白光LED驅(qū)動器為驅(qū)動功率受限的氙燈閃光燈以照亮拍攝現(xiàn)場提供了一種高性價比的選擇。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體公司NCP5007芯片的典型低功率、低成本閃光燈驅(qū)動電路設計。

圖1:(a)氙燈閃光燈擊穿電壓。
(b)基本的氙光閃光燈。

數(shù)碼照相機和配有照相功能的手機已經(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技術為基礎。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)碼照相機的必要解決方案,在照相手機中越來越常見。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)點是閃光脈沖產(chǎn)生的大功率光輸出,而LED方案的優(yōu)點是尺寸相對小而薄,而且在視頻捕捉中可以導通更長的時間,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,能使照相機捕捉的照片拍成靜止的畫面。它們需要特殊的驅(qū)動器產(chǎn)生高壓和大儲能電容來儲存電能。

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

氙燈概念

氙燈有一個玻璃外殼,每端有一個電極,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,電極上的電壓值設為低于觸發(fā)電壓。在這點上無電流流過,而且系統(tǒng)保持穩(wěn)定,直至在第三個電極上施加觸發(fā)電壓。對于所考慮的低功率燈而言,這高壓脈沖處于1kV范圍內(nèi),它來自帶小磁芯的變壓器,受到電容C2突然放電的觸發(fā)(見圖2)。

圖2:演示板原理框圖。(點擊放大圖)

氣體混合物被激發(fā)時,等離子體產(chǎn)生閃光。對于消費應用而言,閃光的一般持續(xù)時間為2ms。根據(jù)相關的閃光燈類型,儲存在電容C1中的能量可以低至1焦耳(小型照相機),也可高達幾千焦耳(專業(yè)應用)。閃光燈消耗的能量見公式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。低功率手持照相機需要的能量不超過幾焦耳,而且輸出電壓范圍為160至250V。更高的電壓一般在專業(yè)攝影棚使用的設備中可以看到。

除直流電壓外,必須提供高壓脈沖來激發(fā)燈泡中的等離子,在兩端的電極之間產(chǎn)生高強度的弧光。脈沖幅度取決于系統(tǒng)中所使用的燈泡類型,幅度從較低的到10kV以上。微型氙燈用施加到燈管第三個外部電極上的/5μs脈沖觸發(fā),這個脈沖由圖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端放電。來自次級端的高壓施加到燈泡上(在外表面),閃光燈被激發(fā)。

這個概念的主要優(yōu)點是光輸出較大,且脈沖持續(xù)時間很短,使快速拍攝的照片可把移動的拍攝對象凝固在某個點。這種設計的缺點是儲能電容的尺寸大,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(消費應用的充電時間為5至10秒)。

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

圖3:初級和次級輸出電壓波形。

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。該芯片原先是為驅(qū)動串聯(lián)的白光LED而開發(fā)。在這種應用上,主要的考慮因素是與最高28V硅擊穿有關的電壓限制。要克服這個挑戰(zhàn),可使用一個外接晶體管,最低可保持250V,或使用初級與次級比為1:10的變壓器。

假設儲能電容為50μF,小型氙燈管的工作電壓為200V,閃光燈的能量則為:

此能量通過采用DC/DC變換器構成的升壓轉(zhuǎn)換器從電池轉(zhuǎn)移到儲能電容。雖然NCP5007的結構基于反激模式,但不能直接使用,因為芯片工作于脈沖頻率模式(PFM),時間參數(shù)是可變的T_on和恒定為300ns的T_off最大值。因此,如果使用傳統(tǒng)的反激拓撲結構,次級電感在T_off時間內(nèi)不能完全放電,而且磁芯將快速飽和,在初級端產(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合反激和正向模式以提高輸出電壓能力。這組合通過封裝在橋型結構中的四個二極管獲得,如圖3所示。組裝在SOT-23 封裝的兩個二極管在開關周期中攜帶輸出電流。

在T_on時間中,變壓器T1的引腳12 為低,因此電池電壓出現(xiàn)在次級端引腳1上,這是正激工作模式(forward mode)。儲能電容由流過二極管D1的電流充電。T_off周期開始后,初級電壓恢復,儲能電容由流過二極管D2的電流充電,這是反激工作模式。

這個概念由圖3的演示板演示,它由兩個標準的堿性AA干電池供電。系統(tǒng)由開關S1供電,轉(zhuǎn)換器由連接到啟動引腳的開關S2控制,第三個開關S3是手動觸發(fā)閃光燈的按鈕。

圖4中的波形顯示了儲能電容重新充電過程中的電壓。信號對應于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U1開關啟動時,正激模式發(fā)生,開關關閉時反激周期開始。

作者:Michael Bairanzade

安森美半導體公司