白光LED驅動實現低成本高效的氙燈閃光燈

白光led驅動器為驅動功率受限的氙燈閃光燈以照亮拍攝現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、低成本閃光燈驅動電路設計。

數碼照相機和配有照相功能的手機已經從新產品變成了主流產品,這些產品內部的數字影像傳感器以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在新興的高亮度白光led。

氙燈的主要優點是閃光脈沖產生的大功率光輸出,而led方案的優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。它們需要特殊的驅動器產生高壓和大儲能電容來儲存電能。

我們發現,白光led驅動器為驅動功率受限的氙燈閃光燈以照亮拍攝現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。在穩態中,如圖1所示,電極上的電壓值設為低于觸發電壓。在這點上無電流流過,而且系統保持穩定,直至在第三個電極上施加觸發電壓。對于所考慮的低功率燈而言,這高壓脈沖處于1kv范圍內,它來自帶小磁芯的變壓器,受到電容c2突然放電的觸發(見圖2)。

氣體混合物被激發時,等離子體產生閃光。對于消費應用而言,閃光的一般持續時間為2ms。根據相關的閃光燈類型,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(專業應用)。閃光燈消耗的能量見公式1：

根據所使用的氙燈類型,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燈泡中的等離子,在兩端的電極之間產生高強度的弧光。脈沖幅度取決于系統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外部電極上的1.6kv/5μs脈沖觸發,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生。電容充電到閃光燈直流電壓(200v),并在觸發按鈕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。

這個概念的主要優點是光輸出較大,且脈沖持續時間很短,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)。

根據成像器的敏感性和透鏡的孔徑,在消費應用的一般環境中,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換器來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串聯的白光led而開發。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,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時間內不能完全放電,而且磁芯將快速飽和,在初級端產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ton時間中,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)。儲能電容由流過二極管d1的電流充電。toff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。系統由開關s1供電,轉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,正激模式發生,開關關閉時反激周期開始。