（微电子学与固体电子学专业论文）应急灯控制芯片设计及应用.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 消防戍急灯具广泛应用于各类公共场所，具有广阔的市场前景。目前国内的消防应急灯 具大多采用分立器件搭建而成，少数厂家生产的应急灯控制芯片又存在功能不全的缺点，冈 此对新型的应急灯控制芯片的研究是必要和有意义的。本论文所设计的应急灯控制芯片应用 于自带电源型消防应急灯具。应急灯控制芯片设计的核心有两点：一是应急灯控制芯片的电 路和版图设计；二是建立针对该芯片的应用系统。 本论文首先从应急灯控制芯片的应用背景角度来分析消防应急灯具的系统要求并结合 消防应急灯系统国家标准g b l 7 9 4 5 2 0 0 0 论证和定义了芯片的各项可行的设计指标，然后构 建了整体方案，划分了电路的功能模块，电路的功能模块有七个：预稳压模块、稳压模块、 应急转换模块、电池监测模块、光源控制模块、故障显示模块、充电控制模块。 接下来针对应急灯控制芯片的每个功能模块分析和论证其工作原理和电路实现。对关键 电路的设计给出了具体电路的拓扑和模拟结果，其中电路设计的重点和难点是稳压模块和充 电控制模块的设计。在器件和l 二艺设计的基础上，阐述了应急灯控制芯片内部高压驱动管的 设计、芯片的e s d 保护方案和版图等厉端设计。 针对本论文设计的应急灯控制芯片，结合实际的应用需求，搭建了能同时适用于消防照 明灯( 非常明) 和消防标志灯( 常明) 两种消防应急灯具的应用系统，分析了系统的工作原 理及关键元件的参数选取。 本论文设计的应急灯控制芯片完全达到了国家对消防应急灯具控制系统的要求，且需要 的外部元件数量不多，其技术水平在国内处了：领先地位。 关键词： 应急灯控制芯片、驱动管、自带电源型、静电冲击 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee m e 唱e n c yi i g h t i n gi sw i d e i yu s e di np u b i i cb u i i d i n g sa n d h a s8p m m i s i n gf u t u r e t o d a y ， m o s to ft h ee m e 唱e n c yl i g h t i n g sa r ec o n s i s t e do fi n d e p e n d e n td e v i c e s t h ec h i p so fs o m ed e s i g n h o u s e sc a n tr e a c ha 1 1t l l er e q u i r e m e n t so ft h en a t i o n a ls t 卸d a r d i ti sn e c e s s a r ya 1 1 ds i g n m c a n tt o s m d yt h ee m e 曙e n c yl i g h t i n gi ct h ee m e 唱e n c y1 i 曲t i n gi ci nt h i st h e s i si sf o r t h ea p p l i c a t i o no f s e l f 巾o w e r e de m e 唱e n c yl i g h t i n g t h e r ea r et w ot h m s t si nt l l ed e s i g no f t h ee m e 玛e n c yl i g h t i n gi c ： d e s i g no ft h ec i r c u i ta i l dl a y o u to ft h ee m e 唱e n c yl i 曲t i n gi c ，a n dc o n s n _ u c tt h e 印p l i c a t i o n s y s t e m so f t h ee m e r g e n c yl i g h t i “gi c i nt h i st h e s i s ，t h ef b a t u r e so ft h ee m e 曙e n c yl i g h t i n gs y s t e mh a v eb e e nf i 哪l yi n t r o d u c e di n r e s p e c to ft h eb a c k r o u n do ft h e 印p l i c a t i o no ft h ee m e 曙e n c y1 i g h t i n g b a s e do nt h en a t i o n a l s t a n d a r dg b1 7 9 4 5 - 2 0 0 0 ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nt a r g c t so ft 1 ec h i pi nr e l a t i o nt ot l l eu p d a t e d t e c h n o l o g yh a sb e e na n a l y z e d ；血eo v e r a l ls c h e m ea n dt 1 1 ef u n c t i o nb l o c l ( so ft h ee m e 唱e n c y l i g h t i n gi ch a v eb e e nd e s i g n e d t h e r ea r es e v e nf u n c t i o nb l o c k s ：p r e r e g u l a t i o n ，r e g u l a t i o n ， b a n e r y d e t e c t i o n ，e m e 唱e n c y - m m s j t j o n ，】a m p c o n t m l l i n 舀f a u l t - d i s p l a y ，c h a 曙e c o n t r 0 1 1 i n g s e c o n d l y t l l ef b n c t i o n 柚dt h ec i r c u j to f e a c hb l o c ki sa n a l y z e d ，t h ec o n c r e t ec j r c u i t sa n dm e s j m u l a t i o nr e s u l t so ft h ek e yc i r c u i t sh a v eb e e np m v i d e d t h ee m p h a s i si sp u to nt h er e g u l a t i o n a 1 1 dt h ec h a 曙e - c o n t r 0 1 l i n gb l o c k s b a s e do nt h ed e s i g no ft 1 1 es n _ i l c t u r ef o rd e v i c e ，t h ei n t e m a l h 、 n d o s ，e s dp r o t e c t i o n 绷dt h el a y o u to f t h ec h i p h a v eb e e nd e s i 印e d t h i r d l y ，t h ea p p l i c a t i o ns y s t e m so f m ee m e 曙e n c yl i g h t i n gi ch a v eb e e nc o n s t 兀l c t e d t h e r ea r e t 、v o t y p i c a l印p l i c a t i o ns y s t e m s ：e m e e g e n c y - 1 i g h t i n g ( d i s c o n t l n u o u s1 l 曲t i n g ) a n d e m e 唱e n c y - s i g n a l ( c o n t i n u o u sl i g h t i n g ) t h ew o r k i n gl a wo f t h es y s t e m s a 1 1 dt h ep a r a m e t e r so f t l l e o u t d o o r sk e yd e v i c e sh a v e b e e nd e m o n s 仃a t e d t h ee m e r g e n c yl i g h t i n gi cd e s i g n e di nt h j st h e s i sr e a c ha l lt h er e q u i r e m e n t so ft h en a t i o n a l s t a n d a r df o rt h ee m e 唱e n c yl i g h t i n g sa n dn e e df b wo u t d o o r sd e v i c e s ，s oi tk e e p sa h e a di nt h e t e c h n j c a l l e v e lj nc h i n a k e y w o r d s ：e m e r g e n c yl i g h t i n gi c ，d r i v e rn m o s ，s e l f - p o w e r e dm o d e ，e s d i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 沙啄。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 年 东南大学硕士学位论文 绪论 一、消防应急疏散照明技术背景介绍。 随着我国综合国力的不断增强，人吣生活水平的日益提高，公众聚集场所越来越多，公 众聚集场所火灾事故也卜1 趟频繁，特别是群死群伤恶性火灾叫有发生，不但造成了大景人员 伤亡，而且影响了社会政治稳定。公众聚集场所群死群伤恶性火灾事故时有发生，大多是因 为这些物所发生火灾时缺少必要可靠的应急照明乖j 疏散指示，致使火灾发生厉被l _ _ j 人员不能 及时疏散，被烟熏窜息而死。 消防应急灯具作为种重要的消防器材，广泛鹿用t 一宾馆、商场、娱乐场所等公众聚集 场所，其功能足这些场所发生火灾断电后，应急灯具臼动照明，引导被| i 人员疏散。消防应 急疏散照明技术是一项重要的救生疏散技术。近几年，随着国民经济的高速发展，高人而复 杂的智能建筑日益增多，对消防安全的要求越来越高，消防应急灯具的品种不断增多( 如表 一) ，性能不断改进，技术水平有了很人提高。 发一消防应急灯的分类 按用途分消防应急照叫灯、消防应急标志灯、消防心急照 | 】标志灯 ； 按功能分照明或标志照明和标志消防应急灯 按工作方式分持续f 作型、非持续工作型 = 按心急供电方，c 分自带电源型、集中电源型 按。r 作实现力式分 独立控制型、集中控制型、于母控制型 按安装高度分高位安犍型、低位= 芷皴型、高低位复合安装型 欧美等发达国家消防应急疏散照明技术发展较早、较快，一直处丁_ 领先地位，上述各种 灯具已被火量生产和广泛应用。我国起步较晚，但近年来发展也很快。目前，国内已申请到 国家公安部消防产品认证的应急灯制造商大约3oo 余家，但产品质量、性能和品种同发达 国家相比还有一定的差距，只有少数大型企业及一些合资企业的产晶与国外产品相差无几， 并向智能环保型方向发展，但价格稍高。现在，自带电源独立控制型消防应急灯具是我国的 主要应急灯具产品。 消防麻急疏散照明技术未来发展有以r 几大特点： 荧光灯、白炽灯光源技术被场致发光光源技术所取代 场致发光器件标志灯具具有节能、美观、表面亮度和匀光度都易控制等优点，其耗电极 l 绪论 低，发展前景广阔。我国过去曾长期使用荧光灯及自炽灯作为光源，其缺点是效率低下，场 致发光器什的使用得益于技术的进步及智能建筑中的大量需求。 低位应急照明安装技术将得到广泛应用 低位应急照明技术是指在靠近地面或地面高度上提供疏散应急照明的一项新的安装应 用技术，与传统的高位安装技术相比，它具有特殊的优点和独到之处。传统的高位应急照明 安装技术常用于有较高天棚的较人空间和疏散走道的天棚或墙壁距地面有一人高度的位置 处，为空间和走道提供均匀的照度，并为走道提供清楚的信息和方向标志，一般采用传统的 持续型应急j l c 明灯具和8 瓦充电应急标志灯具。然而，在更多的有限空间里，如带有相对低 的天棚的走廊，高位应急照明系统提供的照度往往不如低位应急照明系统。原冈是当着火时， 靠近地面处烟少，氧气多，便于人的匍匐行动；另一方面，低位应急照明系统采用能发出穿 透烟强光的发光二极管光源，可产生理想的局部高照度，使疏散人员更容易识别疏散走道， 迅速而安全地找到安全出口。所以，低位照明在火灾和其它应急情况下对于人的安全疏散十 分重要。在图纸设计上一般也主要采用这种作法。 向智能化、环保等高科技方向发展 新型的电力电子技术相结合的高科技电子产品，综合了计算机测量与控制技术、电力电 子逆变技术、网络通讯技术、系统在线检测等技术，组成了光机电一体化的应急电源及应急 照明系统产品，具有高效率、高技术含量、高可靠性的特点。并且在减少谐波对电网的污染 方面有较多的考虑。 二、相关技术的发展现状及趋势【5 】叩， 目前蓄电池供电方式主要采用如r 两种形式：一种是独立式供电，每个应急灯自带备用 蓄电池，平时由市电供电，只有当市电电源切断时，备用电源才自动投入运行；另一种是采 用集中式供电，每个戍急灯本身不带电源，市电故障时，由专用集中式应急电源供屯。针对 两种不同的供屯方式必须提供不同的内部控制电路。本文设计的控制电路针对独立式供电的 消防应急灯具。 目前国内大部分的应急灯具采用的都是由分离器件搭配通用l c ( 如5 5 5 、l m 3 5 8 ) 构建 控制系统。国家对消防应急灯具有完整的国家标准( g b l 7 9 4 5 2 0 0 0 ) ，要求应急灯具具备完 善的麻急转换、充电保护和故障检测、保护和显示等功能，这要求有相当数量的分离元件， 同时对单个元件的特性要求也较高。部分厂商出丁| 降低成本的目的，只能提供应急转换、充 电计时等功能，而不能完整的提供的故障检测、故障显示和保护等国家标准所强制要求达到 的指标。国内市场也出现了针对消防应急灯具的控制芯片，但是其存在的主要问题：i 对 电池的保护不够。大多采用慢速充电的方式给虑急电源进行持续充电，应急电源充满后没有 涓流充电过程，容易导致应急电源的过充；2 没有充电时间可选，不能适应于不同型号的 2 东南大学硕十学位论文 电池：3 应急照明灯和应急标志灯需要采用不同的控制芯片；4 应急t 作时间达不到标准 要求的9 0 m i n ：5 终i r 电压偏低，未能满足标准规定额定电压要求的8 0 ；6 充放电耐久 试验末次放电时间达不到首次放电时间的8 5 。 随着国家对消防措施的日益重视，对消防应急疏散灯具的要求越来越高，用功能更加完 善的控制芯片取代目前的由分离器件或简单控制芯片构成的系统成为必然趋势。 三、课题目的、主要内容及其意义 据应急灯行业权威人士估计，全国消防应急灯一年的市场总需求量大概在4 亿左右。随 着国民经济的发展、社会安全意识的提高，对消防安全的要求只会越来越高，意味着消防应 急灯具市场必然从不成熟走向成熟。如前所述，目前的消防应急灯具大部分不同程度的存在 着质量不过关、安全隐患，直接威胁到公众的安全。造成这种局面的直接原囚来源于应急控 制电路。设计安全性能更好、稳定性更高的消防应急灯控制芯片是必然的趋势。 本课题属于和企业联合研发的项目，目标是设计性能完全达到甚至优丁二国家标准的能针 对多种消防应急系统的控制芯片。 本课题的主要内容：1 ) 完成应急灯控制芯片的功能确定和模块划分；2 ) 重点是应急灯 控制芯片的电路设计和版图设计；3 ) 针对设计的控制芯片搭建针对不同应用场合的消防应 急灯系统。 本课题采用的技术路线及手段如下：1 ) 利用h s p l c e 电路仿真工具设计完全达到指标所 规定的各项功能和参数；2 ) 使用v i r t u s o 设计版图，同时考虑各种寄生效应完成版图的 优化：3 ) 针对设计的芯片设计应用系统，同时通过利用p c b 板进行验证。 本课题的设计工作量较大。需要考虑到电路设计、版图设计和应用系统的搭建等整个流 程。 第一章应急灯控制系统分析和芯片指标论证 第一章应急灯控制系统分析和芯片指标论证 概要：本章主要从应急灯控制芯片的应爿j 背景出发，对消防应急灯具控制系统的相关方 面进行针对性分析。先阐述了消防戍急灯具控制系统的应用范围和t 作原理，然后分析消防 应急控制系统的框架以明确芯片的应用环境和应用目的。最后结台系统要求和相关技术的现 状和趋势，论证和定义了应急灯控制芯片的各项确实可行的设计指标。 1 。1 消防应急灯具工作原理 1 1 1 常用消防应急灯具 自1 9 世纪4 0 年代开始，国家及地方权威性 机构就明文规定了消防应急灯在商业楼房，工业 设施及公共场所方面的使用，以确保人们远离由 于火灾引起的恐慌所带米的对生命财产安全的 威胁。应急灯广泛运用于大型场所如银行营业 厅，商场等人口聚集比较多的地方，以有效的确 保外出人员的安全。 目前市场上的消防应急灯按应急供电方式 大致分为：自带电源型和集中电源型。自带电源 型单个系统自带备用蓄电池，平时由市电供电， 只有当市电电源切断时，备用电源自动投入运 行：集中屯源型单个应急灯本身不带电源，市电 故障时，由专用集中式应急电源供电。 目前集中电源型消防应急灯具主要用于智 能化程度很高的大中型建筑中，并且需要有人值 守，同时由于其需要统一的备用电源，如果备用 电源发生故障，将导致整个系统无法_ t 作。所以， 目前国内的公共建筑里人多采用自带电源型应 急灯具。因为其备用电源独立，一个系统的故障 不会影响剑另外的系统。同时其线路的敷设也较 为简单。 图11 是市场上最常见的两种自带电源型 应急灯具：图1 1 ( a ) 是常明麻急疏散标志灯，其 4 ( a ) 常明应急疏散标志灯 ( b ) 双头麻急疏散照明灯 图1 1 常用自带电源型消防应急灯具 东南火学硕士学位论文 内部使用的光源是l e d ：图1 1 ( b ) 是双头应急疏散照明灯，其内部使用的光源可以是荧光灯、 白炽投射灯、e l 等。 常明应急疏散标志灯主要给楼道拐角等采光不理想的地方提供常明的光源，以确保疏散 指示标志能够正常的显示，其在市电正常的情况由市电提供光源电源，而在发生消防状况时， 由丁市电被切断，内部的蓄电池提供电源以保证在一定的时间( 9 0 m i n ) 内疏散指示标志 仍然能正常的显示。双头应急疏散照明灯主要片j 于展览馆、会所等人口聚集的公共建筑。正 常情况下，其光源不发光。而在发生紧急情况后，其光源需要提供足够亮度的光源以保证人 员能够及时的疏散。其提供应急光源的时间和常明疏散灯的标准一样。 1 1 2 自带电源型消防应急灯具工作原理 自带电源型消防应急灯具主要由以下器件构成：应急灯具、蓄电池、控制电路、状态显 示灯、测试开关等。对于常明应急疏散标志灯和应急疏散照明灯米说，由丁应用要求的多样 性，他们在这些元件的选择上也会有很人的差异。下面简要说明两种应急灯具的器件构成和 工作原理： 对于常明应急疏散标志灯来说，目前市场上一般采用绿光散射l e d 做为光源，也有部 分厂家会使用e l ( 场致发光源) 和荧光灯。由于绿光l e d 的功耗较小，其使用的蓄电池一 般为3 6 v 。且电池容量也不大( 8 0 0 m a h ) 。常明应急疏散标志灯的外观一般偏薄，内部不 能直接使用电力变压器降压以提供控制电路所需工作电源，一般在控制电路中引入由电子变 压器为主体的开关电源。目前其控制电路主要由分离器件搭配通用i c ( 如5 5 5 、l m 3 5 8 ) 完 成。状态显示灯一般由红黄绿三色l e d 灯来表示，状态显示灯一般安装在应急灯具的侧边。 测试开关一般和状态显示灯放置在一起，一般采用的普通的按钮开关，它的作用主要是便于 建筑管理人员的日常维护和检查。 常明应急疏散标志灯的工作原理：如果市电电压正常并且电池电压和光源状况也正常， 则状态指示灯绿灯、充电状态灯( 红灯) 亮，故障指示灯灭，控制电路控制开关电源给l e d 灯供屯，保持疏散显示正常，同时控制电路检测市电电压、电池电压和光源，提供充电回路 给蓄电池进行慢速充电( t o ，1 c ，c = 电池额定容量。) ；如果慢速充电完成，则充电指示红 灯灭。如果在市电正常情况下，出现电池开路、电池短路等故障，故障指示灯( 黄灯) 亮， 提示管理人员需要对系统进行检查和维修i 当市电电压低于应急转换电压时，控制电路转入 应急状态，此时备用电源和光源的同路被打开，保证光源能正常的j 二作；当电池电压低于规 定的放电电压时，控制电路应断开电池的所有放电回路，同时整个控制电路应停止工作以避 免蓄电池的漏电。 对于取头应急疏散照明灯，其光源可以是白炽投射灯、荧光灯、卤素灯等，由于一般对 照明灯亮度要求较高，很少会使用l e d 作为光源；基于同样的原因，应急疏散照明灯使h 第一章应急灯控制系统分析和芯片指标论证 的蓄电池釉类更多、电池容量更大。目前使用的有3 6 v 、6 v 、1 2 v 等多种电池，同时一般要 求电池额定容鼍大丁1 0 0 0 m a h 。由于应急疏散照明灯对体积要求不高，所以市场上人部分 采用的是小功率电力变压器。控制电路相对常明急疏散灯控制电路简单，因为不需要提供常 明通路。状态显示灯和测试开关的功能和设置和常明急疏散灯类似，不过安放位置在应急灯 具的正面。 应急疏散照明灯的工作原理和常明急疏散灯类似，不同的是市电正常情况下，光源不亮， 因此，应急疏散照明灯应能检测光源开路与否，如果出现光源故障，故障指示灯应亮。 表1 1 对两种工作方式的应急灯具进行了概括。 表1 1 两种工作方式应急灯具的比较 状态充电常态光源断路电池断路电池短路 充电完成应急状态 光 标源 上 。廿绿 灯灯 红 灯 黄 灯 光 x 照源 明绿 灯 灯 红 x 灯 黄 x x 灯 备注：“”表示亮，“”表示灭 1 1 3 消防应急灯具的国家标准 消防应急灯具的质昔好坏直接关系到人民生命财产安全，因此，国家对消防应急灯具有 严格的国家标准，目前国内实行的是g b l 7 9 4 5 2 0 0 0 。表1 2 列出了和控制电路设计直接相 关的标准，本课题的主体设计完全遵循这个标准，同时考虑到该标准属于对消防应急灯的基 本要求，出丁提高产品性能的目的，需要在控制电路加入一些实i l ；j 功能，下文将有专门章节 介绍新功能的定义和设计。 仔细分析国家标准，可以发现，对消防戍急灯的主要要求为应急转换时间、应急_ 作时 间、应急转换电压、主电故障保护、故障显示、过放电保护、光源故障保护、充电保护、过 6 东南大学硕士学位论文 放l h 保护、测试按钮、连续转换照明状态等十一项要求。此十一项要求包含了消防应急灯具 所耍满足的基本条件，也是应急灯控制芯片设计所要满足的基本指标。 表1 2g b l 7 9 4 5 2 0 0 0 对控制电路的要求 标准序号参数具体标准 消防应急灯具应急转换时间应不大于5 s ，离危险区域使用的消 51 1 应急转换时间 防应急灯具应急转换时间1 ；大于0 2 5 s 。 5 1 - 2 庹急工作时问消防应急照明灯具的施急工佧时间应不小于9 0 皿l n 。 5l _ 7 主电故障保护应急状态庸1 i 受主电供电线路短路、接地的影响。 消防应急照明灯具应设有模拟交流电源供电故障的自复式试验 5 1 8 测试按钮 按钮，不应设影响应急功能的开关。 自带电源型消防应急照明灯具应设置主电、充电、故障状态指 5l _ 9 敲障显示 示灯。土电状态用红色，充电状态用绿色，故障状态用黄色。 消防应急灯具在未接入光源、光源不能正常t 作或光源规格不 符台要求等异常状态时，内部，i 牛表面温度应不超过9 0 ，且 5 1 1 0 光源故障保护 不影响电池的正常充电。光源币常后，消防应急灯具应能正常 t 作。 消防应急灯具应具有过充电保护和充电回路短路保护，充电回 路短路时其内部器件表面温度不应超过9 0 重新安装电池后， 5 i1 5 充电保护 应急灯具应能正常丁作。消防虑急灯的充电时间应犬于2 4 h ，屉 大连续过充电电流不应超过o0 5c s a 。 电池放电终止电压应不小于额定电压的8 0 9 6 ，放电终止后，在未 51 1 6 过放电保护晕新充电条件下，即使电池电压回复，消防应急灯具也不应重 新启动，且静态泄放电流麻不大于o 1 c 5 a 。 消防应急灯具在主电电压为1 3 21 8 7 v 范围内，不应由主电状态 5 1 1 8 转入应急状态。由主电状态转入应急状态时的主电电压应在 转换电压 5 1 1 9 1 3 2 一1 8 7 v 范围内，由心急状态转为正常状态的时间应不大于 1 8 7 v 。 消防应急照明灯具应能完成1 0 次“完全充电一放电终止一完全充 5 12 0连续转换照明状态 电”循环的充电、放电过程。末次放电时间应不低于首次放电 时间的8 5 1 2 应急灯控制电路分析 本节结合上文提出应急灯控制芯片设计的功能模块，在第二章中将论述功能模块的电路 设计，在第四章中将介绍芯片的系统麻用情况。 幽1 2 是本课题设计的芯片内部功能模块框图，下面说明每个模块的功能。 7 第一章应急灯控制系统分析和芯片指标论证 v 州 s e l l r e cl g 乙a m p tl a m p vl a m p cb a t g n d c s e t 1 2 1 预稳压电路 l y 幽1 2应急灯控制芯片功能框图 消防应急灯具具有主电电源和备用电源，其在市也上作时由市电经过开关电源或小功率 电力变压器搭配桥式整流电路给控制电路提供主电电源。由于采用的开关电源比较简单，同 时桥式整流电路纹波仍然很大，导致输入到控制电路的电源存在变化较大的缺点。如果控制 芯片的所有功能模块直接使用未经稳压的电源，会严重影响到每个模块的正常工作，可能导 致输出错误的控制信息。进而影响整个应急灯具的正常使用。因此，设计一个对外部输入电 源进行预稳压的电路非常必要。 1 2 2 稳压电路 由丁本课题设计的应急灯控制芯片必须能同时应用于常明应急疏散灯和应急疏散照明 灯两个系统，并且要能适应由不同电池和光源所构成的应急系统。而且控制电路要对市电电 压、电池电压和光源的电压进行检测和判别，为了保证工作的正常，芯片内部需要有稳定的 基准电压，考虑到低功耗的目的，本文采用了一种基于c m o s 工艺的低压带隙基准源，其 输出电压为o 7 v 。输出基准提供给市电检测模块、故障模块和电池检测模块。 1 2 3 应急转换模块 国家标准对应急转换时间和转换电压有严格的要求( 见表1 2 “5 1 1 ”、”5 1 1 8 ”和 “5 1 1 9 ”) ， 这就要求市电检测能准确的进行，同时仔细分析国标可以看出，应急状态和 东南大学硕十学位论文 正常状态对应的市电有一定的窗口，以确保戍急灯具不会在应急状态和正常状态两种状态 来回翻转。本文设计的应急转换模块带有滞回功能，采片j 的基准由稳压模块提供。该模块 的主要作用是：准确的判别市电电压以决定是否进入应急状态。 市电正常情况下，该模块输出高电位打开内置驱动管，该驱动管输出开启控制扳 上充电回路，关掉备用电源和光源的放电回路。点亮主电状态灯( 绿灯) ，提示市 电状态正常： 市电电压低于应急转换电压时，该模块输出低电位关断内置驱动管，相应的控制 板上充电回路被芙闭，备用电源和光源的放电回路开启，进入应急转换状态，主 电状态灯灭。 1 。2 4 电池监测保护模块 消防应急灯具内部的备用电源主要采用的是镍铬或镍氢电池，担负着在应急状态。r 提 供电源的作用。因此，对电池的正常充电和保护都必须非常仔细。该模块的主要作用是： 市电正常情况下，该模块采样屯池电压，与基准电压进行比较，如果检测到电池 电压过高，则认为电池可能断路或发生了过充，此时，模块给故障显示电路提供 信号，点亮黄色故障灯，提示维护人员进行系统维修： 市电正常情况下，如果该模块检测到电池电压过低，则认为电池可能发生了短路 或电池有异常，此时，模块给故障显示电路提供故障信号，同时该电路给市电检 测模块提供信号，切断充电回路，以确保控制板安全； 处丁i 应急情况下，电池经过一段时间的放电，其电压会逐渐下降，当屯池电压降 到略大于电池额定电压的8 0 时，该模块应立刻关断电池和光源的放电回路，然 后，关断电池电压采样端，控制板完全不工作以确保电池的静态泄放电流极小。 1 2 5 光源监测模块 对于常明应急疏散灯米说，其光源是否短路可以直接观察到，对于应急疏散照明灯而 言，其在市电正常情况卜，光源不亮，因此，应急疏散照明灯应检测光源开路与否，如果 现光源故障，故障指示灯亮。本课题设计的控制芯片采用比较器结构，当光源断路时，比较 器给故障显示模块提供信号。 1 2 6 故障显示模块 消防应急灯具应有故障显示功能，确保平时消防应急灯具能得到及时的维护，本课题设 计的控制芯片同时电池电压监测模块和光源检测模块提供的故障信号。该模块的工作原理 9 第一章应急灯控制系统分析和芯片指标论证 是：采样到任何一类故障时，故障驱动管被打开，黄色指示灯亮。 1 2 7 充电控制模块 应急灯电池的充电非常重要，如果电池出现过充电或者充电不够，都会影响到电池的放 电效果，直接导致应急灯具的放电时间不够和电池的使用寿命。考虑到精确的快速充屯模式 需要非常复杂的电路，目前几乎所有的应急灯具都采用同定时间慢充的方式给电池充电，结 合国家标准“5 1 1 5 ”，目前普遍采j j 的慢充充电方法是：以o 1 c ( c 为电池的额定容量，单 位为m a h ) 的速度给电池充电，考虑到电池的静态泄放电流，充电时间应为1 5 小时：当慢 速充电完成后，转为涓流充电，以保证电池继续处于充满状态，从国家标准来看，要求涓流 充电电流小于0 0 5 c 。 本课题设计的充屯控制模块由时钟发生器、计时子模块和驱动控制子模块构成。该模块 的工作原理是： 当系统第一次上电或由应急状态转为正常状态时，产生清零信号，所有计数器的 输出全为o ，同时时钟发生器产生方波信号，计时模块开始计数，当计时末完成 时，驱动控制子模块打开驱动管，充电指示红灯亮，表明正在进行慢速充电； 当计时达到规定时间后，驱动控制子模块关闭驱动管，此时红色指示灯灭，涓流 充电电路被打开，同时该状态被锁存。涓流充电状态将直保留，直到电源被复 位； 该模块还包含有充电计时快速检查和充电时间可选功能。 1 3 应急灯控制芯片设计指标的确定 上节介绍了应急灯控制芯片设计的功能框图，从框图可以看山，本课题设计的麻急灯控 制芯片需耍1 6 个引脚，其中4 个为输入脚，1 2 个输出控制脚，因此本款芯片采用的d l p l 6 封装，如幽1 4 所示。 表1 3 是每个管脚的功能定义。 0 东南大学硕士学位论文 图1 3 应急灯控制芯片的管脚图 表1 3 虑急灯控制芯片管脚定义 管脚名称功能 1l g 市电过低应急转换控制端 市电正常时输出为低，否则为离阻 2l y 赦障灯显示控制端电池开路、光源开路驶市电过低时为高 市电整流降压后提供给芯片以及给电池充电的直流电 3v i n 电源 源 4e c 市电过低成急转换设置端 外接电阻用于设置市电过低的判定值 5c s e t 时钟输入端外接时钟发生器所需电容 6l a m p v 应急态椅测端 辅助判断市屯是否过低或停宅 7 s e l 充电时间选择端 接地时为1 2 小时充电，悬空时为1 5 小时充电 8l r 充电控制端 充电时间之内为低，充电计时满或停电时为高阻 9g n d 地 芯片接地端 1 0l a m p c 光源控制端 市电过低或停电且电池电压不过低时为低，否则为高阻 1 1l a l p t 光源开路检测端外接光源，检测光源是否处于开路状态 12r e f 稳压测试端外接滤波电容同时可以检测内部皋准值 13b h 电池开路检测端 外接电阻，用于设置电池开路的判定值 1 4b l 电池过放电榆测端外接电阻用于设置电池过放电的判定值 1 5c i x 电容接入端外接滤波电容，对内音| j 电路的电源起稳压作用 16b a t 电池电压检测端外接电池，实时船测电池电压情况 第一章应急灯控制系统分析和芯片指标论证 本课题的设计指标可以归纳为： 采用1 2 u m 双铝双p o l y 单阱c m o s t 艺； 直流3 v 2 5 v 的工作电压范围； 静态漏电流小于2 u a 。( 过放保护状态) ； 三种控制功能：断电应急转换、电池充电控制、充电时间选择( 1 2 1 5 小时) ； 五种显示功能：屯池开路显示、电池短路显示、光源开路显示、充电状态显示、 主电状态显示： 两种保护功能：电池过放电保护、电池短路保护； 完成芯片的应急照明灯和标识灯2 种应用系统设计，并能验证和应用该芯片： 芯片可在应急灯具采用3 “、6 v 等多种镍镉或镍氢电池时均能正常t 作； 可以驱动多种光源，既可驱动点亮f 1 炽投射灯也可驱动发光l e d ： 上文围绕消防应急灯控制系统的要求，论证和定义了应急灯控制芯片的各项可行的设计 指标，为后续的具体设计指明了方向。 1 2 东南大学硕士学位论文 第二章应急灯控制芯片的电路设计 概要：本章根据第一章所提出的芯片定义和功能框图进行具体的电路拓扑设计和论证， 然后针对每个模块的关键电路运用h s p i c e 进行模拟，给山了模拟结果。流片结果证明本课 题电路设计满足所需的各项指标。 2 _ 1 预稳压模块的设计 预稳压模块负责给整个芯片提供电源，其设计原j l ! i j 是简单实用。因为设计一个效率很 高、精度很高的稳压源需要许多的子电路，将耗费芯片大量的面积，同时增加芯片的功耗。 常爿j 的预稳压电路结构见图2 1 。 ( a )( b ) 图2 1 常用的预稳压电路 对于图21 9 ( a ) ，其利用的是三极管v b e 随电源变化不明显的特性，其输出电压为 其中 = 怔学 恤普m 鼍 由于本电路采用的是c m o s 下艺，只能提供寄生的p n p 管 本文采用的是图l ( b ) 结构，下面推导该稳压电路的设计思想： = w 旦) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 且电流能力不高，因此 ( 2 3 ) 弗 o + 胙 ：| 第二章应急灯控制芯片的电路设计 将2 4 代入到2 5 ，可得 = 咔+ 片 y d d 一( 华) = 譬( v g s 州2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 。u r 2 ( + 鲁) 、t 一旦_ 二_ ! ；丝+ j ! ! j ! 二! 1 2 ；! ! _ ! _ 8 1 塑+ 旦_ ! 。；：；。：一 ( 2 - 6 ) 输出电压随电源电压变化灵敏度可用下式来表示 s “：! 堡m ! ! 堡m ! ：上旦旦坠呸 忉 a 场d ，场d场wa i 幻 将2 6 代入2 7 ，可得预稳压电路的电源电压灵敏度为 ( 2 7 ) s 急2c 卷，雨丽丽意而丽 协鼬 可以看出，选择适当的数值，可以让电源电压灵敏度小于1 ，并且可以看出，管子的宽 长比的大小直接会影响到该参数。本模块的模拟结果如图2 2 。 8 ，0 v o u l ，、 一6 ，0 5 0 r ： ： 一 ； 7 0 0 1 2 01 7 g 2 2 0 v i n ( v ) 图2 2预稳压电压仿真波形 可以看出在外部电源电压从7 v 变化到2 0 v 时，内部工作电源的电压变化从5 v 到72 v ， 幅度远小丁外部电源电压：同时可以看出该输出i 乜压最大值仅为7 2 v ，低- 丁本次流片所采用 工艺普通m o s 管耐压8 v 的要求。因此，该电路的设计符合要求。 1 4 东南大学硕士学位论文 2 2 稳压模块的设计m z o ， 稳压电路的设计的精度直接关系到应急转换、电压监测等模块判别能否正常j 二作，因此， 本文设计的基准基于带隙基准源，设计了输出电压为o 7 v 的基准电压，图2 _ 3 是本文所采用 的基准的电路拓扑，整个电路由三部分构成：启动电路、基准产生电路、误差放大器。f 面 将详细介绍整个电路的t 作原理。 图2 3 稳压电路 m 1 、m 2 、c 1 构成带隙基准源的启动电路；m 3 m 6 、m 17 、r 1 r 4 构成带隙产生电路， m 1 1 m 1 6 、c 2 构成误差放人器。 对于带隙产生电路来说，可以发现其在零状态也能稳定，为了避免电路保持此状态，必 须加入适当的启动电路，使其脱离该状态：电路正常工作后，启动电路应该能关闭不影响 主电路的t 作同时降低芯片的功耗，对于本课题设计的启动电路来说：上电后，由于m 1 常 通，其给电容c 1 充电；c 1 初始状态为零，则m 2 被开启，带隙产生电路脱离零状态；随 着c 1 上电压的不断上升，m 2 被关闭，同时m 1 也进入由于漏源电压差为零，所以启动电 路完全关闭。不消耗电流，而带隙产生电路已经脱离零状态。在设计m 1 、m 2 的宽长比和 电容的大小时，应根据启动时间的要求仔细仿真。 带隙产生电路的基本原理是：利用v b e 的负温度特性( 一2 m v ) 和v b e 的正温度特 性，选择适当的系数，将西者相加，以得到零温度特性。下面具体分析带隙的产生原理： 其中，m 3 = m 4 = m 1 7 ，n = m 5 ，m 6 。 第二章应急灯控制芯片的电路设计 误差放大器保证m 3 、m 4 的漏端电压相同 v k 6 = v k 5 + j r 3 马 ：堕1 n ( j 。) q j 矿关1 n ( 诋砜) 坞q m 3 、m 4 、m 1 7 的宽长比相同，则 l = l ；1 1 7 ，i s 2 1 6 l 小= 器h m 等 v 肼= 鲁( e + 筹m d 耍使v r e f 为零温度特性，则 竺鞋：塑虹+ 坐l 。n a ra 丁 两q ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 可以看出，上式右边第一项为负温度特性( 约为2 m v ) ，第二项为正温度特性。本文 选择的n = 8 ，r 1 = 3 3 0 k ，r 2 = r 4 = 5 9 0 k ，r 3 = r 4 = 5 0 k 。仿真波形如图2 4 ，可以看出，在温度从 o 一8 0 变化时，输出电压变化小于l m v ；电压由2 v 一6 v 变化时，基准的变化为3 m v 。考虑 到对称管的偏差以及误差放大器的失调，实际的基准不能达到这样的精度，变化在2 0 m v 左 右。对于本论文设计的应急灯控制芯片来说，该基准的设计完全达到了设计的要求。接r 来 将讨论所使用的误差放人器的设计。 选择适当的误差放大器对稳压电路非常重要。衡量该误差放大器好坏的主要指标是差模 放大增益、相位裕度和输入电压的范嗣。差模放大增益越大，则电路的反应速度越快，对误 差电压的反应也更加灵敏；由于电路的稳定性和电路的速度存在一定的折衷，误差放大器需 要引入定的相位补偿，以保证电路有足够的相位裕度；由于基准的输出电压为低压，因此 对误差放大器的输入电压的范围有一定的要求。 6 东南大学硕士学位论文 7 0 50 m 硼4 帅 7 0 j ，0 m v 7 0 20 m 7 。1 0 m 7 册0 m v s p 竹旷_ 1 0 国3 06 99 0 2 0 图2 4 基准源仿真波形 由于误差放大器两端的电 压大致为一个v b e 的结压降，因 。 此，误差放大器的输入端不能采 用n m o s 管，只能采用p m o s ： 管。误差放大器工作原理是：当 m 3 、m 4 的漏极山现差值时( 假 一1 0 设m 7 栅极电压人于m 8 ) ，m 7 2 0 ，o 的漏极电流小于m 8 ，两个支路一一2 。a 的电流经过电流镜镜象，在m 1 5 处合成，转换成电压信号，m 1 5 的漏极电压上升，降低m 3 、m 4 一。 两个支路的电流，保证误差放大 器两端电压相同。本课题采用的 误差放大器由于使用了两级镜 f r e q ( h z ) 图2 5 误差放大器的频率特性 象，主极点在m 1 5 的漏端，c 2 是补偿电容，进行频率补偿，保证运放的相位裕度。图2 5 是误著放大器的频率特性，可以看山，该运放的增益为4 2 d b ，相位裕度为8 0 ，达到设计的 要求。 2 3 应急转换模块设计z ： 1 7 硎 瑚 姗v 瑚 瑚 第二章应急灯控制芯片的电路设计 国家标准针对消防应急灯具的应急转换时间、转换电压有严格的要求，需要应急灯具能 迅速而准确的进入应急状态。应急转换模块的电路结构如图2 6 。 图2 6 应急转换模块电路 市电经过转换对应于v r n ，选择适当的外部器件，止v i n 能随市电近似线形变化，对 于本文设计应急转换模块，设计的指标是：从正常状态进入应急状态，市电电压为1 5 0 v ， 对应的v i n 为6