基于HV9910寬電壓的自適應(yīng)溫度高亮度頻閃燈

摘要 設(shè)計(jì)了一種基于HV9910的自適應(yīng)溫度寬電壓范圍的高亮度頻閃燈，其利用HV9910的寬電壓特性，可在10～50 V寬電壓范圍內(nèi)高亮度工作。結(jié)合HV9910的LD端及二極管的熱敏特性，使其根據(jù)內(nèi)部溫度變化調(diào)節(jié)頻閃能量，并利用HV9910的內(nèi)部電源給微功耗的MK6A12P單片機(jī)供電，使頻閃燈具有過壓保護(hù)及多種模式工作的功能。

頻閃燈與普通燈相比，因其體積小，短時(shí)間內(nèi)發(fā)出強(qiáng)光，因此被廣泛用于化學(xué)分析儀器、工業(yè)定位檢測(cè)及交通警示等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的高亮度頻閃燈的工作電壓范圍小，通常12～24 V，且無(wú)溫度補(bǔ)償功能，因此長(zhǎng)期在高溫條件下工作時(shí)，儲(chǔ)能電容的溫度過高，儲(chǔ)能電容爆裂，或大幅縮減使用壽命。

HV9910是美國(guó)Supertex公司生產(chǎn)的一種低成本、PWM控制芯片，可在8～450 V范圍內(nèi)工作，且可向外部提供7.5 V、1 mA的電源，目前常用于LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中。利用上述特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種10～50 V寬電壓范圍內(nèi)工作且自適應(yīng)內(nèi)部溫度變化的高亮度頻閃燈。

1 基于HV9910的寬電壓高亮度頻閃燈

1.1 整體電路框圖

高亮度頻閃燈主要由內(nèi)部溫度檢測(cè)、過壓檢測(cè)、工作模式設(shè)置、驅(qū)動(dòng)及脈沖觸發(fā)部分組成，具有完善的保護(hù)功能和高溫自適應(yīng)功能，整體電路框圖如圖1所示。

1.2 HV9910的特性

HV9910的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

Vin為高壓輸入腳，可輸入8～450 V;Vdd腳外接電容提供芯片工作電壓，同時(shí)向外電路提供7.5 V、1 mA最大電流;CS腳為電流采樣端，與內(nèi)部的參考電壓0.25 V比較后產(chǎn)生PWM波形;利用LD腳可設(shè)置低于0.25 V參考電壓;PWM_D為使能輸入端，低電平時(shí)芯片停止工作。

1.3 寬電壓范圍的反激式升壓電路設(shè)計(jì)

高亮度頻閃燈工作要求在0.8～1.2 s內(nèi)給100μ以上的儲(chǔ)能電容，儲(chǔ)存400 V以上的電壓后向頻閃管中放電，從而發(fā)出強(qiáng)光。為滿足上述要求，利用HV9910設(shè)計(jì)了在10～50 V寬電壓范圍工作的反激式升壓器，如圖3所示。

同一型號(hào)MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻具有良好的一致性，因此利用MOSFET管的導(dǎo)通內(nèi)阻實(shí)現(xiàn)對(duì)電感電流的檢測(cè)。為說明圖3中三極管Q2的工作原理，在圖4中用二極管D2、D1代替Q2進(jìn)行說明。

當(dāng)升壓電路工作時(shí)，電流檢測(cè)電路中各點(diǎn)的工作情況如圖5所示。

在電流檢測(cè)電路中，二極管PN結(jié)的正向?qū)妷簳?huì)隨工作環(huán)境溫度變化而變化，為克服這種缺陷，采用將D2、D1對(duì)接方法來(lái)消除溫度對(duì)檢測(cè)電路的影響。在開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)間Ton內(nèi)，C點(diǎn)為高電平，開關(guān)管Q1和二極管D2、D1導(dǎo)通，A點(diǎn)電壓即為開關(guān)管Q1導(dǎo)通壓降UDS_on，經(jīng)二極管D2、D1反饋到B點(diǎn)，此時(shí)B點(diǎn)電壓由式(1)決定

UB=UDS_on+UD2-UD1 (1)

因二極管D2、D1導(dǎo)通壓降基本相同，此時(shí)開關(guān)管導(dǎo)通壓降UDS_on即為B點(diǎn)電壓，如圖5所示，在Ton時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通壓降UDS_on很好地反饋到了B點(diǎn)，再經(jīng)電阻R6、R8將B點(diǎn)電壓分壓后，與CS端的參考電壓Uref進(jìn)行比較。當(dāng)反饋到CS端的電壓升到Uref時(shí)，開關(guān)管Q1關(guān)閉，此時(shí)電感電流為峰值IP，變壓器T1初級(jí)電感導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量WL即可由式(2)確定

在關(guān)閉時(shí)間Toff內(nèi)C點(diǎn)為低電平，A點(diǎn)電壓反激為高電壓，因二極管D2處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)B點(diǎn)電壓為零。

在確定了電感儲(chǔ)存的能量WL與儲(chǔ)能電容需儲(chǔ)存的能量Wc的前提下，為使高壓電容在Tc時(shí)間內(nèi)兩端電壓達(dá)到Uc時(shí)，開關(guān)管需導(dǎo)通次數(shù)N由式(3)確定，其中η是變壓器的輸出效率，f為工作頻率

當(dāng)電容充電時(shí)間Tc取0.8～1.2 s，高壓儲(chǔ)能電容容值為100μF、電壓為400 V，變壓器的輸出效率η=80%時(shí)，使線圈電感量為60μH，確定了工作頻率f應(yīng)高于40 kHz才能滿足設(shè)計(jì)要求，又HV9910的PWM頻率Fosc由與Rosc腳相連的電阻確定。綜合考慮各種因素，確定頻率Fosc為50 kHz，即與Rosc腳相連499 kΩ的電阻。

1.4 頻閃燈內(nèi)部溫度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理

頻閃燈高亮度方式工作時(shí)內(nèi)部溫度會(huì)達(dá)到100℃以上，而高壓儲(chǔ)能電容的最高溫度為105℃，高壓電解電容長(zhǎng)期在高溫狀態(tài)下時(shí)，內(nèi)部的電解液干枯，縮短了使用壽命。

因此在頻閃燈不停止工作的前提下，采用隨其內(nèi)部溫度升高而適當(dāng)降低發(fā)光時(shí)釋放能量的方式。其工作模式如圖6所示。

圖6中可知，隨著頻閃燈內(nèi)部溫度的升高，C1的充電速率減小，降低C1充電電壓最大值。

本次設(shè)計(jì)中，利用二極管PN結(jié)熱敏特性特性設(shè)計(jì)了溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)電路。二極管的PN結(jié)的正向壓降UD與溫度升關(guān)系由式(5)決定

UD=Ugo-KT (5)

式中，Ugo為定值;K是正向壓降隨溫度變化的系數(shù)(K約為2 mV/℃)。圖3中溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)電路是把D4的正向?qū)妷篣D經(jīng)過電阻R4、R7分壓后反饋到LD端。在式(6)中，反饋到LD端的電壓為UL

在UL低于0.25 V時(shí)，利用LD端的可設(shè)置低于0.25 V參考電壓的特點(diǎn)，使參考電壓Uref隨溫度T升高而降低。

圖7為當(dāng)溫度T在22～80℃范圍內(nèi)變化時(shí)，LD端電壓的變化曲線圖。

經(jīng)實(shí)測(cè)表明，利用二極管熱敏特性及HV9910的LD端能調(diào)整CS端內(nèi)部的Uref。由式(2)、式(3)與式(6)得溫度T與在電容充電時(shí)間Tc內(nèi)輸入能量Wc的關(guān)系，即

從式(8)可見，溫度T與電容電壓Uc為反變化關(guān)系。1 s內(nèi)給100μF高壓儲(chǔ)能電容C1充電，其電壓變化曲線如圖8所示。

如圖8所示，溫度在22～80℃范圍變化時(shí)，對(duì)應(yīng)在1 s內(nèi)高壓儲(chǔ)能電容C1能充到的最高電壓變化范圍為428～340 V，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻閃燈內(nèi)部溫度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

1.5 MK6A12P單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

MK6A12P單片機(jī)具有低功耗特性，為使其正常工作，需為其提供一小功率電源，單獨(dú)提供的小功率電源使整體電路變復(fù)雜。HV9910的內(nèi)部電源能向外提供7.5 mW功率，滿足MK6A12P單片機(jī)正常工作需要，因此采用HV9910的內(nèi)部電源直接給MK單片機(jī)供電的方法，降低電路的復(fù)雜度。

頻閃燈整體工作電路如圖9所示，其中MK6A12P單片機(jī)PB1腳的電壓UPB用于判斷電路是否處于過壓狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓Ui低于51 V時(shí)，UPB= UcR11/(R11+R1)-UD5，當(dāng)Ui高于51 V時(shí)，UPB=Ui-UD3-UD5。通過檢測(cè)UPB是否大于1.5 V，判斷電路是否為過壓狀態(tài)。

當(dāng)電路處于過壓狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)通過控制HV9910的PWM_D端，停止電路工作，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際使用需要，利用單片機(jī)設(shè)置不同的工作模式。

2 實(shí)測(cè)結(jié)果

圖10和圖11分別為當(dāng)輸入電壓為10 V和50 V時(shí)，A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)的電壓波形圖。

從實(shí)測(cè)結(jié)果可見，在設(shè)定的輸入電壓范圍內(nèi)，升壓電路能正常工作，實(shí)現(xiàn)了寬電壓工作的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于HV9910芯片設(shè)計(jì)的寬電壓高亮度頻閃燈，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：高亮度頻閃燈在10～50 V寬電壓范圍良好工作，其內(nèi)部溫度自適應(yīng)電路能隨著溫度變化，合理地調(diào)整發(fā)光時(shí)頻閃管釋放的能量，多種工作模式及過壓保護(hù)電路使這種燈的可靠性與實(shí)用性得到了增強(qiáng)。