利用白光LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)低成本高效的氙燈閃光燈驅(qū)動(dòng)

白光LED驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)功率受限的氙燈閃光燈以照亮拍攝現(xiàn)場(chǎng)提供了一種高性價(jià)比的選擇。本文描述氙燈的基本概念，并且詳述了一種基于安森美半導(dǎo)體公司NCP5007芯片的典型低功率、低成本閃光燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

圖1：(a)氙燈閃光燈擊穿電壓。 (b)基本的氙光閃光燈。

數(shù)碼照相機(jī)和配有照相功能的手機(jī)已經(jīng)從新產(chǎn)品變成了主流產(chǎn)品，這些產(chǎn)品內(nèi)部的數(shù)字影像傳感器以CCD或CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)。為了在光線不足的情況下仍能支持影像傳感器，閃光燈電路成了數(shù)碼照相機(jī)的必要解決方案，在照相手機(jī)中越來(lái)越常見(jiàn)。滿足閃光燈要求的主要光源是氙燈泡和現(xiàn)在新興的高亮度白光LED。

氙燈的主要優(yōu)點(diǎn)是閃光脈沖產(chǎn)生的大功率光輸出，而LED方案的優(yōu)點(diǎn)是尺寸相對(duì)小而薄，而且在視頻捕捉中可以導(dǎo)通更長(zhǎng)的時(shí)間，盡管其光輸出與氙燈相比只是中等。尤其氙燈提供的閃光脈沖非常短，能使照相機(jī)捕捉的照片拍成靜止的畫面。它們需要特殊的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生高壓和大儲(chǔ)能電容來(lái)儲(chǔ)存電能。

我們發(fā)現(xiàn)，白光LED驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)功率受限的氙燈閃光燈以照亮拍攝現(xiàn)場(chǎng)提供了一種高性價(jià)比的選擇。本文描述氙燈的基本概念，并且詳述了一種典型的低功率/低成本閃光燈應(yīng)用。

氙燈概念

氙燈有一個(gè)玻璃外殼，每端有一個(gè)電極，其中填充了低壓稀有氣體混合物。在穩(wěn)態(tài)中，如圖1所示，電極上的電壓值設(shè)為低于觸發(fā)電壓。在這點(diǎn)上無(wú)電流流過(guò)，而且系統(tǒng)保持穩(wěn)定，直至在第三個(gè)電極上施加觸發(fā)電壓。對(duì)于所考慮的低功率燈而言，這高壓脈沖處于1kV范圍內(nèi)，它來(lái)自帶小磁芯的變壓器，受到電容C2突然放電的觸發(fā)(見(jiàn)圖2)。

圖2：演示板原理框圖。

氣體混合物被激發(fā)時(shí)，等離子體產(chǎn)生閃光。對(duì)于消費(fèi)應(yīng)用而言，閃光的一般持續(xù)時(shí)間為2ms。根據(jù)相關(guān)的閃光燈類型，儲(chǔ)存在電容C1中的能量可以低至1焦耳(小型照相機(jī))，也可高達(dá)幾千焦耳(專業(yè)應(yīng)用)。閃光燈消耗的能量見(jiàn)公式1：

 

 

 

根據(jù)所使用的氙燈類型，電容充電電壓基本上為160V至600V。低功率手持照相機(jī)需要的能量不超過(guò)幾焦耳，而且輸出電壓范圍為160至250V。更高的電壓一般在專業(yè)攝影棚使用的設(shè)備中可以看到。

除直流電壓外，必須提供高壓脈沖來(lái)激發(fā)燈泡中的等離子，在兩端的電極之間產(chǎn)生高強(qiáng)度的弧光。脈沖幅度取決于系統(tǒng)中所使用的燈泡類型，幅度從較低的1.6kV到10kV以上。微型氙燈用施加到燈管第三個(gè)外部電極上的1.6kV/5μs脈沖觸發(fā)，這個(gè)脈沖由圖2所示的專用脈沖變壓器與高壓電容相連而產(chǎn)生。電容充電到閃光燈直流電壓(200V)，并在觸發(fā)按鈕S1后突然向脈沖變壓器的初級(jí)端放電。來(lái)自次級(jí)端的高壓施加到燈泡上(在外表面)，閃光燈被激發(fā)。

這個(gè)概念的主要優(yōu)點(diǎn)是光輸出較大，且脈沖持續(xù)時(shí)間很短，使快速拍攝的照片可把移動(dòng)的拍攝對(duì)象凝固在某個(gè)點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是儲(chǔ)能電容的尺寸大，需要板上出現(xiàn)較高電壓，而且拍攝期間電容需要重新充電(消費(fèi)應(yīng)用的充電時(shí)間為5至10秒)。

根據(jù)成像器的敏感性和透鏡的孔徑，在消費(fèi)應(yīng)用的一般環(huán)境中，相對(duì)小的電容足以拍得明亮的照片。因此，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器來(lái)將電池電壓提升到低壓氙燈所需的200V電壓。

 

圖3：初級(jí)和次級(jí)輸出電壓波形。

低功率閃光燈轉(zhuǎn)換器

 

　　本文介紹的低功率閃光燈轉(zhuǎn)換器以安森美的NCP5007芯片為基礎(chǔ)。該芯片原先是為驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的白光LED而開(kāi)發(fā)。在這種應(yīng)用上，主要的考慮因素是與最高28V硅擊穿有關(guān)的電壓限制。要克服這個(gè)挑戰(zhàn)，可使用一個(gè)外接晶體管，最低可保持250V，或使用初級(jí)與次級(jí)比為1:10的變壓器。

 

　　假設(shè)儲(chǔ)能電容為50μF，小型氙燈管的工作電壓為200V，閃光燈的能量則為：

 

 

 

 

 

此能量通過(guò)采用DC/DC變換器構(gòu)成的升壓轉(zhuǎn)換器從電池轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容。雖然NCP5007的結(jié)構(gòu)基于反激模式，但不能直接使用，因?yàn)樾酒ぷ饔诿}沖頻率模式(PFM)，時(shí)間參數(shù)是可變的Ton和恒定為300ns的Toff最大值。因此，如果使用傳統(tǒng)的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，次級(jí)電感在Toff時(shí)間內(nèi)不能完全放電，而且磁芯將快速飽和，在初級(jí)端產(chǎn)生非常小的電感和低能量轉(zhuǎn)移。

表1：氙光閃光燈演示板器件清單。

為了突破這種限制，有一種組合方法是結(jié)合反激和正向模式以提高輸出電壓能力。這組合通過(guò)封裝在橋型結(jié)構(gòu)中的四個(gè)二極管獲得，如圖3所示。組裝在SOT-23 封裝的兩個(gè)二極管在開(kāi)關(guān)周期中攜帶輸出電流。

在Ton時(shí)間中，變壓器T1的引腳12 為低，因此電池電壓出現(xiàn)在次級(jí)端引腳1上，這是正激工作模式(forward mode)。儲(chǔ)能電容由流過(guò)二極管D1的電流充電。Toff周期開(kāi)始后，初級(jí)電壓恢復(fù)，儲(chǔ)能電容由流過(guò)二極管D2的電流充電，這是反激工作模式。

這個(gè)概念由圖3的演示板演示，它由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的堿性AA干電池供電。系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)S1供電，轉(zhuǎn)換器由連接到啟動(dòng)引腳的開(kāi)關(guān)S2控制，第三個(gè)開(kāi)關(guān)S3是手動(dòng)觸發(fā)閃光燈的按鈕。

圖4中的波形顯示了儲(chǔ)能電容重新充電過(guò)程中的電壓。信號(hào)對(duì)應(yīng)于U1引腳4(上面曲線), D1引腳3(中間曲線)和D2引腳3(下面曲線)。當(dāng)U1開(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)，正激模式發(fā)生，開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)反激周期開(kāi)始。