使用超級(jí)電容驅(qū)動(dòng)白光LED相機(jī)閃光燈(圖)

目前，很多相機(jī)閃光燈使用大功率白光LED，為了達(dá)到足夠的亮度，這些白光LED需要高達(dá)2A的驅(qū)動(dòng)電流，這就要求電池必須能提供3.5A的電流達(dá)到100ms。傳統(tǒng)的解決方法是采用電流控制模式升壓轉(zhuǎn)換器為LED提供2A的驅(qū)動(dòng)電流和正向電壓（一般是4.2V，最大可達(dá)到5.1V）。假定電池電壓是    3.5V，效率85%，那么，電池的電流則等于：2A×5.15V/3.5V/85%=3.4A。而目前手機(jī)電池能提供的電流大約    0.8mA～1A,因此，拍照手機(jī)要想使用LED閃光燈，首先得解決閃光燈的驅(qū)動(dòng)問題。

CAP-XX公司（www.cap-xx.com）采用超級(jí)電容器技術(shù)從而使得拍照手機(jī)可以使用大功率LED。這些超級(jí)電容器結(jié)合了高容量（1F或更大）和低ESR(<100mΩ)特性，可以提供LED需要的瞬間脈沖功率(11W)，并同時(shí)保護(hù)電池端，不致于釋放過高的功率。這些器件外型小巧，適合應(yīng)用于空間有限的便攜產(chǎn)品，如可拍照手機(jī)等。CAP-XX應(yīng)用工程師提供了兩套方案,可讓拍照手機(jī)設(shè)計(jì)工程師加速電路設(shè)計(jì)。其一是利用升降壓電路輸出至超級(jí)電容器；另一結(jié)構(gòu)是超級(jí)電容器與電池串接。

超級(jí)電容器位于升降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端（方案1）
圖1是該方案的方框圖，圖2是電路圖。該電路的優(yōu)勢(shì)是超級(jí)電容器也可以用于其他如GPRS發(fā)射等高脈沖功率應(yīng)用中。有兩種工作模式：一種是Flash模式，升降壓轉(zhuǎn)換器給超級(jí)電容器充電至大約5.5V；另一種方式是Torch模式，超級(jí)電容器充電到GPRS需要的最適合的電壓（一般情況下是3.6～ 3.8V），給LED提供較低的連續(xù)的驅(qū)動(dòng)電流，一般為200mA。

圖1 結(jié)構(gòu)上，升降壓穩(wěn)壓器給電容充電，而場(chǎng)效應(yīng)管起放大觸發(fā)功能

如圖2所示，F(xiàn)lash模式中通過控制與64kΩ電阻串聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管來選擇升降壓輸出電壓是到Flash模式還是Torch模式，這可以改變LTC3442反饋輸入端的電阻分壓器比值。該場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)是Flash模式，關(guān)斷時(shí)是Torch模式。類似地，在選擇LED閃光燈的電流時(shí)，也通過控制與856Ω電阻串連的場(chǎng)效應(yīng)管來改變ST1851運(yùn)算放大器+ve輸入端的參考電壓的電阻分壓器的比值來實(shí)現(xiàn)。

升降壓轉(zhuǎn)換器必須具有限流功能，以便限制給超級(jí)電容器的充電電流過高或負(fù)載電流過大。下面是對(duì)這兩種方式的具體介紹。

在升壓轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)功率首次使用后，從電感和功率二極管到輸出端就會(huì)存在一個(gè)低阻抗通路。由于低ESR值和高容量，上電時(shí)輸出端的超級(jí)電容器看起來就像一個(gè)短路。舉例來說，假定電池阻抗是120mΩ，電池電壓是3.6V，功率二極管上的正向壓降是0.2V，電感的電阻是10mΩ，超級(jí)電容器的ESR值是40mΩ，在上電的瞬間，浪涌電流就是：(3.6V-0.2V)/170mΩ=20A，對(duì)于圖2中的1.5F超級(jí)電容器，浪涌電流在255ms后仍將達(dá)到7A。LTC3442采用current mirror來感知輸入電感的電流，當(dāng)超過限定電流值時(shí)，關(guān)斷Vin和電感之間的場(chǎng)效應(yīng)管，這也是為什么選擇使用LTC3442。通過設(shè)置RLIM=63kΩ來限定電池的平均電流為1A。

帶負(fù)載時(shí)的額外電池電流
升壓轉(zhuǎn)換器和超級(jí)電容器共同為負(fù)載提供電流，它們之間的比值是：升壓轉(zhuǎn)換器輸出電流/超級(jí)電容器電流=超級(jí)電容器ESR/升壓轉(zhuǎn)換器阻抗。為了避免過分依賴超級(jí)電容器ESR和升壓轉(zhuǎn)換器阻抗的比值來限制電池電流，安全的做法是限制升壓轉(zhuǎn)換器的電流，因?yàn)楫?dāng)升壓轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗低時(shí)會(huì)導(dǎo)致額外的電池電流。

圖2 方案1的電路圖，從圖中可見，無源元件的選值對(duì)電路性能很重要

在Torch模式下，通過與RF PA PWR并聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管，超級(jí)電容器可以支持電池給GPRS模塊以及其他大功耗電路供電，如圖1所示。電池提供平均電流，超級(jí)電容器提供峰值電流，這樣，在發(fā)射及通話過程中GPRS模塊的供電電源就可以大大降低壓降。

在Flash模式下，升壓轉(zhuǎn)換器需要選擇電流限制值，以保證電池的最大電流在規(guī)定的范圍內(nèi)，而超級(jí)電容器則從Torch模式的電壓（在圖1、2中是3.6V）充電到5.5V。在Flash模式下，超級(jí)電容器從5V充電到5.5V所需要的時(shí)間少于LED的熱恢復(fù)時(shí)間。如圖2所示，LTC3442的最小輸入電流限定值為1A，典型輸入電流為2A，那么，給1.5F的超級(jí)電容器從3.6V充電到5.5V，且充電電流為1A，則所需時(shí)間為1.5F× (5.5V-3.6V)/1A=2.8s（或1.4s，充電電流為2A）。在Flash模式下，在閃光之間給超級(jí)電容器充電所需的最大時(shí)間為1.5F×(5.5V-5.0V)/1A=0.75s。一個(gè)典型的LED閃光燈在閃光之間的熱恢復(fù)時(shí)間是2.5s。閃光脈沖的持續(xù)時(shí)間是由LED閃光燈的熱恢復(fù)特性決定的，對(duì)于LED，在2A電流下，最大閃光脈沖持續(xù)時(shí)間是100ms。

在Flash模式下，超級(jí)電容器充電到5.5V，RF PA PWR場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷以避免過壓損壞GPRS模塊或其他大電流功耗電路。因此，采用這種結(jié)構(gòu)，在使用閃光燈時(shí)，手機(jī)不可能再與網(wǎng)絡(luò)連接。但是，一般情況下，人們?cè)谂恼掌瑫r(shí)，不會(huì)同時(shí)接聽電話，因此，這并不算個(gè)問題。

當(dāng)手機(jī)從Flash模式切換到Torch模式時(shí)，超級(jí)電容器可以從5.5V快速放電到Torch模式電壓（在圖1中是3.6V），給LED閃光燈供電（在圖1、2中，從超級(jí)電容器獲得200mA電流）。一旦超級(jí)電容器放電到規(guī)定的電壓，圖1中的RF PA PWR場(chǎng)效應(yīng)管將導(dǎo)通。注意，一個(gè)最大額定電壓5.5V的CAP-XX超級(jí)電容器由兩個(gè)單元串連而成。

圖3 升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)超級(jí)電容器充電過程

超級(jí)電容的C值與ESR值可以按照如下方法選擇(參考圖2）：
● 設(shè)定閃光脈沖結(jié)束時(shí)的超級(jí)電容器的最終電壓。根據(jù)Luxeon Flash LXCL-PWF1的技術(shù)手冊(cè)可知，2A時(shí)，其典型正向電壓是4.2V，ZXM64N02X FET的RDSON=50mΩ，感應(yīng)電阻為  47mΩ，因此，輸出電流是2A時(shí)，通過電路的壓降大約為200mV，所以，超級(jí)電容器的電壓最少為5V，該電路對(duì)所有正向電壓為4.8V的LED都適用。
● 設(shè)定超級(jí)電容器的充電電壓（升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓）。額定電壓為4.5V的CAP-XX超級(jí)電容器允許的最大電壓是5V，但是，這是閃光脈沖結(jié)束時(shí)的最小電壓，由于在Flash模式下，超級(jí)電容器僅工作在升壓轉(zhuǎn)換器電壓下，因此，設(shè)定升降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓為    5.25V。這樣做并不會(huì)明顯影響超級(jí)電容器的使用壽命。拍照手機(jī)的邏輯電路應(yīng)該有休息時(shí)間，用戶不能讓它一直工作在Flash模式。
● 設(shè)定超級(jí)電容器的C值與ESR值。LED閃光燈閃光脈沖期間的壓降包括IR壓降+超級(jí)電容器的放電壓降。在圖1的例子中，IR=(2A-1A)×40mΩ=40mV，超級(jí)電容器放電到5.0V時(shí)壓降為5.25V-5.0V-40mV=210mV。根據(jù)I=CdV/dt,此處I為常數(shù)，因此，可得C=(2A-1A)×100ms/210mV =    0.48F?？梢?，在圖1中我們選擇的CAP-XX GS216超級(jí)電容器有充足的余量。

圖4 升壓穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是不能用于RF部分供電，觸發(fā)電路保持不變

超級(jí)電容器與電池串聯(lián)（方案2）
圖3所示為方案2的方框圖，圖4為方案2的電路圖，圖5是測(cè)試波形。在該方案中，超級(jí)電容器與電池串聯(lián)。2A電流下，LED閃光燈獲得10W的功率，但是，電池電流=LED閃光燈電流，因此，電池的功率比LED閃光燈需要的功率小得多。如果電池電壓為3.5V，LED閃光燈電流為2A，則功率僅為7W，超級(jí)電容器提供了另外的3W，而文章開頭給出的例子中，電池需向2A LED閃光燈提供高達(dá)12.25W的功率。
在Flash模式下，啟動(dòng)升壓轉(zhuǎn)換器，超級(jí)電容器充電到大約5.5V，超級(jí)電容器的負(fù)極端接電池電壓（3.3V～4.2V）。設(shè)計(jì)者就可以采用比方案１中更薄的超級(jí)電容器。在方案１中，升壓轉(zhuǎn)換器采用了限流，以便超級(jí)電容器在合理的時(shí)間內(nèi)充電到5.5V,而在Flash模式下，超級(jí)電容器從5V充電到5.5V所用的時(shí)間少于LED閃光燈閃光之間所需的剩余時(shí)間。

同方案１不同的是，因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器的工作電壓就是輸入電壓，因此，在上電瞬間不存在浪涌電流問題。我們選擇Zetex ZXSC100作為升壓控制IC，主要考慮它在設(shè)定最大電流時(shí)具有低成本和高精確性。ZXSC100的internal reference為25mV，用于Isense輸入，所以，47mΩ電流感應(yīng)電阻設(shè)定電流為  0.5A。如果電池電壓為3.5V，則給圖4中的CAP-XX GW118超級(jí)電容器充電所需時(shí)間為1.2F×(5.5V-3.5V)/0.5A =4.8s，充電到5.5V時(shí)，超級(jí)電容器需要1.2F×(5.5V-5.0V)/0.5A=1.2s的時(shí)間完成閃爍之間的放電，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)小于LED閃光燈要求的熱恢復(fù)時(shí)間，在閃光脈沖期間，升壓轉(zhuǎn)換器被關(guān)閉。

超級(jí)電容器的C值和ESR值可參照如下方法選擇：
● 閃光脈沖結(jié)束時(shí)超級(jí)電容器的最終電壓為5V，同方案1一樣。
● 設(shè)定超級(jí)電容器的充電電壓（升壓輸出電壓）。單個(gè)CAP-XX超級(jí)電容器單元的工作電壓是2.3V，如果能使LED閃光燈工作的電池的最小電壓為 3.3V，那么，升壓輸出電壓就是：3.3V +2.3V=5.6V。
● 現(xiàn)在，設(shè)定超級(jí)電容器的C值和ESR值。LED閃光脈沖前期的IR壓降為ILED×（ESR+電池阻抗），從圖4可以計(jì)算出為2A×(30mΩ+125mΩ)=310mV，則超級(jí)電容器還需要放電5.6V -5.0V-310mV=290mV，以達(dá)到最終5.0V電壓，這決定了C=2A×100ms/290mV=0.69F。所以，在電池阻抗為125mΩ、ESR值為30mΩ時(shí)，超級(jí)電容器的C值必須大于0.69F，以保證在閃光脈沖結(jié)束時(shí)電壓為5.0V，CAP-XX GW118顯然有很大余量。

圖5 測(cè)試波形表明閃光期間的大電流并沒有對(duì)電池電壓有太多影響

圖5所示為圖4電路的電壓和電流波形，我們用GW101(600mF,80mΩ)替換了CAP-XX GW118，讓升壓轉(zhuǎn)換器在閃光脈沖期間保持打開狀態(tài)。電池除了提供LED閃光燈所需的2A電流，還提供超級(jí)電容器的充電電流200mA,總共是2.2A。LED在每個(gè)閃光脈沖時(shí)獲取10W功率：電池提供7.7W,剩下的由超級(jí)電容器提供。

圖6所示為不同的供電方案下的電池電流的對(duì)比。沒有超級(jí)電容器的方案中由升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端的電池為LED供電，從圖中可以看出，其典型電池電流和最大電池電流與LED的正向電壓范圍相關(guān)。方案1中，電池電流是恒定不變的，其大小由升降壓轉(zhuǎn)換器的輸入限定電流決定；方案2中，電池電流等于LED的電流，但LED的功耗遠(yuǎn)大于電池功率，由超級(jí)電容器提供額外的功率。