礦燈是煤礦礦工必備的井下照明燈具，在礦工井下作業中起到十分重要的作用，被稱為“礦工的眼睛”。礦燈屬于特殊型防爆產品，其安全性能和質量與煤礦安全生產息息相關。近年來，由于礦燈使用管理不善以及電源內部設計問題而誘發的瓦斯煤塵爆炸事故屢屢發生，造成重大損失和惡劣的社會影響，這使得國家對礦燈的安全問題越發重視，并從電源、材料、通信等多個方面來考慮和研究安全問題。

國家煤礦安全委員會針對礦燈安全制定了一些標準和要求，主要包括：1. 礦燈的設計電路中所有的電壓必須小于8V，包括輸入電壓、輸出電壓和變換所需的中間電壓。2. 礦燈的燈必須是主副兩組，而且是完全獨立控制的。主燈用于大部分時間的照明應用，電流較大且要求工作時間不低于11小時，副燈在主燈不能工作時而輔助工作，一般電流較小且要求時間不低于30小時。3. 特殊的應用環境要求所有的控制電路不能在工作時產生電弧或者電火花，以避免瓦斯爆炸。

礦燈用的電池最早是鉛酸電池，但由于體積大、重量大、容量小，鉛酸電池很快就退出了這個舞臺。接著，鋰離子電池的快速發展以及鋰離子電池相對于傳統鉛酸電池在體積和容量上的優勢，使得大部分的礦燈生產和設計廠商都選用鋰離子電池作為礦燈的電源。這種普通的鋰電池大多采用鈷酸鋰和錳酸鋰作為正極材料，在短路和撞擊時有可能發生冒火和爆炸，在過充和濫放時會由于電池熱釋放或熱失控而引起電池燃燒。

近年來一種新興的磷酸鐵鋰電池迅速成長起來。磷酸鐵鋰電池采用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，是通過濫用測試的真正安全電池。LiFePO4耐高溫、遇熱不分解，在電池過充或短路的情況下物理和化學特性非常穩定。當電池濫用時，LiFePO4不會因熱釋放或熱失控而引起電池燃燒。電池在3A 5V下過充，電池溫度不會超過55℃，非常安全。當進行熱箱測試時，在加溫到130℃的5“8小時的過程中，電池溫度幾乎與箱溫一致，不會出現內部短路。當被擠壓與針刺時，溫度不會超過110℃。具有橄欖石型結構的LiFePO4能滿足高安全、高容量、高功率鋰電池的需要。LiFePO4無毒、環境友好、原料豐富、比容量高、充放電平穩、循環性能好、熱穩定性高、安全可靠，采用該材料制造的鋰離子電池非常適用于對安全性、循環壽命、功率特性、使用成本有很高要求的電池應用領域。

普通的鈷酸鋰和錳酸鋰電池的額定電壓范圍是3.6V”4.2V，而礦燈采用的單芯片白光LED的導通電壓是3.8V（200mA電流），所以LED驅動器必須采用升降壓模式來滿足導通電壓要求。圖1是礦燈用白光LED的常用驅動方案。由于升降壓驅動電路主要受升壓電路的影響，所以很難實現很高的效率，而且該方案比較復雜、成本較高。

圖1：礦燈用白光LED的常用驅動方案。

新興的磷酸鐵鋰電池的額定電壓范圍是2.5V“3.4V，因此只需單一的升壓電路來驅動LED。Sipex公司的SP6648是一款采用同步整流技術的升壓型DC/DC調節器，可以從0.7V”4.5V升壓到需要的電壓值，可提供最大400mA的電流。對于LED，建議采用恒流驅動方式以滿足亮度一致和高效率，圖2a為應用電路圖。

當SW2閉合，SW1斷開時，主燈D2亮，以維持高亮度、長時間的照明，恒定輸出電流等于IOUT=1.25V/R2。

當SW2斷開，SW1閉合，或者當U1出現問題不能點亮時，副燈開始工作，在15mA的電流下保證足夠長的照明時間。由于副燈D1的電流很小（為15mA），導通電壓很低（大約為3V），所以可以直接由電池驅動而無需額外的升壓電路。

將開關SW1、SW2連接到地，以免控制電源線而可能產生電弧或者電火花。R3和R4被用來設置電池欠壓保護閾值，VLOWBATT=0.61×（R3+R4）/R4。R1可以限制流過L1的峰值電流，以控制輸出電路，Ipeak=1，600/Rlim。C1和C2則由原來的鉭電容改為無極性的陶瓷電容，因為有極性鉭電容在發生短路時有可能產生火花或者燃燒，這在礦燈應用中是堅決杜絕的。

但是圖2a電路也有不足之處。1.25V的FB引腳電壓在R2上將產生較大的損耗（約為1.25V×200mA=0.25W），從而降低整個方案的效率。圖2b對圖2a電路進行了改進。

圖2：（a） 基于SP6648的礦燈用白光LED驅動電路圖；（b） 對圖2電路進行改進后可以提高整個方案的效率。

圖2b電路在FB引腳上增加了1N4148二極管，使得R2上的損耗減少到（1.25V-0.6V）×200mA=0.13W，這使得整體方案的效率大大提高。具體的效率曲線如圖3所示，在磷酸鐵鋰電池的額定電壓范圍內，平均效率達到90%。

圖3：圖2b電路的效率曲線。

圖2a的輸出端采用了陶瓷電容，由于陶瓷電容的ESR非常低，輸出電壓調制不能太穩定，從而導致紋波變大。為減小輸出紋波以保護LED并延長使用壽命，圖2b在輸出電容C2旁串聯一個0.1Ω的小阻值電阻（ESR太高會導致效率降低，因此該電阻的阻值不能太大），使輸出紋波從原來的100mV減小到50mV，如圖4所示。當然也可以在LED上并聯一個220pF的旁路電容來改善輸出紋波。

圖4：在輸出電容C2旁串聯一個0.1Ω的小阻值電阻，使輸出紋波從原來的100mV減小到50mV。

最后考慮升壓電路的過壓保護問題。當LED開路時，SP6648輸出電壓固定在3.3V，因此無需擔心過壓超過8V的礦燈限制，也不用增加過壓保護電路。總之，SP6648是一款可以提供最大400mA電流的同步升壓芯片，具有高達92%的效率，它僅需很少的外圍元器件，便能以較低成本滿足礦燈應用的要求。

責任編輯：gt