED并联，多色光通过特殊的凸透镜后产生人眼所见的白光，照度达到700lx，达到矿灯标着要求的照度，并且产品体积、重量比传统矿灯大幅减小，具有免维护功能。

随着LED技术的发展及其在照明领域的广泛应用，近年来又有许多企业通入LED光源矿灯的开发研究，最新的矿灯产品采用额定电流350mA的大功率白光LED作光源，以聚合物锂离子蓄电池作为电源，去掉了传统矿灯的电缆，将蓄电池和光源密封在同一个塑料壳体内，成为最新兴得电源和光源有机的结合，照度达1200lx以上，重量200G，仅为传统矿灯的十分之一。

我国于2003年6月成立国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动“国家半导体照明工程”。

国家“十五”科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目已正式立项。

1.3课题研究方法

通过参阅各种资料和文献，根据老师的介绍收集很多相关资料。

此课题国家“十五”科技攻关计划"

半导体照明产业化技术开发”项目。

主要是为半导体照明技术应用于煤炭等特殊行业，设计出一种可行、稳定、实用的驱动电路系统。

在选择光源方面，通过对国家煤炭行业矿灯标准的查阅，目前单颗1WLED光通量已达95lm，作为矿灯光源绰绰有余。

这里选用的是深圳市量子光电有限公司（Quantum）生产的高功率白光LED，型号50KBW610-01WM。

采用锂电池供电的方式。

通过对文献的查阅，考虑到矿灯的各项指标和LED的电学特性，参考王光峰白光LED驱动电路的研究及其电路的设计、周志敏，周纪海，纪爱华编著.LED驱动电路设计与应用，设计出可靠的驱动电路系统。

参考李健，田行．锂电池线性充电管理芯片LTC4054及其应用、魏惠风.大功率LED路灯驱动电源设计选用了比较合适的充电电路。

最后通过制图工具把驱动电路和电源系统进行组合和设计，设计出整个矿灯电路的原理图，进行测试，证明其可靠性。

1.4论文的组成及原理框图

本设计先对LED的发展和在煤炭业作为光源的优势进行了介绍，然后对LED驱动特性及实现方法进行了讨论，最后设计出了LED矿灯的驱动电路和电源系统，整合为LED矿灯整体电路系统。

图1.1为LED矿灯驱动电路设计的组成框图。

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图1.1LED矿灯驱动电路设计原理框图

2LED在矿灯照明的发展和行业标准

2.1LED光源带动照明产业革命

近年来，半导体照明技术发展迅速。

作为半导体照明技术的核心产品LED（发光二极管，以下都称LED光源已对照明领域产生了深刻的影响，被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明光源。

在2007年举行的第11届国际电光源会议上，LED大放异彩，成为国内外照明技术学者讨论的焦点。

目前，世界照明用电占总发电量的10%以上，所以提高照明产品的效率有很大的节能、环保意义。

而作为第四代照明光源的LED就是在效率上相对传统光源有较大优势。

世界各国都竞相投入大量人力、财力对LED进行研究，我国也对这一新兴领域高度重视，将对LED光源的研究纳入重点科技发展规划当中。

目前来看，占主导地位的照明光源仍是荧光灯。

白炽灯已被某些西方国家禁止使用，正在退出历史舞台。

我国也承诺在十年以后禁用白炽灯。

而由于成本的原因，LED在照明市场上还不太突出，但是这种光源寿命长，效率高，从长期来看并非在成本上有很大劣势，而且随着技术的不断进步，这种光源的成本将越来越低。

实际上在很多西方国家，LED已具有一定的市场规模。

可以预见，LED的发展前景是相当好的。

照明领域普遍认为LED有很大的潜力，很可能将替代传统光源。

由于发展前景巨大，LED光源已掀起了一场照明产业革命。

国内外大量的研究机构都已制定了LED的长期发展战略，加快了LED的商业化步伐。

相信不久的将来，LED必能走进千家万户。

2.2煤炭行业的矿灯标准和设计注意事项

中华人民共和国煤炭行业标准对矿灯制定了严格的要求。

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。

这里矿灯设计主要包括电路，光学的设计。

故先将标准中的相关要求归纳如下。

灯头内应至少设置两个光源，即主光源和辅助光源，这里都使用LED做光源。

主光源应满足的要求列于表2.1中。

辅助光源要求额定功率不小于0.4W。

表2.1国家标准对矿灯主光源的要求

采用的蓄电池种类

电池容量

标准电压

点灯时间

照度（lx，距灯1m处）

（Ah）

（V）

（h）

点灯开始

点灯11h后

锂电池

≤7

3.7

≥11

≥40

≥800

碱性电池

3.75

铅酸电池

4

≥900

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：

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。

由于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。

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。

2.3将LED作为矿灯光源的优势

LED用作矿灯光源具有很大的优势。

主要体现在以下几个方面：

1）安全性

LED可靠性高，抗震能力强，结温低。

这些特性对于矿灯应用都是极其合适的。

矿灯是矿工的生命，如果在井下作业出现矿灯失效将是极其危险的。

而LED恰恰具有高可靠性，使用中失效的情况极少发生。

它的抗震性好，即使在井下作业受到冲撞也不易出现故障。

LED在工作时PN结的结温在130℃以内，而封装壳体表面的温度则只有几十度，而且封装壳体不易破碎。

所以LED本身几乎不可能引起瓦斯气体的爆炸。

而这个问题曾经恰恰是白炽灯在矿灯上应用的一大安全隐患。

2）节能

LED的发光效率相当高，目前已达95lm/W，使用1W的LED用作矿灯光源绰绰有余。

使用较小功率的LED可以达到与传统光源相同甚至更好的照明效果，还更容易获得长的使用时间，这对长时间的井下作业是相当有利的。

3）体积

LED本身的尺寸小，而使用LED制作的矿灯往往使用体积小重量轻的锂电池作为电源，所以整个照明系统相当轻便。

常见的产品可以直接挂在胸前或戴在头顶，给矿工带来了很大便捷。

4）寿命

LED具有其它光源无法比拟的长寿命，即使大功率的LED，其寿命也6000h以上。

使用LED的矿灯几乎不用更换灯泡，省去了维护工作。

以上是在矿灯中使用LED比较突出的优点。

除此之外，LED接近于点光源，这对于系统的光学设计也是很有利的。

综上所述，LED作为矿灯光源是相当合适的。

3LED驱动特性及实现方法

3.1直流控制

LED是由电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系。

有两种方法可以控制正向电流。

第一种方法是采用LEDV-I曲线来确定产生预期正向电流所需要向LED施加的电压。

其实现方法一般采用一个电压电源和一个镇流电阻器。

图3.1说明了这种方法。

如下所述，此方法有多项不足之处。

LED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化。

如果额定正向电压为3.6V，则图3.1中LED的电流为20mA。

如果电压变为4.0V，这是温度或制造变化引起的特定压变，那么正向电流则降低到14mA。

正向电压变化11％会导致更大的正向电流变化，达30％。

另外，根据可用的输入电压，镇流电阻的压降和功耗会浪费功率和降低电池使用寿命。

图3.1带镇流电阻的电压电源导致效率降低和正向电流失配

第二种方法是首选的LED电流调整方法是利用恒流电源来驱动LED。

恒流电源可消除正向电压变化所导致的电流变化。

因此可产生恒定的LED亮度，无论正向电流如何变化。

产生恒流电源很容易。

只需要调整通过电流检测电阻器的电压，而不用调整电源的输出电压。

图3.2说明了这种方法。

电源参考电压和电流检测电阻器值决定了LED电流。

在驱动多个LED时，只需把它们串联就可以在每个LED中实现恒定电流。

驱动并联LED需要在每个LED串中放置一个镇流电阻，这会导致效率降低和电流失配。

图3.2驱动LED的恒流电源　

3.2高效率

便携式应用中电池使用寿命是至关重要的。

LED驱动器如果实用，就必须具备高效性。

LED驱动器的效率测量与典型电源的效率测量不同。

典型电源效率测量的定义是输出功率除以输入功率。

而对于LED驱动器来说，输出功率并非相关参数。

重要的是产生预期LED亮度所需要的输入功率值。

这可以简单地通过使LED功率除以输入功率来确定。

请注意：

如果这样定义效率的话，则电流检测电阻器中的功耗会导致电源功率耗散。

通过所示的公式，我们可以看出较小的电流传感电压会产生较高效率的LED驱动器。

图3.3说明了选用0.25V参考电压的电源与选用1V参考电压的电源相比，二者的效率提高情况。

较低的电流传感电压电源更为有效，无论输入电压或LED电流如何，只要其他条件相同，较低的参考电压都可以提高效率并延长电池的使用寿命。

LED驱动器效率显示了电流检测电阻器损耗的重要性。

3.3PWM调光

许多便携式LED应用都需要进行光度调节。

在LCD背光等应用中，调光功能可提供亮度及对比度调节。

我们可采用两种调光方法：

模拟与PWM。

利用模拟调光，通过向LED施加50％的最大电流可实现50％的亮度。

这种方法的缺点是会出现LED颜色偏移并且需要采用模拟控制信号，因此使用率一般不高。

以更低忙闲度向LED施加满电流可实现PWM调光。

在50％忙闲度施加满电流可达到50％亮度。

为确保人的肉眼看不到PWM脉冲，PWM信号的频率必须高于100Hz。

最大PWM频率取决于电源启动与响应时间。

为提供最大的灵活性以及集成简易性，LED驱动器应能够接受高达50kHz的PWM频率。

图3.3低电流传感电压更有效

3.4过压保护

在恒流模式中操作电源需要采用过压保护功能。

无论负载为多少，恒流电源都可产生恒定输出电流。

如果负载电阻增大，电源的输出电压也必须随之增大。

这就是电源保持恒流输出的方法。

如果电源检测到过大的负载电阻，或者负载断开的话，输出电压可提高到超出IC或其他分立电路元件的额定电压范围。

恒流LED驱动器可采用多种过压保护方法。

其中一个方法是使齐纳二极管与LED并联。

这种方法可以将输出电压限制到齐纳击穿电压和电源的参考电压。

在过压条件下，输出电压会提高到齐纳击穿点并开始传导。

输出电流会通过齐纳二极管，然后通过电流检测电阻器接地。

在齐纳二极管限制最大输出情况下电源可连续产生恒定的输出电流。

更佳的过压保护方法是监控输出电压并在达到过压分界点时关闭电源。

如果出现故障，在过压条件下关断电源可降低功耗并延长电池使用寿命。

3.5负载断开

LED驱动电源中一个经常被忽视的功能是负载断开。

在电源失效时负载断开功能可以把LED从电源断开。

这种功能在下列两种情况下至关重要，即断电和PWM调光。

如图3.2所示，在升压转换器断电期间，负载仍然通过电感器和捕获二极管与输入电压连接。

由于输入电压仍然与LED连接，即使电源已经失效，就会继续产生一个小电流。

即使很小的泄漏电流也会在很长的空闲期间极大缩短电池寿命。

负载断开在PWM调光时也很重要。

在PWM空闲期间，电源已经失效，但是输出电容器仍然与LED连接。

如果没有负载断开功能，输出电容器会通过LED放电，直到PWM脉冲再次打开电源。

由于电容器在每个PWM循环开始都部分放电，一次电源必须在每个PWM循环开始时给输出电容器充电。

因此会在每个PWM循环产生突入电流脉冲。

突入电流会降低系统效率并在输入总线上产生瞬时电压。

而如果具有负载断开功能，LED就会从电路断开，这样，在电源失效时就不会存在泄漏电流，而且在PWM调光循环之间输出电容器都是充满的。

实施负载断开电路时最好在LED和电流传感电阻器之间放置一个MOSFET。

在电流传感电阻器和接地之间放置MOSFET会产生一个附加压降，其在输出电流设定点会把自身显示为一个差错。

3.6简便易用

简便易用是相对而言的。

在评估电路的简便易用性时，不但必须考虑初始设计的复杂性，而且还必须要考虑在未来进行快速修改并把电路用于其他有不同输入或输出要求的程序时需要做的工作。

总之，滞后控制器非常简便易用。

滞后控制器可消除传统电源设计中必需的复杂频率补偿功能。

虽然频率补偿对于有经验的电源设计人员来说是小菜一碟，但是对于新手来说就不那么轻松了。

由于最佳的补偿随输入和输出条件的不同而不同，传统的电源设计不能实现针对不同操作条件的快速修改。

而滞后控制器具有内在的稳定性从而在输出/输出条件改变时无需改变。

3.7小尺寸

小尺寸是便携式电路的一个重要特性。

电路元件的尺寸受多种因素的影响。

其中一个因素是切换频率。

高切换频率允许采用小型无源元件。

用于便携应用的现代LED驱动器应能够以高达1MHz频率切换。

由于切换频率并不能明显缩小电路尺寸，而且较高的切换损耗会降低效率和缩短电池寿命，所以建议切换频率一般不超过1MHz。

把各种功能集成到控制IC是实现小型驱动解决方案的一个最重要的因素。

如果上述所有功能都通过分离的元件实现的话，它们所需要的电路板空间将超出电源自身占用的空间。

把它们集成到控制IC可大大缩小整体驱动器尺寸。

功能集成的第二个同样重要优势是可以降低解决方案总成本。

如果分步执行的话，LED驱动器中所有预期功能会导致每额外个别成本增加0.60～0.70美元。

而当集成到控制IC时，这些功能只会增加IC成本0.10～0.15美元。

4LED矿灯电路设计

4.1电池的选择

由于使用单颗LED作为光源，所以考虑使用4.2V的锂电池作为供电电源。

为保证照明时间，电池容量选用6Ah的。

锂电池小巧、轻便，无记忆效应，充电时间短，可充电循环次数在300次以上，免维护，是合适的矿灯电源。

4.2驱动电路的设计

为使矿灯具有更好的可靠性，这里采用驱动芯片设计驱动电路。

首先应选择合适的芯片。

选用的芯片应当体积小，输出稳定，效率高，输出不怕短路，且输入电压的范围包含锂电池能提供的电压，成本适中。

综合考虑，选用了Sipex公司的SP7611A。

采用SC70封装，可驱动4颗LED，提供40mA的输出电流。

为灌电流型降压LED软件驱动器。

图4.1SP7611A引脚图

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4.3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，