图1:(a)氙灯闪光灯击穿电压.
(b)基本的氙光闪光灯.
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数码照相机和配有照相功能的手机已经从新产品变成了主流产品,这些产品内部的数字影像传感器以CCD或CMOS技术为基础.为了在光线不足的情况下仍能支持影像传感器,闪光灯电路成了数码照相机的必要解决方案,在照相手机中越来越常见.满足闪光灯要求的主要光源是氙灯泡和现在新兴的高亮度白光LED.
氙灯的主要优点是闪光脉冲产生的大功率光输出,而[LED方案]的优点是尺寸相对小而薄,而且在视频捕捉中可以导通更长的时间,尽管其光输出与氙灯相比只是中等.尤其氙灯提供的闪光脉冲非常短,能使照相机捕捉的照片拍成静止的画面.它们需要特殊的驱动器产生高压和大储能电容来储存电能.
我们发现,白光LED驱动器为驱动功率受限的氙灯闪光灯以照亮拍摄现场提供了一种高性价比的选择.本文描述氙灯的基本概念,并且详述了一种典型的低功率/低成本闪光灯应用.
氙灯概念
氙灯有一个玻璃外壳,每端有一个电极,其中填充了低压稀有气体混合物.在稳态中,如图1所示,电极上的电压值设为低于触发电压.在这点上无电流流过,而且系统保持稳定,直至在第三个电极上施加触发电压.对于所考虑的低功率灯而言,这高压脉冲处于1kV范围内,它来自带小磁芯的变压器,受到电容C2突然放电的触发(见图2).
图2:演示板原理框图.(点击放大图)
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气体混合物被激发时,等离子体产生闪光.对于消费应用而言,闪光的一般持续时间为2ms.根据相关的闪光灯类型,储存在电容C1中的能量可以低至1焦耳(小型照相机),也可高达几千焦耳(专业应用).闪光灯消耗的能量见公式1:
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根据所使用的氙灯类型,电容充电电压基本上为160V至600V.低功率手持照相机需要的能量不超过几焦耳,而且输出电压范围为160至250V.更高的电压一般在专业摄影棚使用的设备中可以看到.
除直流电压外,必须提供高压脉冲来激发灯泡中的等离子,在两端的电极之间产生高强度的弧光.脉冲幅度取决于系统中所使用的灯泡类型,幅度从较低的1.6kV到10kV以上.微型氙灯用施加到灯管第三个外部电极上的1.6kV/5μs脉冲触发,这个脉冲由图2所示的专用脉冲变压器与高压电容相连而产生.电容充电到闪光灯直流电压(200V),并在触发按钮S1后突然向脉冲变压器的初级端放电.来自次级端的高压施加到灯泡上(在外表面),闪光灯被激发.
这个概念的主要优点是光输出较大,且脉冲持续时间很短,使快速拍摄的照片可把移动的拍摄对象凝固在某个点.这种设计的缺点是储能电容的尺寸大,需要板上出现较高电压,而且拍摄期间电容需要重新充电(消费应用的充电时间为5至10秒).
根据成像器的敏感性和透镜的孔径,在消费应用的一般环境中,相对小的电容足以拍得明亮的照片.因此,可以用一个简单的转换器来将电池电压提升到低压氙灯所需的200V电压.
图3:初级和次级输出电压波形.
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低功率闪光灯转换器
本文介绍的低功率闪光灯转换器以安森美的NCP5007芯片为基础.该芯片原先是为驱动串联的白光LED而开发.在这种应用上,主要的考虑因素是与最高28V硅击穿有关的电压限制.要克服这个挑战,可使用一个外接晶体管,最低可保持250V,或使用初级与次级比为1:10的变压器.
假设储能电容为50μF,小型氙灯管的工作电压为200V,闪光灯的能量则为:
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此能量通过采用DC/DC变换器构成的升压转换器从电池转移到储能电容.虽然NCP5007的结构基于反激模式,但不能直接使用,因为芯片工作于脉冲频率模式(PFM),时间参数是可变的Ton和恒定为300ns的Toff最大值.因此,如果使用传统的反激拓扑结构,次级电感在Toff时间内不能完全放电,而且磁芯将快速饱和,在初级端产生非常小的电感和低能量转移.
表1:氙光闪光灯演示板器件清单.
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为了突破这种限制,有一种组合方法是结合反激和正向模式以提高输出电压能力.这组合通过封装在桥型结构中的四个二极管获得,如图3所示.组装在SOT-23 封装的两个二极管在开关周期中携带输出电流.
在Ton时间中,变压器T1的引脚12 为低,因此电池电压出现在次级端引脚1上,这是正激工作模式(forward mode).储能电容由流过二极管D1的电流充电.Toff周期开始后,初级电压恢复,储能电容由流过二极管D2的电流充电,这是反激工作模式.
这个概念由图3的演示板演示,它由两个标准的碱性AA干电池供电.系统由开关S1供电,转换器由连接到启动引脚的开关S2控制,第三个开关S3是手动触发闪光灯的按钮.
图4中的波形显示了储能电容重新充电过程中的电压.信号对应于U1引脚4(上面曲线), D1引脚3(中间曲线)和D2引脚3(下面曲线).当U1开关启动时,正激模式发生,开关关闭时反激周期开始.
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