LumiDock Flex：双色温主动散热台灯

LumiDock Flex 是我制作的第三款照明设备。也是我第一个台灯项目。之前做完便携式照明灯后，直接夹在悬臂上当台灯用了。既然如此，索性也算是对控制板迭个代，把上次的经验带过来，做个新的项目吧。我要一个低趴的台灯，在不遮挡屏幕的同时，帮助我照亮工作台，改善我焊接和调试硬件电路时的采光效果。

这次的台灯主要功能如下：

• 双色温独立无级调光
• 内置可充电电池
• 支持温控主动散热
• $ 4 \times 16 cm $ LED 板，最大 16 W 的输入功率
• 带有 $ \frac{1}{4} inch $ 的螺母，用于连接支架后作为台灯使用
• USB-C 5 ~ 12 V 电源输入，支持 PD、QC、DCP、PE 等快充协议
• USB-C 掉电自动关灯

这是 LumiDock Flex 和我的使用场景照片：

硬件电路

项目的硬件电路分为两片 PCB，一是 LED 灯板，二是控制板。他们之间通过 2.0 mm $2 \times 3 P$ 的排针排母硬连接。

LED 灯板

灯板就是个厚度 2.0 mm 的单面铝基板，跨线部分使用了 1206 尺寸的 $0 \Omega$ 电阻跨越。然后反贴了一个 2.0 mm 的排针。

LED 继续选用了 RA95 高色显的 0.5 W 白光 LED，我按个人偏好贴了 6500K 和 5000K 的。看着比我买的商品灯好很多，这也是我为啥要自己搓的原因。

LED 灯板是 $ 4 \times 16 cm $、2 mm 厚的铝基板。非常感谢捷配最近调整的免费打样政策，让我能白嫖三片 这种规格的 LED 灯板。实际上这个厚度可能没必要，这个项目备用方案是通过这个铝基板来提供一定的支撑作用，不过根据我的体验结果 1.6 mm 应该也是够了。2 mm 权当作是增加散热吧。

控制板

控制板是白嫖嘉立创的 4 层板，1.2 mm。这个厚度就是故意设计的了。

控制板中间有一个挖空底部的排母位，可以让 LED 灯板的排针以底部向上插入的方式连接到控制板。在四周的螺丝孔位，两片 PCB 之间有 4 个 1mm 厚的垫片进行支撑，让 USB-C 母座的固定脚的凸出部分悬空，使得两片 PCB 能相对平行地固定住。

控制板分为三个部分：

• LED 驱动电路
• 电源管理
• 主控

LED 驱动电路

LED 驱动芯片使用了 SY7203，30 V 的驱动电压能够驱动 8 串白光 LED。

LumiDock Flex 带有两路独立且完整的 LED 驱动电路，主要包含了驱动芯片、二极管和电感器组成了异步升压横流驱动电路。电路按照数据手册的推荐应用设计的，经过迭代，三个主要元件发热量目前在单路 8 串 166.7 mA （约 4 W）的负载，双路全部启用，环境 30 °C 的条件下自然散热，大概稳定在 55 °C 的温度。配合驱动电路底部的导热硅胶垫和上方主动散热的风道，实际温度表现控制在 46 ° C 左右。

反馈电阻使用 1% 精度、25 ppm 的 0402 贴片电阻，阻值为 $1.2 \Omega$，发热偏大，但还是在正常的工作温度内。

2024-11-29。为了确认下设计的满载功率，我将反馈电阻调整到原定的 $0.6 \Omega$，LED 灯板每路先八串后两并，共两路。根据满载功率 19.2 W - 关灯功率 0.4 W 计算，LED 灯驱动满载总功率约 18.8 W，符合设计要求。驱动电路温度在主动散热工作时也来到 54 ° C 左右，之后受到温控策略限制，降低了亮度，温度保持在 52.7 ° C 左右。反馈电阻温度有明显降低，没有看到高温的情况。

电源管理

使用了 SGM41511 作为 PMIC。主要是他支持 12 V 电压输入，充放电都支持 DC-DC 同步升降压。这款芯片功能挺强大的，淘宝购买价格也低。

虽然这款芯片带有电源路径管理，但是由于不提供 VBUS 直通，而支持 VBUS　直通的芯片想买到又很贵，所以这里使用了一颗 TPS2121 来控制电源路径。通过 TPS2121，现在就能实现 12 V 的 VBUS 电源直接进入 LED 升压驱动电路，相比 5 V 或者 4.2 V 的输入电压，极大程度降低了驱动电路的发热量。作为台灯来说，正常情况下都是通过 USB PD 协议，供着 12 V 的电压，发热量的降低也能减少主动散热带来的噪音问题。

USB 受电芯片选择了 HUSB238 。这里没有使用 MCU 来处理，主要是因为希望兼容非 USB-C 的快充协议，另外也是不想增加开发难度和成本。

主控电路

主控使用的是 STM32G031G8U6。G071 比 G031 多了 USB PD PHY，价格贵了 3 元至少，所以 USB PD 靠独立芯片来实现更划算，HUB238 不到两元嘞！

STM32G031G8U6 外设充足，ADC 精度不错，在这个项目中使用非常合适。

STM32G031G8U6 内部有温度传感器，主要的温控逻辑的温度来源由这个内部的温度传感器读取。与此同时，我还是在芯片外部增加了一个 I2C 控制的数字温度传感器 GX21M15。目前用于作为独立的温度保护器使用，温度达到设定的关断温度时，将发出低电平信号。LED 驱动电路是高电平使能，通过将关断信号与 LED 的 PWM 控制信号相与，实现了过温停机保护的功能。

目前的遗憾是没有增加远端的温度采集，目前的温度采集都是在控制板上，主要是保护控制板不要过热。根据开发过程中的测试和最近几天成品的使用，LED 灯板温度一直都比驱动板低一些。并且两板通过导热垫传递温度，到是不太可能出现问题。

目前满功率使用，温度还没超过 50 °C，温控策略是 40 °C 开始主动散热，50 °C 开始降低亮度，60 °C 降至无权关灯。如果温度还是下不去，GX21M15 会强制将亮度降到 0，避免 MCU 未按预期工作。在这个策略下，电池温度基本上没可能超过 60 °C，正常是不会超过 50 °C，目前使用外部电源，满载时电池区域温度不超过 40 °C，电池应该是安全的。

软件设计

MCU 程序使用 embassy-stm32 作为 HAL。Rust 万岁！

Git Repo：https://github.com/IvanLi-CN/LumiDock-Flex

程序设计的比较简单，逻辑都放在了 main.rs 中，其他芯片的驱动都放在了单独的 crate 中。项目里没有啥花里胡哨的东西，目前没有为低功耗做优化，毕竟是个台灯，所以这事没啥优先级，绝对不是因为我没写过想要偷懒拖拖拉拉只挖坑不填坑……

外壳

外壳使用 FreeCAD 进行建模，工程文件和打印的模型也在 Git Repo 中。

目前外壳中框部分我个人觉得搞得有点厚，本来设计 6 mm 的厚度一是为了包容 $ \frac{1}{4} inch $ 的螺母 5mm 的长度，统一厚度好看也好设计，二是为了让外壳不那么透光。结果捏，光固化树脂打印，比我想象得还容易透光。不过倒不至于影响我看显示屏，就是开灯后没那么好看。

螺母倒是好嵌，烙铁开 100 °C 捅就行了，我捅的时候觉得我预留的孔尺寸还行，后面上螺丝时发现有部分螺母会与模型打滑，后面滴了胶水解决了。

外壳是在三维猴打印的，三个部分花了 50 元出头，运费另加 5 元。本来以为这个最贵的 LED 灯珠，还是比不过外壳的价格。我也看了下 CNC，看完就默默下单 3D 打印了……如果再做长一些的灯，估计成本要招架不住了。

外壳现在有一个弱点，滑动顶盖的卡扣强度有点不好，由于卡扣有锁紧效果，现在锁得比较紧，可能应力有点大，导致有个卡扣不知道什么时候断在里面了，目前卡扣剩下 7 个了，够用就够用，就是有点膈应 😖。卡扣部分应该再弄松 0.5 ~ 1 mm。

已知问题

满载情况下，散热能力跟不上，会导致亮度略有降低。不过 LED 已经是满功率工作了，原则上应该降低额定的工作电流，一来延长 LED 的寿命，二来降低发热。但是为了将 233 mA 作为类似 boost 模式使用，或许可以考虑更换更大封装二极管，以及使用小感值的电感来减轻发热。目前使用的 10 uH 电感可能有点大，或许应该该用 6.8 uH 或者 4.7 uH 的同封装电感。不过满载情况下真的亮得有点刺眼了，只做为桌面台灯没必要那么亮。

风扇起转时噪音明显。因为是对风扇电源进行 PWM 占空比调节转速，起转时占空比低，转速稳定前会有噪音。这个噪音比正常工作时大一些，但我个人能接受。

结语

个人觉得，LumiDock Flex 算是个能够分享出来并正常使用的项目，后续等我想做的项目都做完了，再回头优化一下软件部分。硬件部分目前还行，如果有时间的话再小小地优化调整一下，模型卡扣部分大概是需要优化一下，加固并弄松点。