用于蜂窩電話／照相機(jī)閃光照明的簡單電路

概述

　　下一代蜂窩電話將具有高品質(zhì)的照相功能。隨著改良的圖像傳感器和光學(xué)配件即將投放市場，人們漸漸地將注意力投向高質(zhì)量的“閃光”照明。閃光照明是取得優(yōu)質(zhì)照相性能的關(guān)鍵因素，因此需要重點(diǎn)和仔細(xì)地加以考慮。

閃光照明解決方案

　　目前，閃光照明有兩種主要的解決方案—— LED ( 發(fā)光二極管) 和閃光燈。LED 的優(yōu)勢在于有持續(xù)工作能力和低密度支持電路。而閃光燈重要的特點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量攝影。它的線型源光線輸出亮度是LED 點(diǎn)源輸出的幾百倍，能在廣泛的區(qū)域里輕松地?cái)U(kuò)散密集的光線。此外，閃光燈的色溫在5500oK 到6000oK 之間，十分接近自然光線，免去白光LED 的藍(lán)光峰值輸出所必需的糾色過程。

閃光燈基礎(chǔ)

　　閃光燈的柱形玻璃管充滿了氙氣，陽極和陰極電極直接接觸氣體；而分布在閃光燈外表面的觸發(fā)電極不接觸氣體。氣體擊穿的潛在可能范圍是幾千伏特，一旦發(fā)生擊穿，閃光燈阻抗降到=1O。氣體擊穿時(shí)的高電流會產(chǎn)生強(qiáng)烈的可見光。事實(shí)上，所需的大電流要求閃光燈發(fā)光前處于低阻抗?fàn)顟B(tài)下。觸發(fā)電極負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，它在玻璃管中傳輸高電壓脈沖，在燈管內(nèi)電離氙氣。電離過程擊穿了氣體，使之處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。低阻抗使大量電流能在陽極和陰極間通過，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的光線。所含能量極高，以至于電流和輸出光要限制在脈沖操作范圍。持續(xù)地操作會快速產(chǎn)生極端溫度，甚至破壞閃光燈。當(dāng)電流脈沖衰減時(shí)，閃光燈電壓降到一個(gè)低點(diǎn)且閃光燈回復(fù)至其高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而需要另一個(gè)觸發(fā)來啟動(dòng)傳導(dǎo)。

支持電路

 
　　圖1, 閃光燈電路原理包括充電電路、存儲電容器、觸發(fā)器和燈。觸發(fā)命令電離燈內(nèi)氣體，使電容器通過閃光燈放電。電容器必須先進(jìn)行再充電，觸發(fā)器才能使閃光燈再次閃光。

　　圖1 是閃光燈運(yùn)作支持電路的工作原理圖。閃光燈由一個(gè)觸發(fā)電路和產(chǎn)生高瞬變電流的存儲電容器來運(yùn)作。閃光電容器在工作中的典型電壓是300V。起初，電容器并不能放電，因?yàn)殚W光燈處于高阻抗?fàn)顟B(tài)下。觸發(fā)電路指令能在閃光燈內(nèi)產(chǎn)生數(shù)千伏的觸發(fā)脈沖。閃光燈被擊穿后，電容器可以進(jìn)行放電1。電容器、連線和燈的阻抗通?？偣仓挥袔讱W姆，產(chǎn)生的瞬間電流范圍在100A 以內(nèi)。強(qiáng)大的電流脈沖會產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃光。而閃光重復(fù)率的最主要限制在于閃光燈能否安全地釋放熱量，其次是充電電路使閃光電容器完全充電所需的時(shí)間。充電至高電壓的大電容器與充電電路的有限輸出阻抗一起，能限制充電的速度。根據(jù)

　　提供的輸入功率、電容值和充電電路特征將充電時(shí)間限制在1 到5 秒之間。

 
　　圖2, 在圖1 的基礎(chǔ)上添加了驅(qū)動(dòng)器/電源開關(guān)，允許電容器部分放電，從而控制光線發(fā)射。在主閃光前容

　　許低亮度光線脈沖，可以盡量減弱“紅眼”現(xiàn)象。

　　該圖顯示了收到觸發(fā)命令后電容器的放電過程。有時(shí)要求選擇部分放電，從而產(chǎn)生不太強(qiáng)烈的閃光。這樣運(yùn)作可以減少“紅眼” ，即一個(gè)或多個(gè)減弱強(qiáng)度的閃光會立刻領(lǐng)先于主要的閃光2。圖2 就是這種操作模式。它在圖1 的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)大電流開關(guān)。這些組件能通過打開閃光燈傳導(dǎo)路徑來停止閃光電容器放電。這樣的布局使“觸發(fā)/閃光命令” 控制線脈沖寬度來設(shè)置電流流動(dòng)時(shí)間和閃光能量。低能量、電容器部分放電能允許快速再充電，能在不損傷閃光燈的情況下立刻在主閃光之前數(shù)次快速連續(xù)地以低亮度閃光。

閃光電容器充電電路的考慮

 
　　圖4, 完整的閃光燈電路包括電容器充電組件（圖左側(cè)）、閃光電容器C1、觸發(fā)器（R1、C2、T2）、Q1 - Q2 驅(qū)動(dòng)器、Q3 電源開關(guān)和閃光燈。TRIGGER 指令同時(shí)偏置Q3，并通過T2 電離閃光燈。C1 通過燈放電產(chǎn)生燈光。

　　閃光電容器充電器 (圖3) 基本上是一個(gè)變壓器耦合了有特殊功能的升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)“充電”控制線變高時(shí)，調(diào)節(jié)器對電源開關(guān)進(jìn)行定時(shí)，使升壓變壓器T1 產(chǎn)生高電壓脈沖。這些脈沖經(jīng)過整流和濾波，產(chǎn)生出300V 的直流輸出電壓。轉(zhuǎn)換效率大約是80%。當(dāng)達(dá)到所需電壓時(shí)，電路會通過停止驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)。它也能拉低“DONE”線，以顯示電容器滿刻度充電。所有電容器的漏電損耗能通過間隔的電源開關(guān)循環(huán)得以補(bǔ)償。通常，通過輸出電壓的電阻分壓提供反饋。由于這種方法需要額外的開關(guān)循環(huán)以抵消反饋電阻器的恒定功率泄漏，所以一般不被采用。這種方式能維持調(diào)節(jié)，而它將額外地泄漏來自主電源的功率（可假定為一個(gè)電池）。相反，通過監(jiān)控T1 的回掃脈沖特性來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，它反映了T1 的次級振幅。輸出電壓通過T1 的匝數(shù)比進(jìn)行設(shè)置。這個(gè)功能允許獲得準(zhǔn)確的電容器電壓調(diào)節(jié)，這是在不超過燈能量或電容器額定電壓的情況下確保閃光強(qiáng)度的必要條件。同樣，無須改變其它電路，只要通過電容值就能輕松設(shè)定閃光燈能量。

詳細(xì)電路探討

　　在深入探討之前，讀者必須認(rèn)識到在建構(gòu)、測試和采用這種電路時(shí)要十分小心。高電壓和致命的危險(xiǎn)因素潛伏在這種電路中。所以在使用和連接電路時(shí)要特別的小心。重申：該電路包含危險(xiǎn)性和高壓隱患，一定要多加小心。

 
　　圖3, 閃光電容器充電器電路包括IC 調(diào)節(jié)器、升壓變壓器、整流器和電容器。調(diào)節(jié)器通過監(jiān)控T1 回掃脈沖控制電容器電壓，消除了傳統(tǒng)反饋電阻分壓器的路徑損耗?？刂埔_包括充電指令和充電完成（“DONE” ）顯示。

　　圖4 是基于前文討論的完整閃光燈電路。顯示在左上角的電容器充電電路與圖3 類似。添加了一個(gè)D2，安全地箝住T1 產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)瞬變電壓。Q1 和Q2 驅(qū)動(dòng)高電流開關(guān)Q3。由T 2 升壓變壓器生成高壓觸發(fā)脈沖。假設(shè)C1 完全充電，當(dāng)Q1－Q2 導(dǎo)通Q3，C2 積聚電流到T2 的主邊，再由T2 副端傳遞高壓觸發(fā)脈沖到閃光燈，電離使之傳導(dǎo)。C1 在燈內(nèi)放電并形成閃光。

 
　　圖5, 電容器充電波形包括充電輸入（軌跡A）、C1（軌跡B）、DONE 輸出（軌跡C）、TRIGGER 輸入（軌跡D）。電容值和充電電路輸出阻抗決定了C1 的充電時(shí)間。為了圖清晰展寬了的TRIGGER 輸入可能在DONE 走低后隨時(shí)發(fā)生。

　　圖5 詳述了電容器充電次序。軌跡A（即“充電” 輸入）轉(zhuǎn)高。這引起T1 轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致C1 斜線上升（軌跡B）。當(dāng)C1 到達(dá)調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，開關(guān)停止，電阻上拉的“DONE”線下降（軌跡C），以顯示C1 的充電狀態(tài)。當(dāng)“DONE” 走低，能使C1 通過燈至Q3 路徑放電的“TRIGGER” 指令（軌跡D）可能隨時(shí)發(fā)出（在這情況約為 600ms）。請注意，圖中的觸發(fā)指令為了相片的清晰被延長；C1 的完全放電時(shí)間通常是500µs 至1000µs。低亮度閃光（如減少“紅眼”時(shí)）采用短時(shí)觸發(fā)輸入指令。

 
　　圖6, 觸發(fā)器脈沖（軌跡A）和生成閃光燈電流（軌跡B）的高速詳情。觸發(fā)器脈沖電離閃光燈后，電流達(dá)到100A。

　　圖6 反映了高壓觸發(fā)器脈沖（軌跡A）和生成閃光燈電流（軌跡B）的高速詳細(xì)情況。觸發(fā)后需要一定的時(shí)間閃光燈才能進(jìn)入電離和開始傳導(dǎo)。在此，8kVP-P 觸發(fā)脈沖后10µs 閃光燈電流開始上升到近100A。電流在5µs 時(shí)間內(nèi)平滑升高，達(dá)到定義的峰值后開始下降。產(chǎn)生的光（圖7）上升較為緩慢，需要約25µs 時(shí)間達(dá)到峰值，然后進(jìn)入衰減。示波器掃描減速能捕捉到完整的電流和光線活動(dòng)。

 
　　圖7, 在25µs 時(shí)間內(nèi)，閃光燈光線輸出平穩(wěn)地上升到峰值。

燈、布局、RFI 和相關(guān)問題燈的考慮

　　幾個(gè)與閃光燈相關(guān)的問題需要注意。必須全面理解和把握燈觸發(fā)要求，否則會造成閃光不完全甚至根本不閃光。大多數(shù)與觸發(fā)器相關(guān)的問題在于觸發(fā)器變壓器選擇、驅(qū)動(dòng)和與燈之間的物理位置。一些閃光燈制造商提供觸發(fā)器變壓器、燈和光線擴(kuò)散器組成的單一集成組件。這意味著觸發(fā)變壓器是由閃光燈供應(yīng)商認(rèn)證過的，而驅(qū)動(dòng)性能良好。在另一些情況下，閃光燈是由用戶自己選配的變壓器和驅(qū)動(dòng)器觸發(fā)的，這就需要得到燈供應(yīng)商的認(rèn)證后才能進(jìn)行量產(chǎn)。

　　燈的陽極和陰極通過燈的主放電路徑。必須重視電極極性，否則燈的使用壽命會嚴(yán)重縮短。同樣，也要考慮燈能量分散限制，否則也會折損使用壽命。過度的燈能量消耗會導(dǎo)致燈爆裂或破損。通過選擇電容值和充電電壓以及限定閃光重復(fù)率，能輕松可靠地控制能量?？紤]到觸發(fā)問題，用戶自行設(shè)置電路的閃光條件在量產(chǎn)前需要經(jīng)燈制造商認(rèn)證。

　　假定觸發(fā)和閃光能量適當(dāng)，燈的預(yù)計(jì)使用壽命在5000 次閃光左右。雖然所有燈使用次數(shù)都被供應(yīng)商所規(guī)定，但由于燈的具體型號間有差異，實(shí)際使用次數(shù)也可能會有所不同。使用壽命界定的典型衡量標(biāo)準(zhǔn)是燈的亮度降到原先值的80%。

布局

　　高電壓和電流管理布局計(jì)劃?；氐綀D4，C1 的放電路徑是通過燈、Q3 和接回至地。約等于100A 的峰值電流意味著該放電路徑必須保持低阻抗。C1、燈和Q3 間的傳導(dǎo)電路應(yīng)短且低于1O。此外，Q3 的發(fā)射極和C1 的負(fù)端應(yīng)直接連接，以便在C1 正端、燈和Q3 回到C1 間形成一個(gè)緊湊并具高傳導(dǎo)性的環(huán)路。由于大電流會引起局部大電阻率區(qū)域的導(dǎo)體侵蝕，應(yīng)避免突然的軌跡中斷和導(dǎo)孔。如果一定要采用導(dǎo)孔，那一定要加以填滿和通過低阻抗認(rèn)證或采用多個(gè)導(dǎo)孔。無法避免的電容器ESR、燈和Q3 電阻通?？偣苍?O 到2.5O 之間。所以總軌跡阻抗在0.5O 或以下就足夠了。同樣，高電流上升時(shí)間相對緩慢（見圖6） 表示無須特別嚴(yán)格地控制跡線電感。

　　C1 是電路內(nèi)最大的組件；從空間考慮可能需要安裝得遠(yuǎn)一些。在互連電阻保持在限度范圍的前提下，可采用長軌跡或電線來實(shí)現(xiàn)。

　　電容器充電器IC 布局與傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)器類似。由IC 的VIN 的引腳、旁路電容器、變壓器主端和開關(guān)引腳組成的電路須短且具高傳導(dǎo)性。IC 的接地引腳應(yīng)直接回到一個(gè)低電阻、平板地連接。變壓器300V 輸出電壓需要超過所有高壓節(jié)點(diǎn)的最低間距要求，以符合電路板擊穿要求。檢證板材擊穿參數(shù)和確保板子的清潔過程不產(chǎn)生受傳導(dǎo)損害。T2 的數(shù)千伏觸發(fā)繞線必須與燈的觸發(fā)電極直接連接，最好導(dǎo)線不到1/4 英寸。須保證充足的高電壓空間?？傊M可能沒有導(dǎo)體接觸電路板。額外的T2 輸出長度會引起觸發(fā)脈沖下降或射頻干擾（RFI）。從這方面考慮，閃光燈——觸發(fā)器變壓器模塊組件是最佳的選擇。