鋰電池供電的大功率LED指揮燈設(shè)計(jì)

曹振華

摘要 交警在夜晚檢查或者指揮車輛通行時(shí)，需要使用指揮燈發(fā)送指令信號(hào)車輛駕駛?cè)藛T，駕駛員看到指揮信號(hào)燈時(shí)，根據(jù)交警的指示做出響應(yīng)。指揮燈一般為手持設(shè)備，需要使用電池供電，夜晚使用需要將信號(hào)傳輸較遠(yuǎn)的距離，一般要求五百米左右能清晰觀察到。本文設(shè)計(jì)了一款使用3.7V動(dòng)力鋰電池供電，8顆3W大功率LED組成的大功率指揮燈恒流控制板（HPPTLCS），LED有種不同的動(dòng)畫展示形式，產(chǎn)品通過(guò)了蘇州城時(shí)實(shí)業(yè)有限公司的測(cè)試，并獲得了日本客戶首批訂單。

關(guān)鍵字：動(dòng)力鋰電池;大功率LED;恒流控制板;交通指揮燈

1、HPPTLCS引言

隨著汽車保有量的激增，城市路況越來(lái)越不容樂觀，事故頻發(fā)、酒駕毒駕現(xiàn)象屢禁不止，為了保證城市交通的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，交通警察的工作就變得越來(lái)越繁忙，不管是白天黑夜，都能看到交通警察忙碌的身影，交通指揮燈是交通警察在夜晚執(zhí)勤巡邏時(shí)必不可少的工具之一。早期的交通指揮燈是在手電筒上蒙一塊紅布，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看上去像一個(gè)紅燈的樣子，隨著科技的不斷發(fā)展，LED燈可以發(fā)出更亮，而且更多的色彩，使交通指揮燈可以做的更加生動(dòng)活潑;隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，電池容量越來(lái)越大，而且體積越來(lái)越小，為便攜式交通指揮燈的面世奠定了基礎(chǔ)，在日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家，交通指揮燈的發(fā)展較為快速，他們對(duì)交通指揮燈的需求也較多、較前衛(wèi)。

應(yīng)蘇州城時(shí)實(shí)業(yè)有限公司及其日本客戶的要求，本文為其設(shè)計(jì)了一款基于3.7V動(dòng)力鋰電池供電及8顆3W大功率LED燈珠組成的7.2A便攜式交通指揮燈控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱HPPTLCS），燈光夜晚穿透距離超過(guò)800米，燈光實(shí)現(xiàn)了6種不同的閃爍方式，LED采用7.2A恒流驅(qū)動(dòng)方式，控制系統(tǒng)除了LED控制部分外，還包括鋰電池充電系統(tǒng)、低電壓保護(hù)系統(tǒng)、充電時(shí)LED保護(hù)系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

1.1、HPPTLCS工作原理

HPPTLCS系統(tǒng)中，電源由一個(gè)3.7V2600mah的動(dòng)力鋰電池提供，可以在瞬間提供高達(dá)8A以上的電流輸出;燈光系統(tǒng)由8顆3W的大功率LED組成，8顆LED同時(shí)亮滅，可以穿透較遠(yuǎn)的距離;LED驅(qū)動(dòng)電路為恒率驅(qū)動(dòng)方式，可以提高LED燈珠的壽命，恒流電路由QX7138、AO4410等芯片組成;控制模塊由單片機(jī)及SB6284 2V-24V輸入大電流升壓IC電源電路部分組成;鋰電池充電模塊由SLM6500芯片負(fù)責(zé)，系統(tǒng)功能圖如圖1-1所示。

1.2、HPPTLCS優(yōu)勢(shì)

HPPTLCS亮度高，在陰暗的夜晚，有效穿透距離可以達(dá)到800米以上，能見度較好的夜晚穿透距離更遠(yuǎn)，符合交通指揮的要求。

HPPTLCS通過(guò)SLM6500芯片進(jìn)行充電管理，性能穩(wěn)定，芯片采用1.5mhz固定頻率的同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有高達(dá)90%以上的充電效率，自身發(fā)熱量極小，SLM6500具有完整的充電終止電路、自動(dòng)再充電和高精度4.2V預(yù)設(shè)充電電壓，內(nèi)部集成防反灌保護(hù)、輸出短路保護(hù)等功能，提高了電池壽命及充電穩(wěn)定性。

由QX7138組成的大電流恒流驅(qū)動(dòng)電路，能有效保證LED亮度的一致性和LED的壽命，該電路成本低，性能可靠，外圍電路簡(jiǎn)單，僅需外置一顆電容、一顆電阻和一個(gè)mosfet管即可組成恒流驅(qū)動(dòng)電路。

HPPTLCS包含鋁基板在內(nèi)總體重量約400克，便于攜帶，非常適合交通警察指揮交通用，隨用隨充，反復(fù)使用。

2、HPPTLCS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

HPPTLCS的難點(diǎn)在于3.7V低電壓供電、7.2A大電流恒流驅(qū)動(dòng)、及散熱等方面，本文對(duì)這些方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 大功率LED鋁基板設(shè)計(jì)

LED功率大，7.2安培的電流使得該模塊發(fā)熱量巨大，考慮到散熱問(wèn)題，本文將LED部分單獨(dú)制作在鋁基板上，便于散發(fā)大量熱量，如圖2-1所示，共計(jì)8顆大功率LED燈珠，左側(cè)兩顆小型LED燈為充電指示燈，G為綠色，充電結(jié)束亮起，R為紅色，充電時(shí)亮起。

D、R、G焊盤分別接主控板的D、R、G，充電指示用，D為充電電源的正極，為兩個(gè)指示燈提供電源，R、G為兩個(gè)燈的控制端，三個(gè)引腳具體功能見SLM6500模塊。

V：接鋰電池正極，為8盞LED燈的公共供電端。

G：接恒流源的正極，為8盞LED燈的公共輸出端。

2.2 HPPTLCS充電模塊

充電電路里主要由SLM6500芯片及外圍電路、輸入電源濾波電路和輸出濾波電路等部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了一款可以提供2A充電電流的充電電路，具體設(shè)計(jì)電路如圖2-2所示。

圖2-2左側(cè)圖為SOP8封裝的引腳圖，其中3、4引腳為漏極開路輸出的充電狀態(tài)指示燈引腳，當(dāng)系統(tǒng)正在充電時(shí)，NCHRG輸出低電平，因此接鋁基板的R引腳，此時(shí)紅燈亮起;當(dāng)充滿電或者電池被拔掉時(shí)，NSTDBY引腳輸出低電平，因此接鋁基板的G引腳，此時(shí)綠燈亮起。

VCC引腳和GND引腳為芯片提供電源，并為電池提供能量來(lái)源。

BAT引腳接鋰電池正極，為鋰電池充電。

VS引腳為輸出電流檢測(cè)端，正常情況下，VS和BAT引腳之間保持100mv的電壓差，充電電流Ibat可以通過(guò)在這兩個(gè)引腳之間加入一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮鑂S來(lái)調(diào)節(jié)，Ibat=0.1/RS[1]，本文設(shè)計(jì)的充電電流為1500ma，因此RS=0.1/1.5=0.06667歐姆，因此本文采用R067的電阻作為電流設(shè)定電阻。

LX與VS之間要加一個(gè)4.7UH的電感。

為了簡(jiǎn)化電路功能，NTC引腳沒有接熱敏電阻，而是直接通過(guò)電阻接地，電路圖如圖2-1右圖所示，5腳為使能控制及電池溫度檢測(cè)輸入端，因此本為直接將5腳接充電電源。

SLM6500芯片與普通SOP8封裝的芯片不同之處在于底部還有一個(gè)焊盤，這個(gè)焊盤美沒有特殊信號(hào)連接，是便于散熱用，在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，可以將底部焊盤與GND相連焊接，便于將芯片內(nèi)溫度傳到出去。

2.3 HPPTLCS恒流控制模塊

LED控制電路一般都會(huì)采用恒流的方式驅(qū)動(dòng)，降壓恒流法是最容易設(shè)計(jì)的電路，但是本文設(shè)計(jì)的HPPTLCS模塊供電電壓低，要想實(shí)現(xiàn)大電流恒流輸出太容易，如果采用升壓后再降壓恒流，輸出功率小，不便于實(shí)現(xiàn)大電流輸出，因此本文未采用升壓方式，而是采用泉芯電子的QX7138芯片設(shè)計(jì)恒流部分。QX7138如圖2-3所示。

圖2-3左圖為SOT-23-5封裝的QX7138引腳圖，芯片體積小，外圍電路簡(jiǎn)單，僅需擴(kuò)展兩個(gè)元件就能形成大電流恒流源電路，如圖2-3右圖所示，圖中M1采用了AO4410大功率管作為切換器件，AO4410為N溝道MOSFET，在VGS=10v的情況下可以通過(guò)18A的電流，內(nèi)阻僅有5.5m?，功耗較低，電路設(shè)計(jì)如圖2-3右圖所示。

QX7138的DIM引腳為調(diào)光引腳，當(dāng)不需要調(diào)光時(shí)，可以懸空，當(dāng)外接高電平或者懸空時(shí)，芯片正常工作;當(dāng)外接低電平時(shí)，芯片停止工作，因此這個(gè)引腳可以接到單片機(jī)的IO口上，從而可以控制LED燈的亮滅。正常情況下，CS引腳保持100mv電壓，恒流電流Ics的大小與接在CS引腳與GND之間的電阻RCS相關(guān)，Ics=0.1/RCS[2]，本文設(shè)計(jì)的單燈恒流電流為900ma，因此8個(gè)LED的總電流為7.2a，為了降低AO4410的發(fā)熱量，本文采用兩路完全相同的7138芯片電路并聯(lián)，每路提供3.6a的恒流輸出，因此RCS=0.1/3.6=0.0277778歐姆，本文采用金屬膜電阻R028。

VDD的有效范圍為3V-6V，考慮到單片機(jī)的承受能力，并提供給QX7138最大的供電電壓，本文采用SB6284電源芯片將鋰電池電壓進(jìn)行升壓，僅供QX7138和單片機(jī)使用，為了降低功耗，單片機(jī)采用內(nèi)部晶振，并盡量降低工作頻率。SB6284芯片輸出電壓可調(diào)，原理如圖2-4所示，輸出電壓VDD與電阻R1和R2的組合相關(guān)，其中FB引腳保持0.6V電壓[3]，因此，VDD/（R1+R2）=0.6/R2即Vout=0.6（1+R1/R2）本文中，R2采用10K電阻，R1采用85C電阻，也就是75K精密電阻，VDD=0.6（1+75/10）=0.6*8.5=5.1V，該電壓適合的2.5V-5.5V單片機(jī)工作電壓范圍，又適合QX7138輸出較大恒流電流要求。

2.4 HPPTLCS 主控板PCB設(shè)計(jì)

根據(jù)2.1～2.3節(jié)所設(shè)計(jì)的電路原理圖，設(shè)計(jì)完成的PCB圖紙如圖2-4所示，圖中接線柱分別是輸入電源接線柱、電池接線柱、系統(tǒng)開關(guān)及按鍵界限端子。

3、系統(tǒng)調(diào)試與小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的HPPTLCS系統(tǒng)，首先在蘇州城時(shí)實(shí)業(yè)有限公司內(nèi)部進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)物如圖3-1所示，系統(tǒng)版權(quán)屬于本文作者、蘇州城時(shí)實(shí)業(yè)有限公司及其日本客戶共同所有，其它人不得以任何形式仿造侵權(quán)。

第一版PCB通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)發(fā)熱量巨大，鋁基板出由于燈的功率大，發(fā)熱在意料中，但是測(cè)試發(fā)現(xiàn)主控板的AO4410也會(huì)大量發(fā)熱，工作幾分鐘后甚至?xí)C手，測(cè)量文圖在70度左右，雖然在該芯片的工作溫度范圍內(nèi)，但是考慮到芯片的壽命問(wèn)題，在第二版PCB設(shè)計(jì)時(shí)做了適當(dāng)調(diào)整：

1、用兩片AO4410并聯(lián)使用，使每個(gè)芯片的通過(guò)電流降低一半，從而降低芯片發(fā)熱量，因此每個(gè)主控板上使用了4片AO4410芯片。

2、加粗鋁基板與主控板相連的V和G兩個(gè)焊盤，并且使AO4410芯片貼近這兩個(gè)焊盤的位置，使熱量能盡快傳到到鋁基板上，從而散發(fā)出去，經(jīng)過(guò)測(cè)試，并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)，主控板發(fā)熱量在可承受合理范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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[3]百度文庫(kù).SB6284 High Efficiency 1.2MHZ 2A Step Up Converter[EB/OL].（2015-07-24）[2019-08-01] https：//wenku.baidu.com/view/aecaecba8bd63186bcebbc8a.html