基于HV9910寬電壓的自適應溫度高亮度頻閃燈

摘要 設計了一種基于HV9910的自適應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寬電壓范圍內高亮度工作。結合HV9910的LD端及二極管的熱敏特性，使其根據(jù)內部溫度變化調節(jié)頻閃能量，并利用HV9910的內部電源給微功耗的MK6A12P單片機供電，使頻閃燈具有過壓保護及多種模式工作的功能。

頻閃燈與普通燈相比，因其體積小，短時間內發(fā)出強光，因此被廣泛用于化學分析儀器、工業(yè)定位檢測及交通警示等領域?，F(xiàn)有的高亮度頻閃燈的工作電壓范圍小，通常12～24 V，且無溫度補償功能，因此長期在高溫條件下工作時，儲能電容的溫度過高，儲能電容爆裂，或大幅縮減使用壽命。

HV9910是美國Supertex公司生產(chǎn)的一種低成本、PWM控制芯片，可在8～450 V范圍內工作，且可向外部提供7.5 V、1 mA的電源，目前常用于LED驅動設計中。利用上述特點設計了一種10～50 V寬電壓范圍內工作且自適應內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部溫度檢測、過壓檢測、工作模式設置、驅動及脈沖觸發(fā)部分組成，具有完善的保護功能和高溫自適應功能，整體電路框圖如圖1所示。

1.2 HV9910的特性

HV9910的內部結構框圖如圖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，與內部的參考電壓0.25 V比較后產(chǎn)生PWM波形;利用LD腳可設置低于0.25 V參考電壓;PWM_D為使能輸入端，低電平時芯片停止工作。

1.3 寬電壓范圍的反激式升壓電路設計

高亮度頻閃燈工作要求在0.8～1.2 s內給100μ以上的儲能電容，儲存400 V以上的電壓后向頻閃管中放電，從而發(fā)出強光。為滿足上述要求，利用HV9910設計了在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MOSFET的導通內阻具有良好的一致性，因此利用MOSFET管的導通內阻實現(xiàn)對電感電流的檢測。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進行說明。

當升壓電路工作時，電流檢測電路中各點的工作情況如圖5所示。

在電流檢測電路中，二極管PN結的正向導通電壓會隨工作環(huán)境溫度變化而變化，為克服這種缺陷，采用將D2、D1對接方法來消除溫度對檢測電路的影響。在開關管Q1導通時間Ton內，C點為高電平，開關管Q1和二極管D2、D1導通，A點電壓即為開關管Q1導通壓降UDS_on，經(jīng)二極管D2、D1反饋到B點，此時B點電壓由式(1)決定

UB=UDS_on+UD2-UD1 (1)

因二極管D2、D1導通壓降基本相同，此時開關管導通壓降UDS_on即為B點電壓，如圖5所示，在Ton時間內導通壓降UDS_on很好地反饋到了B點，再經(jīng)電阻R6、R8將B點電壓分壓后，與CS端的參考電壓Uref進行比較。當反饋到CS端的電壓升到Uref時，開關管Q1關閉，此時電感電流為峰值IP，變壓器T1初級電感導通時儲存的能量WL即可由式(2)確定

在關閉時間Toff內C點為低電平，A點電壓反激為高電壓，因二極管D2處于截止狀態(tài)，此時B點電壓為零。

在確定了電感儲存的能量WL與儲能電容需儲存的能量Wc的前提下，為使高壓電容在Tc時間內兩端電壓達到Uc時，開關管需導通次數(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

當電容充電時間Tc取0.8～1.2 s，高壓儲能電容容值為100μF、電壓為400 V，變壓器的輸出效率η=80%時，使線圈電感量為60μH，確定了工作頻率f應高于40 kHz才能滿足設計要求，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 頻閃燈內部溫度的自適應調節(jié)原理

頻閃燈高亮度方式工作時內部溫度會達到100℃以上，而高壓儲能電容的最高溫度為105℃，高壓電解電容長期在高溫狀態(tài)下時，內部的電解液干枯，縮短了使用壽命。

因此在頻閃燈不停止工作的前提下，采用隨其內部溫度升高而適當降低發(fā)光時釋放能量的方式。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。

本次設計中，利用二極管PN結熱敏特性特性設計了溫度自適應調節(jié)電路。二極管的PN結的正向壓降UD與溫度升關系由式(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中溫度自適應調節(jié)電路是把D4的正向導通電壓UD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，利用LD端的可設置低于0.25 V參考電壓的特點，使參考電壓Uref隨溫度T升高而降低。

圖7為當溫度T在22～80℃范圍內變化時，LD端電壓的變化曲線圖。

經(jīng)實測表明，利用二極管熱敏特性及HV9910的LD端能調整CS端內部的Uref。由式(2)、式(3)與式(6)得溫度T與在電容充電時間Tc內輸入能量Wc的關系，即

從式(8)可見，溫度T與電容電壓Uc為反變化關系。1 s內給100μF高壓儲能電容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，對應在1 s內高壓儲能電容C1能充到的最高電壓變化范圍為428～340 V，實現(xiàn)了對頻閃燈內部溫度的自適應調節(jié)。

1.5 MK6A12P單片機控制電路的設計

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

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

當電路處于過壓狀態(tài)時，單片機通過控制HV9910的PWM_D端，停止電路工作，同時可根據(jù)實際使用需要，利用單片機設置不同的工作模式。

2 實測結果

圖10和圖11分別為當輸入電壓為10 V和50 V時，A點、B點、C點的電壓波形圖。

從實測結果可見，在設定的輸入電壓范圍內，升壓電路能正常工作，實現(xiàn)了寬電壓工作的目的。

3 結束語

基于HV9910芯片設計的寬電壓高亮度頻閃燈，經(jīng)過實驗得出如下結論：高亮度頻閃燈在10～50 V寬電壓范圍良好工作，其內部溫度自適應電路能隨著溫度變化，合理地調整發(fā)光時頻閃管釋放的能量，多種工作模式及過壓保護電路使這種燈的可靠性與實用性得到了增強。