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(jī)和配有照相功能的手機(jī)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(shù)為基礎(chǔ).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(jī)的必要解決方案,在照相手機(jī)中越來(lái)越常見(jiàn).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(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(duì)小而薄,而且在視頻捕捉中可以導(dǎo)通更長(zhǎng)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(jī)捕捉的照片拍成靜止的畫面.它們需要特殊的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生高壓和大儲(chǔ)能電容來(lái)儲(chǔ)存電能.
我們發(fā)現(xiàn),白光LED驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)功率受限的氙燈閃光燈以照亮拍攝現(xiàn)場(chǎng)提供了一種高性價(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(yīng)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(wěn)態(tài)中,如圖1所示,電極上的電壓值設(shè)為低于觸發(fā)電壓.在這點(diǎn)上無(wú)電流流過(guò),而且系統(tǒng)保持穩(wěn)定,直至在第三個(gè)電極上施加觸發(fā)電壓.對(duì)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(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).
圖2:演示板原理框圖.(點(diǎn)擊放大圖)
氣體混合物被激發(fā)時(shí),等離子體產(chǎn)生閃光.對(duì)于消費(fèi)應(yīng)用而言,閃光的一般持續(xù)時(shí)間為2ms.根據(jù)相關(guān)的閃光燈類型,儲(chǔ)存在電容C1中的能量可以低至1焦耳(小型照相機(jī)),也可高達(dá)幾千焦耳(專業(yè)應(yīng)用).閃光燈消耗的能量見(jiàn)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(jī)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業(yè)攝影棚使用的設(shè)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(qiáng)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(jí)端放電.來(lái)自次級(jí)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(xù)時(shí)間很短,使快速拍攝的照片可把移動(dòng)的拍攝對(duì)象凝固在某個(gè)點(diǎn).這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是儲(chǔ)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(fèi)應(yīng)用的充電時(shí)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(fèi)應(yīng)用的一般環(huán)境中,相對(duì)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(zhuǎn)換器來(lái)將電池電壓提升到低壓氙燈所需的200V電壓.
圖3:初級(jí)和次級(jí)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(chǔ).該芯片原先是為驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的白光LED而開(kāi)發(fā).在這種應(yīng)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(zhàn),可使用一個(gè)外接晶體管,最低可保持250V,或使用初級(jí)與次級(jí)比為1:10的變壓器.
假設(shè)儲(chǔ)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(gòu)成的升壓轉(zhuǎn)換器從電池轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容.雖然NCP5007的結(jié)構(gòu)基于反激模式,但不能直接使用,因?yàn)樾酒ぷ饔诿}沖頻率模式(PFM),時(shí)間參數(shù)是可變的Ton和恒定為300ns的Toff最大值.因此,如果使用傳統(tǒng)的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),次級(jí)電感在Toff時(shí)間內(nèi)不能完全放電,而且磁芯將快速飽和,在初級(jí)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(jié)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(jié)構(gòu)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(xiàn)在次級(jí)端引腳1上,這是正激工作模式(forward mode).儲(chǔ)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(jí)電壓恢復(fù),儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)的堿性AA干電池供電.系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)S1供電,轉(zhuǎn)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(chǔ)能電容重新充電過(guò)程中的電壓.信號(hào)對(duì)應(yīng)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(dāng)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.
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