采用超級(jí)電容解決照相電話的LED閃光燈電源問題
超過2M(二百萬(wàn))圖元的照相電話在中至低的光度狀況下拍照需要有強(qiáng)光的閃光燈才可保證拍出優(yōu)質(zhì)的相片,可是,電池給與系統(tǒng)的能力有限,因它不能傳送高電流脈沖給LED有足夠的光度輸出,從而拍攝明亮的高解像照片。
傳統(tǒng)的LED閃光驅(qū)動(dòng)器采用流控模式的升壓變換器。如圖1所示,試舉一個(gè)例子,如要驅(qū)動(dòng)兩個(gè)并聯(lián)相接的LED,比如是 Lumileds Luxeon PWF1,每個(gè)需1A電流,在使用高度一致性光學(xué) 透鏡下於2米距離處產(chǎn)生大約20lux(流明)。升壓變換器的輸出電壓 = LED正向電壓 +檢流電阻Rsense上的降壓。最大正向電壓 = 4.8V,并假定檢流電阻上有200mV,那麼升壓變換器輸出電 壓 = 5V。假設(shè)照相電話電池電壓 =3.3V(在負(fù)載下)和升壓變換器效率為85%。在此例中的電池電流將會(huì) = 5V / 3.3V / 85% x 2A =3.6A,這已超出一般電話電池的能力了。
另一解決方案是采用氙閃光燈,但這需要∶(1)一個(gè)對(duì)流動(dòng)電話形態(tài)來(lái)講是非常笨重的儲(chǔ)存電容器及(2)一個(gè)導(dǎo)致電話和安全問題的高壓。還有,在LED閃光燈情況來(lái)講,可以采用較低電流的同一LED電路作為捕捉影像和電筒功能。
為要克服功率限制,有些照相電話供應(yīng)商已使用長(zhǎng)的閃光曝光時(shí)間,補(bǔ)償光量不足,因此要增加總光能,但此舉卻造成照片模糊不清。
設(shè)計(jì)方案
圖1. 流控升壓變換器作為L(zhǎng)ED燈光燈驅(qū)動(dòng)器
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當(dāng)中有兩個(gè)方案可提供足夠LED閃光功率,清除因缺少光量下造成暗黑、模糊不清的照片。CAP-XX超級(jí)電容以其高C(1F或以上之容量)和低ESR(<100mΩ之內(nèi)阻)能支援電池。提供LED所需的脈沖功率,而其薄的 柱形體適合於比如照相電話這類空間緊逼的應(yīng)用上。因此提出,方案1∶將超級(jí)電容放置在升壓變換器的輸出;及方案2∶將超級(jí)電容與電池串聯(lián)。
圖2所示為CAP-XX方案的方框圖,而圖3為實(shí)現(xiàn)之電路。小型、低成本的限流式電荷泵給超級(jí)電容預(yù)先充電至約5.5V,超級(jí)電容一旦充了電,便可啟動(dòng)電流開關(guān),送出高流閃光脈沖,其能量和功率乃來(lái)自超級(jí)電容,而非電池和電荷泵。在閃光脈沖期間,可以啟動(dòng)或禁止電荷泵,電荷泵電流受限制至約300mA。在手電筒(Torch)模式中,電荷泵處?kù)侗粏?dòng)狀態(tài),電池與電荷泵現(xiàn)在送出一個(gè)低於電荷泵限流的?定電流。
在參考設(shè)計(jì)中,CAP-XX選取最強(qiáng)光LED-Lumileds LXCL-PWF1,它可處理1A高脈沖電流達(dá)至少200ms之久,這里驅(qū)動(dòng)四個(gè)PWF1,每個(gè)於900mA,3.6A之總LED電流受到Micrel Mic 2545電流開關(guān)的限制,挑選這電流開關(guān)乃由於其電流能力和相當(dāng)細(xì)小的體型。
下面描述之電路是參照?qǐng)D3,當(dāng)首次施加電源時(shí),F(xiàn)lash / Torch選擇線必須在低位或浮動(dòng)之中,使到U1(SD6685電荷泵)被啟動(dòng),這樣令晶體管M1關(guān)閉和U1第5腳(EN)通過R6被拉到高位。視乎超級(jí)電容大小而定。需等候10-15秒讓超級(jí)電容由0V充電至全滿。當(dāng)超級(jí)電容處?kù)?V時(shí)會(huì)出現(xiàn)高的浪涌電流,跟著充電至接近Vin的電壓,在電荷泵的輸出看似短路,加入R11到電路里目的就是限制起始的浪涌電流至少於750mA。
須注意,SP6685只用來(lái)給超級(jí)電容充電,所以它總是在其 Torch模式(第4腳,F(xiàn)lsh與Gnd連接)。
超級(jí)電容一旦已充電,可選擇Flash或Torch模式。當(dāng)這信號(hào)是高時(shí)(Flash模式),晶體管M2導(dǎo)通,這是為U2(MIC2545)設(shè)定定流電阻=R9//R10,是設(shè)定LED閃光電流。
當(dāng)Enable輸入(U2第1腳)處?kù)陡呶粫r(shí),U2便導(dǎo)通,於是LED有電流供應(yīng)而發(fā)光。由於超級(jí)電容的容量非常之大,閃光脈沖只是將超級(jí)電容放出很小量的電能,一般少於1V。換言之,閃光拍照之間的再充電時(shí)間是短的,一般約2秒,這是比LED由閃光至冷卻的所需時(shí)間更短。圖5說(shuō)明閃光脈沖期間與之後的超級(jí)電容電壓電池電流和LED電流的關(guān)系。電路加入D6的原因是當(dāng)U1被禁止時(shí)阻止超級(jí)電容透過U1放電往電池去。
超級(jí)電容的C值與ESR值按照如下選擇∶總LED電流(ILED) = 3.6A維持一個(gè)150ms的閃光脈沖以 PWFLASH表示。
· 查L(zhǎng)umileds數(shù)據(jù)書,得悉在0.9A下的額定LED正向電壓 = 3.75V,容許至4.2V
· 查Micrel數(shù)據(jù)書,得悉Rdson 阻值<50mΩ,所以MIC2545電流開關(guān)上的降壓<180mV
· 故此,閃光脈沖結(jié)束時(shí)超級(jí)電容上的最小電壓≥4.2V + 0.18V = 4.38V≥4.4V
· Vout(電荷泵電壓)被設(shè)定於5.3V,所以,容許於超級(jí)電容上的總降壓為Vd = 5.3V-4.4V = 0.9V
· 超級(jí)電容之降壓,Vd = ILED x ( ESR + PWFLASH / C)
· 再排列各項(xiàng)數(shù)∶C≥ILED x PWFLASH / ( Vd-ILED x ESR)
在上述例子中,C≥2A x 0.15s /( 0.9V- 2A x ESR ),假定超級(jí)電容有ESR = 100mΩ,這樣C≥2A x 0.15s/(0.9V-2A x 0.1Ω)=0.43F。挑選之超級(jí)電容要有一半之假設(shè)ESR值,為壽命上的老化作出準(zhǔn)備。因此,CAP-XX GS206(0.55F,50mΩ)符合上述之要求。
須注意,電路里采用雙超級(jí)電容,以求取所需的5.5V最大電壓額定值。100mΩ是ESR值的最佳起始點(diǎn),也許需要在C與ESR之間反復(fù)計(jì)算,找出一個(gè)適合的超級(jí)電容。在仍有充裕的空間情況下,設(shè)定電荷泵輸出電壓至可能的最低點(diǎn)上。
CAP-XX超級(jí)電容有非常低的漏電,一般少於1μA,可是當(dāng)兩個(gè)電容串聯(lián)使用時(shí),就需要平衡電路保證兩電容之間的任何漏電差不會(huì)造成中點(diǎn)電壓漂移而使到其中的電容過壓。最簡(jiǎn)單的平?jīng)_電路是一對(duì)平衡電阻,如圖2和3所示,就流動(dòng)電話照相閃光電路實(shí)現(xiàn)方法來(lái)看 ─ 超級(jí)電容在閃光脈沖之前會(huì)被充電至超過5V,平衡電阻的適當(dāng)數(shù)值為22kΩ。如超級(jí)電容要維持在正常較佳電壓上(~3.6V)的話??偮╇姡胶怆娐冯娏骶蜁?huì)有約80μA。CAP-XX對(duì)於良好的電池備用時(shí)間不得不承認(rèn)會(huì)是太高,可行的改善方法包括∶(1)當(dāng)電話不在照相模式時(shí)禁止電荷泵功能——換言之,電話在備用狀態(tài)時(shí),沒有超級(jí)電容 + 平衡電路 漏。(2)使用高阻抗低流運(yùn)放造成一個(gè)有源平衡電路——從CAP-XX的參考設(shè)計(jì)上取得總電流少於2μA。[!--empirenews.page--]
電荷泵部份沒有限制,這里挑選SP6685在於其外型細(xì)小,須注意一點(diǎn),大多數(shù)電荷泵的軟啟動(dòng)功能未能適當(dāng)處理超級(jí)電容的輸出,原因是超級(jí)電容放電就好像短路數(shù)秒,直至超級(jí)電容電壓接近於電荷泵輸出電壓。簡(jiǎn)單的解決方法是在電荷泵的輸入端加插一個(gè)限流電阻(圖3中的R11)。
結(jié)果
CAP-XX方案能將兩個(gè)超級(jí)電容,圖3電路和四個(gè)替代的LED加入於現(xiàn)有名牌子的照相電話里面并不用改變?cè)瓩C(jī)的外貌。圖4示出用來(lái)經(jīng)改良和CAP-XX改良電話所拍攝出來(lái)的照片。未改良的電路以160ms時(shí)間輸送1W的閃光功率,而改良電路則在同一時(shí)間輸送達(dá)15W的閃光功率。
圖5. 方案1閃光脈沖期間和之後的電池,LED閃光電流,超級(jí)電容電壓的情況
圖5示出在閃光脈沖期間和該脈沖之後超級(jí)電容再充電時(shí)的電池電流,LED電流和超級(jí)電容電壓的狀況。留意電池電流永不超過300mA,即使閃光脈沖是4A,超級(jí)電容提供3.7A之差額。
方案2∶超級(jí)電容與電池串聯(lián)
圖6. 方案2的配置方柜圖
圖6為方案2的方框圖,超級(jí)電容與電池正極串聯(lián),這種布局方式好處是∶
· 僅需單獨(dú)一個(gè)超級(jí)電容
· 是方案1所需的 裝超級(jí)電容的約一半容量,成本低