利用白光LED驅動(dòng)器實(shí)現低成本高效的氙燈閃光燈驅動(dòng)

白光led驅動(dòng)器為驅動(dòng)功率受限的氙燈閃光燈以照亮拍攝現場(chǎng)提供了一種高性?xún)r(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體公司ncp5007芯片的典型低功率、低成本閃光燈驅動(dòng)電路設計。

數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)品內部的數字影像傳感器以ccd或cmos技術(shù)為基礎。為了在光線(xiàn)不足的情況下仍能支持影像傳感器，閃光燈電路成了數碼照相機的必要解決方案，在照相手機中越來(lái)越常見(jiàn)。滿(mǎn)足閃光燈要求的主要光源是氙燈泡和現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)是尺寸相對小而薄，而且在視頻捕捉中可以導通更長(cháng)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，能使照相機捕捉的照片拍成靜止的畫(huà)面。它們需要特殊的驅動(dòng)器產(chǎn)生高壓和大儲能電容來(lái)儲存電能。

我們發(fā)現，白光led驅動(dòng)器為驅動(dòng)功率受限的氙燈閃光燈以照亮拍攝現場(chǎng)提供了一種高性?xún)r(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(diǎn)上無(wú)電流流過(guò)，而且系統保持穩定，直至在第三個(gè)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，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)。

氣體混合物被激發(fā)時(shí)，等離子體產(chǎn)生閃光。對于消費應用而言，閃光的一般持續時(shí)間為2ms。根據相關(guān)的閃光燈類(lèi)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(zhuān)業(yè)應用)。閃光燈消耗的能量見(jiàn)公式1：

根據所使用的氙燈類(lèi)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(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(zhuān)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(lái)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中所使用的燈泡類(lèi)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(zhuān)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(lái)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(gè)概念的主要優(yōu)點(diǎn)是光輸出較大，且脈沖持續時(shí)間很短，使快速拍攝的照片可把移動(dòng)的拍攝對象凝固在某個(gè)點(diǎn)。這種設計的缺點(diǎn)是儲能電容的尺寸大，需要板上出現較高電壓，而且拍攝期間電容需要重新充電(消費應用的充電時(shí)間為5至10秒)。

根據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(gè)簡(jiǎn)單的轉換器來(lái)將電池電壓提升到低壓氙燈所需的200v電壓。

低功率閃光燈轉換器

本文介紹的低功率閃光燈轉換器以安森美的ncp5007芯片為基礎。該芯片原先是為驅動(dòng)串聯(lián)的白光led而開(kāi)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(guān)的電壓限制。要克服這個(gè)挑戰，可使用一個(gè)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(guò)采用dc/dc變換器構成的升壓轉換器從電池轉移到儲能電容。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(shí)間參數是可變的ton和恒定為300ns的toff最大值。因此，如果使用傳統的反激拓撲結構，次級電感在toff時(shí)間內不能完全放電，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移。

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(guò)封裝在橋型結構中的四個(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(guò)二極管d1的電流充電。toff周期開(kāi)始后，初級電壓恢復，儲能電容由流過(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)標準的堿性aa干電池供電。系統由開(kāi)關(guān)s1供電，轉換器由連接到啟動(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中的波形顯示了儲能電容重新充電過(guò)程中的電壓。信號對應于u1引腳4(上面曲線(xiàn)), d1引腳3(中間曲線(xiàn))和d2引腳3(下面曲線(xiàn))。當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。