基于CP2122B1的紅外照明補光系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

本文介紹了采用低成本、高效率的升壓型電源管理芯片CP2122B1 驅(qū)動紅外發(fā)射二極管，實現(xiàn)的紅外照明補光系統(tǒng)。文中針對紅外發(fā)射二極管的特性，結(jié)合CP2122B1 的工作特點，詳細(xì)討論了CP2122B1 在紅外照明補光系統(tǒng)中的應(yīng)用，并給出了多種典型應(yīng)用方案。該方案可廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)控系統(tǒng)，為其提供高效、穩(wěn)定的夜間紅外補光。

一、紅外發(fā)射二極管的驅(qū)動需求

在隱蔽夜視監(jiān)控系統(tǒng)中，目前大多采用紅外攝像技術(shù)。紅外攝像技術(shù)可分為被動紅外攝像技術(shù)和主動紅外攝像技術(shù)。所謂被動紅外攝像技術(shù)是利用物質(zhì)在絕對零度 (-273oC)以上都會發(fā)射紅外光的特性，采用特殊的攝像機可實現(xiàn)對紅外線的捕捉與成像；主動紅外成像技術(shù)，即采用紅外輻射“照明”，產(chǎn)生人眼看不見的紅外光，采用普通攝像機捕捉周圍環(huán)境反射回來的紅外光實現(xiàn)成像。采用被動成像技術(shù)需要使用造價昂貴的特殊攝像機，而且被動成像技術(shù)不能完整的反映周圍環(huán)境狀況，因此在夜視系統(tǒng)中大多采用主動成像技術(shù)實現(xiàn)夜間隱蔽拍攝，紅外照明補光系統(tǒng)的可靠性將很大程度上影響監(jiān)控系統(tǒng)在夜間工作的效果。

紅外燈按其紅外光輻射機理分為半導(dǎo)體固體發(fā)光(紅外發(fā)射二極管)紅外燈和熱輻射紅外燈兩種。紅外發(fā)射二極管由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵GaAs) 制成PN 結(jié)，外加正向偏壓向PN 結(jié)注入電流激發(fā)紅外光，光譜功率分布為中心波長830 -- 950nm，半峰帶寬約40nm 左右，它是窄帶分布，為普通CCD 黑白攝像機可感受的范圍。其最大的優(yōu)點是可以完全無紅暴(采用940～950nm 波長紅外管)或僅有微弱紅暴(紅暴為有可見紅光)，且壽命長；熱輻射紅外燈是利用物體的熱輻射效應(yīng)，在熱輻射光源中通過加熱燈絲來維持它的溫度，供輻射繼續(xù)不斷的進(jìn)行，其最大不足之處是包含可見光成份，即有紅暴，且使用壽命短。由于紅外發(fā)射二極管的以上優(yōu)勢，其在紅外照明補光系統(tǒng)中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

紅外發(fā)光二極管的紅外輻射功率與正向工作電流成正比，但在接近正向電流的最大額定值時，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過大將影響其壽命，甚至使紅外二極管燒毀。紅外發(fā)光二極管的伏安特性與普通硅二極管極為相似。當(dāng)電壓越過正向閾值電壓（約0.8V左右）電流開始流動，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流對工作電壓十分敏感。因此要求工作電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。紅外發(fā)光二極管輻射功率隨環(huán)境溫度的升高（包括其本身的發(fā)熱所產(chǎn)生的環(huán)境溫度升高）會使其輻射功率下降。由于紅外發(fā)光二極管的以上特性，其驅(qū)動電路的設(shè)計將在很大程度上決定其在紅外照明補光系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。簡單來說，在其電源系統(tǒng)的設(shè)計中要控制流過紅外發(fā)射二極管的電流，使其即兼顧亮度和效率。

二、傳統(tǒng)的解決方案

傳統(tǒng)的解決方案中采用恒壓源來驅(qū)動紅外發(fā)射二極管。采用這樣的方式，在電源電壓穩(wěn)定時完全可以滿足要求。然而在實際應(yīng)用中，由于電網(wǎng)的波動造成恒壓電源的電壓存在較大的波動，進(jìn)而造成系統(tǒng)不能正常工作，表現(xiàn)如下：

電源電壓上升：流過紅外發(fā)射二極管的電流增大，當(dāng)電流升到接近正向電流的最大額定值時，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。如果電流持續(xù)上升，會造成紅外發(fā)射二極管燒毀。

電源電壓下降：流過紅外發(fā)射二極管的電流減小。由于紅外發(fā)光二極管的紅外輻射功率與正向工作電流成正比，因此其亮度會大大降低，無法滿足照明補光亮度的需求。

顯而易見，采用恒壓輸出的方式驅(qū)動紅外發(fā)射二極管，在實際應(yīng)用中存在明顯不足，無法解決夜間照明補光系統(tǒng)中驅(qū)動電路的需求。因此，在紅外照明補光驅(qū)動電路設(shè)計中，需要滿足在一個較為寬泛的電壓輸入范圍內(nèi)實現(xiàn)恒流驅(qū)動。

三、采用CP2122B1的紅外發(fā)射二極管的驅(qū)動解決方案

對于紅外發(fā)射二極管來說，當(dāng)電壓越過正向閾值電壓（約0.8V 左右）電流開始流動，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流要求十分敏感。因此要求工作電流準(zhǔn)確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。輻射功率隨環(huán)境溫度的升高(包括其本身的發(fā)熱所產(chǎn)生的環(huán)境溫度升高)會使其輻射功率下降。因此在紅外發(fā)光二極管的驅(qū)動電路中，電流與電壓的控制是特別需要注意的。

CP2122B1 是啟攀微電子開發(fā)的一顆高效率，大功率電感升壓型DC/DC 驅(qū)動器，該芯片具有電流反饋功能，可實現(xiàn)對流過外部用電器電流的準(zhǔn)確控制，即恒流控制，其主要的那個指標(biāo)如下：

１工作電壓范圍: 2.7-5.5V；

２效率可高達(dá)88%；

３ 300mV 反饋電壓；

４開關(guān)管最大驅(qū)動能力900mA；

５內(nèi)置過流，過熱保護(hù)。

因此，CP2122B1 完全可以滿足紅外照明補光系統(tǒng)中電源設(shè)計的要求。結(jié)合紅外發(fā)射二極管和CP2122B1 的特性，下面給出兩種采用CP2122B1 驅(qū)動40 顆紅外發(fā)射二極管的典型電路，當(dāng)然根據(jù)實際應(yīng)用的不同，CP2122B1 可以驅(qū)動更多或更少的紅外發(fā)射二極管。

（1）方案一：采用CP2122B1驅(qū)動2串x20顆

本方案根據(jù)日新科技的紅外發(fā)光二極管EDIR9405B1 進(jìn)行設(shè)計，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：正向?qū)妷?VFTypical = 1.7V @ IF = 60mA。


CP2122驅(qū)動40個紅外LED燈(2串×20個)

在以上方案中，采用R1 實現(xiàn)電流設(shè)置，用來設(shè)置2 串紅外LED 燈并聯(lián)后的總電流IR，R1=Vfb/IR。其中，F(xiàn)B 端的電壓Vfb=300mV。

比如，欲使單路LED 燈的電流是60mA，則通過R1 的電流是120mA，此時，R1=300mV/120mA=2.5 歐姆。當(dāng)單個LED 燈的壓降是1.7V 時，則VOUT=1.7V×20＝34V。此時需注意穩(wěn)壓二極管D1 的參數(shù)選擇，須滿足負(fù)載的最低要求，即通過D1 的電流須大于120mA，同時D1 的耐壓須大于34V；也需要合理的選擇電容CIN 和COUT。

（2）方案二：采用CP2122B1驅(qū)動4串x10顆

本方案根據(jù)日新科技的紅外發(fā)光二極管EDIR9405B1 進(jìn)行設(shè)計，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：正向?qū)妷?VFTypical = 1.7V @ IF = 60mA。


在該方案中，采用一個電流設(shè)置電阻R1，用來設(shè)置4 串紅外LED 燈并聯(lián)后的總電流IR，R1=Vfb/IR。其中，F(xiàn)B 端的電壓Vfb=300mV。

比如，欲使單路LED 燈的電流是60mA，則通過R1 的電流是240mA，此時，R1=300mV/240mA=1.25 歐姆。當(dāng)單個LED 燈的壓降是1.7V 時，則VOUT=1.7V×1017V。此時需注意穩(wěn)壓二極管D1 的參數(shù)選擇，須滿足負(fù)載的最低要求，即通過D1 的電流須大于240mA，同時D1 的耐壓須大于17V；也需要合理的選擇電容CIN 和COUT。

四、實際應(yīng)用

以上兩種方案均在實際應(yīng)用中的到驗證，以上給出的方案可以準(zhǔn)確的控制流過LED的電流，使紅外LED 保持正常持續(xù)放光。綜合比較兩個方案，其技術(shù)特點如下：

方案一的整體驅(qū)動電流較小，損失在反饋電阻上的熱功耗較小。但是其需要的工作電壓也相對較高。因此在實際使用中，對于輸入電壓過低(VIN<8V)的情況下，轉(zhuǎn)換效率會有所降低(70%左右)，但是其可以工作在更高的輸入電壓下。

方案二的整體驅(qū)動電流較大，損失在反饋電阻上的熱功耗較大，但是其需要的工作電壓也相對較低。因此在實際使用中，方案二適用于對于輸入電壓比較低的情況下。

另外，由于不同廠家的紅外發(fā)射二極管的技術(shù)指標(biāo)有所差異，因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)所選用的紅外LED 的特性進(jìn)行單串LED 數(shù)量的增減和R1 阻值的調(diào)整。