基于CP2122B1的紅外照明補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)紅外發(fā)射二極管，實(shí)現(xiàn)的紅外照明補(bǔ)光系統(tǒng)。文中針對(duì)紅外發(fā)射二極管的特性，結(jié)合CP2122B1 的工作特點(diǎn)，詳細(xì)討論了CP2122B1 在紅外照明補(bǔ)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(bǔ)光。

一、紅外發(fā)射二極管的驅(qū)動(dòng)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(dòng)紅外攝像技術(shù)和主動(dòng)紅外攝像技術(shù)。所謂被動(dòng)紅外攝像技術(shù)是利用物質(zhì)在絕對(duì)零度 (-273oC)以上都會(huì)發(fā)射紅外光的特性，采用特殊的攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外線的捕捉與成像；主動(dòng)紅外成像技術(shù)，即采用紅外輻射“照明”，產(chǎn)生人眼看不見(jiàn)的紅外光，采用普通攝像機(jī)捕捉周圍環(huán)境反射回來(lái)的紅外光實(shí)現(xiàn)成像。采用被動(dòng)成像技術(shù)需要使用造價(jià)昂貴的特殊攝像機(jī)，而且被動(dòng)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(dòng)成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)夜間隱蔽拍攝，紅外照明補(bǔ)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(jī)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(zhǎng)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(jī)可感受的范圍。其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以完全無(wú)紅暴(采用940～950nm 波長(zhǎng)紅外管)或僅有微弱紅暴(紅暴為有可見(jiàn)紅光)，且壽命長(zhǎng)；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(guò)加熱燈絲來(lái)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(jiàn)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(shì)，其在紅外照明補(bǔ)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(shí)，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(guò)小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過(guò)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(guò)正向閾值電壓（約0.8V左右）電流開(kāi)始流動(dòng)，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流對(duì)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(huì)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)將在很大程度上決定其在紅外照明補(bǔ)光系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在其電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要控制流過(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射二極管。采用這樣的方式，在電源電壓穩(wěn)定時(shí)完全可以滿足要求。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于電網(wǎng)的波動(dòng)造成恒壓電源的電壓存在較大的波動(dòng)，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(guò)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(shí)，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(huì)造成紅外發(fā)射二極管燒毀。

電源電壓下降：流過(guò)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(huì)大大降低，無(wú)法滿足照明補(bǔ)光亮度的需求。

顯而易見(jiàn)，采用恒壓輸出的方式驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射二極管，在實(shí)際應(yīng)用中存在明顯不足，無(wú)法解決夜間照明補(bǔ)光系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電路的需求。因此，在紅外照明補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，需要滿足在一個(gè)較為寬泛的電壓輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)。

三、采用CP2122B1的紅外發(fā)射二極管的驅(qū)動(dòng)解決方案

對(duì)于紅外發(fā)射二極管來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓越過(guò)正向閾值電壓（約0.8V 左右）電流開(kāi)始流動(dòng)，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(huì)使其輻射功率下降。因此在紅外發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)的一顆高效率，大功率電感升壓型DC/DC 驅(qū)動(dòng)器，該芯片具有電流反饋功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)流過(guò)外部用電器電流的準(zhǔn)確控制，即恒流控制，其主要的那個(gè)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(kāi)關(guān)管最大驅(qū)動(dòng)能力900mA；

５內(nèi)置過(guò)流，過(guò)熱保護(hù)。

因此，CP2122B1 完全可以滿足紅外照明補(bǔ)光系統(tǒng)中電源設(shè)計(jì)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(dòng)40 顆紅外發(fā)射二極管的典型電路，當(dāng)然根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同，CP2122B1 可以驅(qū)動(dòng)更多或更少的紅外發(fā)射二極管。

（1）方案一：采用CP2122B1驅(qū)動(dòng)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(jì)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：正向?qū)妷?VFTypical = 1.7V @ IF = 60mA。


CP2122驅(qū)動(dòng)40個(gè)紅外LED燈(2串×20個(gè))

在以上方案中，采用R1 實(shí)現(xiàn)電流設(shè)置，用來(lái)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(guò)R1 的電流是120mA，此時(shí)，R1=300mV/120mA=2.5 歐姆。當(dāng)單個(gè)LED 燈的壓降是1.7V 時(shí)，則VOUT=1.7V×20＝34V。此時(shí)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(guò)D1 的電流須大于120mA，同時(shí)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(dòng)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(jì)，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(gè)電流設(shè)置電阻R1，用來(lái)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(guò)R1 的電流是240mA，此時(shí)，R1=300mV/240mA=1.25 歐姆。當(dāng)單個(gè)LED 燈的壓降是1.7V 時(shí)，則VOUT=1.7V×1017V。此時(shí)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(guò)D1 的電流須大于240mA，同時(shí)D1 的耐壓須大于17V；也需要合理的選擇電容CIN 和COUT。

四、實(shí)際應(yīng)用

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

方案一的整體驅(qū)動(dòng)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(duì)較高。因此在實(shí)際使用中，對(duì)于輸入電壓過(guò)低(VIN<8V)的情況下，轉(zhuǎn)換效率會(huì)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(dòng)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(duì)較低。因此在實(shí)際使用中，方案二適用于對(duì)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(shí)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。