鋰電池供電的大功率LED指揮燈設計

曹振華

摘要 交警在夜晚檢查或者指揮車輛通行時，需要使用指揮燈發送指令信號車輛駕駛人員，駕駛員看到指揮信號燈時，根據交警的指示做出響應。指揮燈一般為手持設備，需要使用電池供電，夜晚使用需要將信號傳輸較遠的距離，一般要求五百米左右能清晰觀察到。本文設計了一款使用3.7V動力鋰電池供電，8顆3W大功率LED組成的大功率指揮燈恒流控制板（HPPTLCS），LED有種不同的動畫展示形式，產品通過了蘇州城時實業有限公司的測試，并獲得了日本客戶首批訂單。

關鍵字：動力鋰電池;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，城市路況越來越不容樂觀，事故頻發、酒駕毒駕現象屢禁不止，為了保證城市交通的正常運轉，交通警察的工作就變得越來越繁忙，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勤巡邏時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，遠遠看上去像一個紅燈的樣子，隨著科技的不斷發展，LED燈可以發出更亮，而且更多的色彩，使交通指揮燈可以做的更加生動活潑;隨著鋰電池技術的發展，電池容量越來越大，而且體積越來越小，為便攜式交通指揮燈的面世奠定了基礎，在日本等一些發達國家，交通指揮燈的發展較為快速，他們對交通指揮燈的需求也較多、較前衛。

應蘇州城時實業有限公司及其日本客戶的要求，本文為其設計了一款基于3.7V動力鋰電池供電及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（以下簡稱HPPTLCS），燈光夜晚穿透距離超過800米，燈光實現了6種不同的閃爍方式，LED采用7.2A恒流驅動方式，控制系統除了LED控制部分外，還包括鋰電池充電系統、低電壓保護系統、充電時LED保護系統等部分構成。

1.1、HPPTLCS工作原理

HPPTLCS系統中，電源由一個3.7V2600mah的動力鋰電池提供，可以在瞬間提供高達8A以上的電流輸出;燈光系統由8顆3W的大功率LED組成，8顆LED同時亮滅，可以穿透較遠的距離;LED驅動電路為恒率驅動方式，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芯片負責，系統功能圖如圖1-1所示。

1.2、HPPTLCS優勢

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

HPPTLCS通過SLM6500芯片進行充電管理，性能穩定，芯片采用1.5mhz固定頻率的同步降壓轉換器，具有高達90%以上的充電效率，自身發熱量極小，SLM6500具有完整的充電終止電路、自動再充電和高精度4.2V預設充電電壓，內部集成防反灌保護、輸出短路保護等功能，提高了電池壽命及充電穩定性。

由QX7138組成的大電流恒流驅動電路，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，外圍電路簡單，僅需外置一顆電容、一顆電阻和一個mosfet管即可組成恒流驅動電路。

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

2、HPPTLCS設計實現

HPPTLCS的難點在于3.7V低電壓供電、7.2A大電流恒流驅動、及散熱等方面，本文對這些方面進行了詳細設計。

2.1 大功率LED鋁基板設計

LED功率大，7.2安培的電流使得該模塊發熱量巨大，考慮到散熱問題，本文將LED部分單獨制作在鋁基板上，便于散發大量熱量，如圖2-1所示，共計8顆大功率LED燈珠，左側兩顆小型LED燈為充電指示燈，G為綠色，充電結束亮起，R為紅色，充電時亮起。

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，為兩個指示燈提供電源，R、G為兩個燈的控制端，三個引腳具體功能見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成，實現了一款可以提供2A充電電流的充電電路，具體設計電路如圖2-2所示。

圖2-2左側圖為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指示燈引腳，當系統正在充電時，NCHRG輸出低電平，因此接鋁基板的R引腳，此時紅燈亮起;當充滿電或者電池被拔掉時，NSTDBY引腳輸出低電平，因此接鋁基板的G引腳，此時綠燈亮起。

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可以通過在這兩個引腳之間加入一個適當的電阻RS來調節，Ibat=0.1/RS[1]，本文設計的充電電流為1500ma，因此RS=0.1/1.5=0.06667歐姆，因此本文采用R067的電阻作為電流設定電阻。

LX與VS之間要加一個4.7UH的電感。

為了簡化電路功能，NTC引腳沒有接熱敏電阻，而是直接通過電阻接地，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焊盤，這個焊盤美沒有特殊信號連接，是便于散熱用，在設計電路板時，可以將底部焊盤與GND相連焊接，便于將芯片內溫度傳到出去。

2.3 HPPTLCS恒流控制模塊

LED控制電路一般都會采用恒流的方式驅動，降壓恒流法是最容易設計的電路，但是本文設計的HPPTLCS模塊供電電壓低，要想實現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，不便于實現大電流輸出，因此本文未采用升壓方式，而是采用泉芯電子的QX7138芯片設計恒流部分。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，外圍電路簡單，僅需擴展兩個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18A的電流，內阻僅有5.5m?，功耗較低，電路設計如圖2-3右圖所示。

QX7138的DIM引腳為調光引腳，當不需要調光時，可以懸空，當外接高電平或者懸空時，芯片正常工作;當外接低電平時，芯片停止工作，因此這個引腳可以接到單片機的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，Ics=0.1/RCS[2]，本文設計的單燈恒流電流為900ma，因此8個LED的總電流為7.2a，為了降低AO4410的發熱量，本文采用兩路完全相同的7138芯片電路并聯，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行升壓，僅供QX7138和單片機使用，為了降低功耗，單片機采用內部晶振，并盡量降低工作頻率。SB6284芯片輸出電壓可調，原理如圖2-4所示，輸出電壓VDD與電阻R1和R2的組合相關，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設計

根據2.1～2.3節所設計的電路原理圖，設計完成的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、系統開關及按鍵界限端子。

3、系統調試與小結

本文設計的HPPTLCS系統，首先在蘇州城時實業有限公司內部進行了測試，系統實物如圖3-1所示，系統版權屬于本文作者、蘇州城時實業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。

第一版PCB通過測試發現，系統發熱量巨大，鋁基板出由于燈的功率大，發熱在意料中，但是測試發現主控板的AO4410也會大量發熱，工作幾分鐘后甚至會燙手，測量文圖在70度左右，雖然在該芯片的工作溫度范圍內，但是考慮到芯片的壽命問題，在第二版PCB設計時做了適當調整：

1、用兩片AO4410并聯使用，使每個芯片的通過電流降低一半，從而降低芯片發熱量，因此每個主控板上使用了4片AO4410芯片。

2、加粗鋁基板與主控板相連的V和G兩個焊盤，并且使AO4410芯片貼近這兩個焊盤的位置，使熱量能盡快傳到到鋁基板上，從而散發出去，經過測試，并聯冗余設計后的系統，主控板發熱量在可承受合理范圍內，符合設計要求。

參考文獻

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[2]泉芯電子.QX7138 PWM 調光的 LED 恒流驅動器7138_DS03CN[EB/OL].（2014-09-03）[2019-08-01]? http：//www.qxmd.com.cn/upload/file/20140903/20140903155255865586.pdf

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