用于蜂窩電話／照相機閃光照明的簡單電路

　　概述

　　下一代蜂窩電話將具有高品質(zhì)的照相功能。隨著改良的圖像傳感器和光學(xué)配件即將投放市場，人們漸漸地將注意力投向高質(zhì)量的“閃光”照明。閃光照明是取得優(yōu)質(zhì)照相性能的關(guān)鍵因素，因此需要重點和仔細(xì)地加以考慮。

　　閃光照明解決方案

　　目前，閃光照明有兩種主要的解決方案 —— LED (發(fā)光二極管) 和閃光燈。LED的優(yōu)勢在于有持續(xù)工作能力和低密度支持電路。而閃光燈重要的特點在于能實現(xiàn)高質(zhì)量攝影。它的線型源光線輸出亮度是LED點源輸出的幾百倍，能在廣泛的區(qū)域里輕松地擴散密集的光線。此外，閃光燈的色溫在5500oK到6000oK之間，十分接近自然光線，免去白光LED的藍(lán)光峰值輸出所必需的糾色過程。

　　閃光燈基礎(chǔ)

　　閃光燈的柱形玻璃管充滿了氙氣，陽極和陰極電極直接接觸氣體；而分布在閃光燈外表面的觸發(fā)電極不接觸氣體。氣體擊穿的潛在可能范圍是幾千伏特，一旦發(fā)生擊穿，閃光燈阻抗降到≤1Ω。氣體擊穿時的高電流會產(chǎn)生強烈的可見光。事實上，所需的大電流要求閃光燈發(fā)光前處于低阻抗?fàn)顟B(tài)下。觸發(fā)電極負(fù)責(zé)實現(xiàn)這個功能，它在玻璃管中傳輸高電壓脈沖，在燈管內(nèi)電離氙氣。電離過程擊穿了氣體，使之處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。低阻抗使大量電流能在陽極和陰極間通過，并產(chǎn)生強烈的光線。所含能量極高，以至于電流和輸出光要限制在脈沖操作范圍。持續(xù)地操作會快速產(chǎn)生極端溫度，甚至破壞閃光燈。當(dāng)電流脈沖衰減時，閃光燈電壓降到一個低點且閃光燈回復(fù)至其高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而需要另一個觸發(fā)來啟動傳導(dǎo)。

　　支持電路

　　圖1是閃光燈運作支持電路的工作原理圖。閃光燈由一個觸發(fā)電路和產(chǎn)生高瞬變電流的存儲電容器來運作。閃光電容器在工作中的典型電壓是300V。起初，電容器并不能放電，因為閃光燈處于高阻抗?fàn)顟B(tài)下。觸發(fā)電路指令能在閃光燈內(nèi)產(chǎn)生數(shù)千伏的觸發(fā)脈沖。閃光燈被擊穿后，電容器可以進行放電1。電容器、連線和燈的阻抗通?？偣仓挥袔讱W姆，產(chǎn)生的瞬間電流范圍在100A以內(nèi)。強大的電流脈沖會產(chǎn)生強烈的閃光。而閃光重復(fù)率的最主要限制在于閃光燈能否安全地釋放熱量，其次是充電電路使閃光電容器完全充電所需的時間。充電至高電壓的大電容器與充電電路的有限輸出阻抗一起，能限制充電的速度。根據(jù)提供的輸入功率、電容值和充電電路特征將充電時間限制在1到5秒之間。

　　該圖顯示了收到觸發(fā)命令后電容器的放電過程。有時要求選擇部分放電，從而產(chǎn)生不太強烈的閃光。這樣運作可以減少“紅眼” ，即一個或多個減弱強度的閃光會立刻領(lǐng)先于主要的閃光2。圖2就是這種操作模式。它在圖1的基礎(chǔ)上添加了一個驅(qū)動器和一個大電流開關(guān)。這些組件能通過打開閃光燈傳導(dǎo)路徑來停止閃光電容器放電。這樣的布局使“觸發(fā)/閃光命令” 控制線脈沖寬度來設(shè)置電流流動時間和閃光能量。低能量、電容器部分放電能允許快速再充電，能在不損傷閃光燈的情況下立刻在主閃光之前數(shù)次快速連續(xù)地以低亮度閃光。

　
閃光電容器充電電路的考慮

　閃光電容器充電器 (圖3) 基本上是一個變壓器耦合了有特殊功能的升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)“充電”控制線變高時，調(diào)節(jié)器對電源開關(guān)進行定時，使升壓變壓器T1產(chǎn)生高電壓脈沖。這些脈沖經(jīng)過整流和濾波，產(chǎn)生出300V的直流輸出電壓。轉(zhuǎn)換效率大約是80%。當(dāng)達(dá)到所需電壓時，電路會通過停止驅(qū)動電源開關(guān)進行調(diào)節(jié)。它也能拉低“DONE”線，以顯示電容器滿刻度充電。所有電容器的漏電損耗能通過間隔的電源開關(guān)循環(huán)得以補償。通常，通過輸出電壓的電阻分壓提供反饋。由于這種方法需要額外的開關(guān)循環(huán)以抵消反饋電阻器的恒定功率泄漏，所以一般不被采用。這種方式能維持調(diào)節(jié)，而它將額外地泄漏來自主電源的功率（可假定為一個電池）。相反，通過監(jiān)控T1的回掃脈沖特性來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，它反映了T1的次級振幅。輸出電壓通過T1的匝數(shù)比進行設(shè)置。這個功能允許獲得準(zhǔn)確的電容器電壓調(diào)節(jié)，這是在不超過燈能量或電容器額定電壓的情況下確保閃光強度的必要條件。同樣，無須改變其它電路，只要通過電容值就能輕松設(shè)定閃光燈能量。

　　詳細(xì)電路探討

　　在深入探討之前，讀者必須認(rèn)識到在建構(gòu)、測試和采用這種電路時要十分小心。高電壓和致命的危險因素潛伏在這種電路中。所以在使用和連接電路時要特別的小心。重申：該電路包含危險性和高壓隱患，一定要多加小心。

　
　　圖4是基于前文討論的完整閃光燈電路。顯示在左上角的電容器充電電路與圖3類似。添加了一個D2，安全地箝住T1產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)瞬變電壓。Q1和Q2驅(qū)動高電流開關(guān)Q3。由T 2升壓變壓器生成高壓觸發(fā)脈沖。假設(shè)C1完全充電，當(dāng)Q1－Q2導(dǎo)通Q3，C2積聚電流到T2的主邊，再由T2副端傳遞高壓觸發(fā)脈沖到閃光燈，電離使之傳導(dǎo)。C1在燈內(nèi)放電并形成閃光。

　　圖5詳述了電容器充電次序。軌跡A（即“充電” 輸入）轉(zhuǎn)高。這引起T1轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致C1斜線上升（軌跡B）。當(dāng)C1到達(dá)調(diào)節(jié)點時，開關(guān)停止，電阻上拉的 “DONE”線下降（軌跡C），以顯示C1的充電狀態(tài)。當(dāng)“DONE” 走低，能使C1通過燈至Q3路徑放電的“TRIGGER” 指令（軌跡D）可能隨時發(fā)出（在這情況約為 600ms）。請注意，圖中的觸發(fā)指令為了相片的清晰被延長；C1的完全放電時間通常是500μs至1000μs。低亮度閃光（如減少“紅眼”時）采用短時觸發(fā)輸入指令。

　　圖6反映了高壓觸發(fā)器脈沖（軌跡A）和生成閃光燈電流（軌跡B）的高速詳細(xì)情況。觸發(fā)后需要一定的時間閃光燈才能進入電離和開始傳導(dǎo)。在此，8kVP-P觸發(fā)脈沖后10μs閃光燈電流開始上升到近100A。電流在5μs時間內(nèi)平滑升高，達(dá)到定義的峰值后開始下降。產(chǎn)生的光（圖7）上升較為緩慢，需要約25μs時間達(dá)到峰值，然后進入衰減。示波器掃描減速能捕捉到完整的電流和光線活動。

　　燈、布局、RFI和相關(guān)問題

　　燈的考慮

　　幾個與閃光燈相關(guān)的問題需要注意。必須全面理解和把握燈觸發(fā)要求，否則會造成閃光不完全甚至根本不閃光。大多數(shù)與觸發(fā)器相關(guān)的問題在于觸發(fā)器變壓器選擇、驅(qū)動和與燈之間的物理位置。一些閃光燈制造商提供觸發(fā)器變壓器、燈和光線擴散器組成的單一集成組件。這意味著觸發(fā)變壓器是由閃光燈供應(yīng)商認(rèn)證過的，而驅(qū)動性能良好。在另一些情況下，閃光燈是由用戶自己選配的變壓器和驅(qū)動器觸發(fā)的，這就需要得到燈供應(yīng)商的認(rèn)證后才能進行量產(chǎn)。

　　燈的陽極和陰極通過燈的主放電路徑。必須重視電極極性，否則燈的使用壽命會嚴(yán)重縮短。同樣，也要考慮燈能量分散限制，否則也會折損使用壽命。過度的燈能量消耗會導(dǎo)致燈爆裂或破損。通過選擇電容值和充電電壓以及限定閃光重復(fù)率，能輕松可靠地控制能量?？紤]到觸發(fā)問題，用戶自行設(shè)置電路的閃光條件在量產(chǎn)前需要經(jīng)燈制造商認(rèn)證。

　　假定觸發(fā)和閃光能量適當(dāng)，燈的預(yù)計使用壽命在5000次閃光左右。雖然所有燈使用次數(shù)都被供應(yīng)商所規(guī)定，但由于燈的具體型號間有差異，實際使用次數(shù)也可能會有所不同。使用壽命界定的典型衡量標(biāo)準(zhǔn)是燈的亮度降到原先值的80%。

　　布局

　　高電壓和電流管理布局計劃?；氐綀D4，C1的放電路徑是通過燈、Q3和接回至地。約等于100A的峰值電流意味著該放電路徑必須保持低阻抗。C1、燈和Q3間的傳導(dǎo)電路應(yīng)短且低于1Ω。此外，Q3的發(fā)射極和C1的負(fù)端應(yīng)直接連接，以便在C1正端、燈和Q3回到C1間形成一個緊湊并具高傳導(dǎo)性的環(huán)路。由于大電流會引起局部大電阻率區(qū)域的導(dǎo)體侵蝕，應(yīng)避免突然的軌跡中斷和導(dǎo)孔。如果一定要采用導(dǎo)孔，那一定要加以填滿和通過低阻抗認(rèn)證或采用多個導(dǎo)孔。無法避免的電容器ESR、燈和Q3電阻通常總共在1Ω到2.5Ω之間。所以總軌跡阻抗在0.5Ω或以下就足夠了。同樣，高電流上升時間相對緩慢（見圖6）表示無須特別嚴(yán)格地控制跡線電感。

　　C1是電路內(nèi)最大的組件；從空間考慮可能需要安裝得遠(yuǎn)一些。在互連電阻保持在限度范圍的前提下，可采用長軌跡或電線來實現(xiàn)。

　　電容器充電器IC布局與傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)器類似。由IC的VIN的引腳、旁路電容器、變壓器主端和開關(guān)引腳組成的電路須短且具高傳導(dǎo)性。IC的接地引腳應(yīng)直接回到一個低電阻、平板地連接。變壓器300V輸出電壓需要超過所有高壓節(jié)點的最低間距要求，以符合電路板擊穿要求。檢證板材擊穿參數(shù)和確保板子的清潔過程不產(chǎn)生受傳導(dǎo)損害。T2的數(shù)千伏觸發(fā)繞線必須與燈的觸發(fā)電極直接連接，最好導(dǎo)線不到1/4英寸 。須保證充足的高電壓空間?？傊M可能沒有導(dǎo)體接觸電路板。額外的T2輸出長度會引起觸發(fā)脈沖下降或射頻干擾（RFI）。從這方面考慮，閃光燈——觸發(fā)器變壓器模塊組件是最佳的選擇。