曹振华

摘要 交警在夜晚检查或者指挥车辆通行时，需要使用指挥灯发送指令信号车辆驾驶人员，驾驶员看到指挥信号灯时，根据交警的指示做出响应。指挥灯一般为手持设备，需要使用电池供电，夜晚使用需要将信号传输较远的距离，一般要求五百米左右能清晰观察到。本文设计了一款使用3.7V动力锂电池供电，8颗3W大功率LED组成的大功率指挥灯恒流控制板（HPPTLCS），LED有种不同的动画展示形式，产品通过了苏州城时实业有限公司的测试，并获得了日本客户首批订单。

关键字：动力锂电池;大功率LED;恒流控制板;交通指挥灯

1、HPPTLCS引言

随着汽车保有量的激增，城市路况越来越不容乐观，事故频发、酒驾毒驾现象屡禁不止，为了保证城市交通的正常运转，交通警察的工作就变得越来越繁忙，不管是白天黑夜，都能看到交通警察忙碌的身影，交通指挥灯是交通警察在夜晚执勤巡逻时必不可少的工具之一。早期的交通指挥灯是在手电筒上蒙一块红布，远远看上去像一个红灯的样子，随着科技的不断发展，LED灯可以发出更亮，而且更多的色彩，使交通指挥灯可以做的更加生动活泼;随着锂电池技术的发展，电池容量越来越大，而且体积越来越小，为便携式交通指挥灯的面世奠定了基础，在日本等一些发达国家，交通指挥灯的发展较为快速，他们对交通指挥灯的需求也较多、较前卫。

应苏州城时实业有限公司及其日本客户的要求，本文为其设计了一款基于3.7V动力锂电池供电及8颗3W大功率LED灯珠组成的7.2A便携式交通指挥灯控制系统（以下简称HPPTLCS），灯光夜晚穿透距离超过800米，灯光实现了6种不同的闪烁方式，LED采用7.2A恒流驱动方式，控制系统除了LED控制部分外，还包括锂电池充电系统、低电压保护系统、充电时LED保护系统等部分构成。

1.1、HPPTLCS工作原理

HPPTLCS系统中，电源由一个3.7V2600mah的动力锂电池提供，可以在瞬间提供高达8A以上的电流输出;灯光系统由8颗3W的大功率LED组成，8颗LED同时亮灭，可以穿透较远的距离;LED驱动电路为恒率驱动方式，可以提高LED灯珠的寿命，恒流电路由QX7138、AO4410等芯片组成;控制模块由单片机及SB6284 2V-24V输入大电流升压IC电源电路部分组成;锂电池充电模块由SLM6500芯片负责，系统功能图如图1-1所示。

1.2、HPPTLCS优势

HPPTLCS亮度高，在阴暗的夜晚，有效穿透距离可以达到800米以上，能见度较好的夜晚穿透距离更远，符合交通指挥的要求。

HPPTLCS通过SLM6500芯片进行充电管理，性能稳定，芯片采用1.5mhz固定频率的同步降压转换器，具有高达90%以上的充电效率，自身发热量极小，SLM6500具有完整的充电终止电路、自动再充电和高精度4.2V预设充电电压，内部集成防反灌保护、输出短路保护等功能，提高了电池寿命及充电稳定性。

由QX7138组成的大电流恒流驱动电路，能有效保证LED亮度的一致性和LED的寿命，该电路成本低，性能可靠，外围电路简单，仅需外置一颗电容、一颗电阻和一个mosfet管即可组成恒流驱动电路。

HPPTLCS包含铝基板在内总体重量约400克，便于携带，非常适合交通警察指挥交通用，随用随充，反复使用。

2、HPPTLCS设计实现

HPPTLCS的难点在于3.7V低电压供电、7.2A大电流恒流驱动、及散热等方面，本文对这些方面进行了详细设计。

2.1 大功率LED铝基板设计

LED功率大，7.2安培的电流使得该模块发热量巨大，考虑到散热问题，本文将LED部分单独制作在铝基板上，便于散发大量热量，如图2-1所示，共计8颗大功率LED灯珠，左侧两颗小型LED灯为充电指示灯，G为绿色，充电结束亮起，R为红色，充电时亮起。

D、R、G焊盘分别接主控板的D、R、G，充电指示用，D为充电电源的正极，为两个指示灯提供电源，R、G为两个灯的控制端，三个引脚具体功能见SLM6500模块。

V：接锂电池正极，为8盏LED灯的公共供电端。

G：接恒流源的正极，为8盏LED灯的公共输出端。

2.2 HPPTLCS充电模块

充電电路里主要由SLM6500芯片及外围电路、输入电源滤波电路和输出滤波电路等部分构成，实现了一款可以提供2A充电电流的充电电路，具体设计电路如图2-2所示。

图2-2左侧图为SOP8封装的引脚图，其中3、4引脚为漏极开路输出的充电状态指示灯引脚，当系统正在充电时，NCHRG输出低电平，因此接铝基板的R引脚，此时红灯亮起;当充满电或者电池被拔掉时，NSTDBY引脚输出低电平，因此接铝基板的G引脚，此时绿灯亮起。

VCC引脚和GND引脚为芯片提供电源，并为电池提供能量来源。

BAT引脚接锂电池正极，为锂电池充电。

VS引脚为输出电流检测端，正常情况下，VS和BAT引脚之间保持100mv的电压差，充电电流Ibat可以通过在这两个引脚之间加入一个适当的电阻RS来调节，Ibat=0.1/RS[1]，本文设计的充电电流为1500ma，因此RS=0.1/1.5=0.06667欧姆，因此本文采用R067的电阻作为电流设定电阻。

LX与VS之间要加一个4.7UH的电感。

为了简化电路功能，NTC引脚没有接热敏电阻，而是直接通过电阻接地，电路图如图2-1右图所示，5脚为使能控制及电池温度检测输入端，因此本为直接将5脚接充电电源。

SLM6500芯片与普通SOP8封装的芯片不同之处在于底部还有一个焊盘，这个焊盘美没有特殊信号连接，是便于散热用，在设计电路板时，可以将底部焊盘与GND相连焊接，便于将芯片内温度传到出去。

2.3 HPPTLCS恒流控制模块

LED控制电路一般都会采用恒流的方式驱动，降压恒流法是最容易设计的电路，但是本文设计的HPPTLCS模块供电电压低，要想实现大电流恒流输出太容易，如果采用升压后再降压恒流，输出功率小，不便于实现大电流输出，因此本文未采用升压方式，而是采用泉芯电子的QX7138芯片设计恒流部分。QX7138如图2-3所示。

图2-3左图为SOT-23-5封装的QX7138引脚图，芯片体积小，外围电路简单，仅需扩展两个元件就能形成大电流恒流源电路，如图2-3右图所示，图中M1采用了AO4410大功率管作为切换器件，AO4410为N沟道MOSFET，在VGS=10v的情况下可以通过18A的电流，内阻仅有5.5m?，功耗较低，电路设计如图2-3右图所示。

QX7138的DIM引脚为调光引脚，当不需要调光时，可以悬空，当外接高电平或者悬空时，芯片正常工作;当外接低电平时，芯片停止工作，因此这个引脚可以接到单片机的IO口上，从而可以控制LED灯的亮灭。正常情况下，CS引脚保持100mv电压，恒流电流Ics的大小与接在CS引脚与GND之间的电阻RCS相关，Ics=0.1/RCS[2]，本文设计的单灯恒流电流为900ma，因此8个LED的总电流为7.2a，为了降低AO4410的发热量，本文采用两路完全相同的7138芯片电路并联，每路提供3.6a的恒流输出，因此RCS=0.1/3.6=0.0277778欧姆，本文采用金属膜电阻R028。

VDD的有效范围为3V-6V，考虑到单片机的承受能力，并提供给QX7138最大的供电电压，本文采用SB6284电源芯片将锂电池电压进行升压，仅供QX7138和单片机使用，为了降低功耗，单片机采用内部晶振，并尽量降低工作频率。SB6284芯片输出电压可调，原理如图2-4所示，输出电压VDD与电阻R1和R2的组合相关，其中FB引脚保持0.6V电压[3]，因此，VDD/（R1+R2）=0.6/R2即Vout=0.6（1+R1/R2）本文中，R2采用10K电阻，R1采用85C电阻，也就是75K精密电阻，VDD=0.6（1+75/10）=0.6*8.5=5.1V，该电压适合的2.5V-5.5V单片机工作电压范围，又适合QX7138输出较大恒流电流要求。

2.4 HPPTLCS 主控板PCB设计

根据2.1～2.3节所设计的电路原理图，设计完成的PCB图纸如图2-4所示，图中接线柱分别是输入电源接线柱、电池接线柱、系统开关及按键界限端子。

3、系统调试与小结

本文设计的HPPTLCS系统，首先在苏州城时实业有限公司内部进行了测试，系统实物如图3-1所示，系统版权属于本文作者、苏州城时实业有限公司及其日本客户共同所有，其它人不得以任何形式仿造侵权。

第一版PCB通过测试发现，系统发热量巨大，铝基板出由于灯的功率大，发热在意料中，但是测试发现主控板的AO4410也会大量发热，工作几分钟后甚至会烫手，测量文图在70度左右，虽然在该芯片的工作温度范围内，但是考虑到芯片的寿命问题，在第二版PCB设计时做了适当调整：

1、用两片AO4410并联使用，使每个芯片的通过电流降低一半，从而降低芯片发热量，因此每个主控板上使用了4片AO4410芯片。

2、加粗铝基板与主控板相连的V和G两个焊盘，并且使AO4410芯片贴近这两个焊盘的位置，使热量能尽快传到到铝基板上，从而散发出去，經过测试，并联冗余设计后的系统，主控板发热量在可承受合理范围内，符合设计要求。

参考文献

[1]sola.SLM6500 Datasheet，2A Synchronous Buck Li-Ion Battery Charger.pdf[EB/OL].（2019-04-01）[2019-08-01] http：//www.sola-ic.com/products/cdgl/kg/17.html

[2]泉芯电子.QX7138 PWM 调光的 LED 恒流驱动器7138_DS03CN[EB/OL].（2014-09-03）[2019-08-01]  http：//www.qxmd.com.cn/upload/file/20140903/20140903155255865586.pdf

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