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使用超级电容驱动白光LED相机闪光灯图

发布时间:2020-06-30 18:39:27 阅读: 来源:树脂胶粉厂家

目前,很多相机闪光灯使用大功率白光LED,为了达到足够的亮度,这些白光LED需要高达2A的驱动电流,这就要求电池必须能提供3.5A的电流达到100ms。传统的解决方法是采用电流控制模式升压转换器为LED提供2A的驱动电流和正向电压(一般是4.2V,最大可达到5.1V)。假定电池电压是 3.5V,效率85%,那么,电池的电流则等于:2A5.15V/3.5V/85%=3.4A。而目前手机电池能提供的电流大约 0.8mA~1A,因此,拍照手机要想使用LED闪光灯,首先得解决闪光灯的驱动问题。

CAP-XX公司()采用超级电容器技术从而使得拍照手机可以使用大功率LED。这些超级电容器结合了高容量(1F或更大)和低ESR(100mΩ)特性,可以提供LED需要的瞬间脉冲功率(11W),并同时保护电池端,不致于释放过高的功率。这些器件外型小巧,适合应用于空间有限的便携产品,如可拍照手机等。CAP-XX应用工程师提供了两套方案,可让拍照手机设计工程师加速电路设计。其一是利用升降压电路输出至超级电容器;另一结构是超级电容器与电池串接。

超级电容器位于升降压转换器的输出端(方案1)图1是该方案的方框图,图2是电路图。该电路的优势是超级电容器也可以用于其他如GPRS发射等高脉冲功率应用中。有两种工作模式:一种是Flash模式,升降压转换器给超级电容器充电至大约5.5V;另一种方式是Torch模式,超级电容器充电到GPRS需要的最适合的电压(一般情况下是3.6~ 3.8V),给LED提供较低的连续的驱动电流,一般为200mA。

图1 结构上,升降压稳压器给电容充电,而场效应管起放大触发功能

如图2所示,Flash模式中通过控制与64kΩ电阻串联的场效应管来选择升降压输出电压是到Flash模式还是Torch模式,这可以改变LTC3442反馈输入端的电阻分压器比值。该场效应管导通时是Flash模式,关断时是Torch模式。类似地,在选择LED闪光灯的电流时,也通过控制与856Ω电阻串连的场效应管来改变ST1851运算放大器+ve输入端的参考电压的电阻分压器的比值来实现。

升降压转换器必须具有限流功能,以便限制给超级电容器的充电电流过高或负载电流过大。下面是对这两种方式的具体介绍。

在升压转换器中,当功率首次使用后,从电感和功率二极管到输出端就会存在一个低阻抗通路。由于低ESR值和高容量,上电时输出端的超级电容器看起来就像一个短路。举例来说,假定电池阻抗是120mΩ,电池电压是3.6V,功率二极管上的正向压降是0.2V,电感的电阻是10mΩ,超级电容器的ESR值是40mΩ,在上电的瞬间,浪涌电流就是:(3.6V-0.2V)/170mΩ=20A,对于图2中的1.5F超级电容器,浪涌电流在255ms后仍将达到7A。LTC3442采用current mirror来感知输入电感的电流,当超过限定电流值时,关断Vin和电感之间的场效应管,这也是为什么选择使用LTC3442。通过设置RLIM=63kΩ来限定电池的平均电流为1A。

带负载时的额外电池电流升压转换器和超级电容器共同为负载提供电流,它们之间的比值是:升压转换器输出电流/超级电容器电流=超级电容器ESR/升压转换器阻抗。为了避免过分依赖超级电容器ESR和升压转换器阻抗的比值来限制电池电流,安全的做法是限制升压转换器的电流,因为当升压转换器的输出阻抗低时会导致额外的电池电流。

图2 方案1的电路图,从图中可见,无源元件的选值对电路性能很重要

在Torch模式下,通过与RF PA PWR并联的场效应管,超级电容器可以支持电池给GPRS模块以及其他大功耗电路供电,如图1所示。电池提供平均电流,超级电容器提供峰值电流,这样,在发射及通话过程中GPRS模块的供电电源就可以大大降低压降。

在Flash模式下,升压转换器需要选择电流限制值,以保证电池的最大电流在规定的范围内,而超级电容器则从Torch模式的电压(在图1、2中是3.6V)充电到5.5V。在Flash模式下,超级电容器从5V充电到5.5V所需要的时间少于LED的热恢复时间。如图2所示,LTC3442的最小输入电流限定值为1A,典型输入电流为2A,那么,给1.5F的超级电容器从3.6V充电到5.5V,且充电电流为1A,则所需时间为1.5F (5.5V-3.6V)/1A=2.8s(或1.4s,充电电流为2A)。在Flash模式下,在闪光之间给超级电容器充电所需的最大时间为1.5F(5.5V-5.0V)/1A=0.75s。一个典型的LED闪光灯在闪光之间的热恢复时间是2.5s。闪光脉冲的持续时间是由LED闪光灯的热恢复特性决定的,对于LED,在2A电流下,最大闪光脉冲持续时间是100ms。

在Flash模式下,超级电容器充电到5.5V,RF PA PWR场效应管关断以避免过压损坏GPRS模块或其他大电流功耗电路。因此,采用这种结构,在使用闪光灯时,手机不可能再与网络连接。但是,一般情况下,人们在拍照片时,不会同时接听电话,因此,这并不算个问题。

当手机从Flash模式切换到Torch模式时,超级电容器可以从5.5V快速放电到Torch模式电压(在图1中是3.6V),给LED闪光灯供电(在图1、2中,从超级电容器获得200mA电流)。一旦超级电容器放电到规定的电压,图1中的RF PA PWR场效应管将导通。注意,一个最大额定电压5.5V的CAP-XX超级电容器由两个单元串连而成。

图3 升压转换器调节超级电容器充电过程

超级电容的C值与ESR值可以按照如下方法选择(参考图2):● 设定闪光脉冲结束时的超级电容器的最终电压。根据Luxeon Flash LXCL-PWF1的技术手册可知,2A时,其典型正向电压是4.2V,ZXM64N02X FET的RDSON=50mΩ,感应电阻为 47mΩ,因此,输出电流是2A时,通过电路的压降大约为200mV,所以,超级电容器的电压最少为5V,该电路对所有正向电压为4.8V的LED都适用。● 设定超级电容器的充电电压(升压转换器输出电压)。额定电压为4.5V的CAP-XX超级电容器允许的最大电压是5V,但是,这是闪光脉冲结束时的最小电压,由于在Flash模式下,超级电容器仅工作在升压转换器电压下,因此,设定升降压转换器输出电压为 5.25V。这样做并不会明显影响超级电容器的使用寿命。拍照手机的逻辑电路应该有休息时间,用户不能让它一直工作在Flash模式。● 设定超级电容器的C值与ESR值。LED闪光灯闪光脉冲期间的压降包括IR压降+超级电容器的放电压降。在图1的例子中,IR=(2A-1A)40mΩ=40mV,超级电容器放电到5.0V时压降为5.25V-5.0V-40mV=210mV。根据I=CdV/dt,此处I为常数,因此,可得C=(2A-1A)100ms/210mV = 0.48F。可见,在图1中我们选择的CAP-XX GS216超级电容器有充足的余量。

图4 升压稳压器简化了拓扑结构,但是不能用于RF部分供电,触发电路保持不变

超级电容器与电池串联(方案2)图3所示为方案2的方框图,图4为方案2的电路图,图5是测试波形。在该方案中,超级电容器与电池串联。2A电流下,LED闪光灯获得10W的功率,但是,电池电流=LED闪光灯电流,因此,电池的功率比LED闪光灯需要的功率小得多。如果电池电压为3.5V,LED闪光灯电流为2A,则功率仅为7W,超级电容器提供了另外的3W,而文章开头给出的例子中,电池需向2A LED闪光灯提供高达12.25W的功率。在Flash模式下,启动升压转换器,超级电容器充电到大约5.5V,超级电容器的负极端接电池电压(3.3V~4.2V)。设计者就可以采用比方案1中更薄的超级电容器。在方案1中,升压转换器采用了限流,以便超级电容器在合理的时间内充电到5.5V,而在Flash模式下,超级电容器从5V充电到5.5V所用的时间少于LED闪光灯闪光之间所需的剩余时间。

同方案1不同的是,因为升压转换器的工作电压就是输入电压,因此,在上电瞬间不存在浪涌电流问题。我们选择Zetex ZXSC100作为升压控制IC,主要考虑它在设定最大电流时具有低成本和高精确性。ZXSC100的internal reference为25mV,用于Isense输入,所以,47mΩ电流感应电阻设定电流为 0.5A。如果电池电压为3.5V,则给图4中的CAP-XX GW118超级电容器充电所需时间为1.2F(5.5V-3.5V)/0.5A =4.8s,充电到5.5V时,超级电容器需要1.2F(5.5V-5.0V)/0.5A=1.2s的时间完成闪烁之间的放电,这个时间远小于LED闪光灯要求的热恢复时间,在闪光脉冲期间,升压转换器被关闭。

超级电容器的C值和ESR值可参照如下方法选择:● 闪光脉冲结束时超级电容器的最终电压为5V,同方案1一样。● 设定超级电容器的充电电压(升压输出电压)。单个CAP-XX超级电容器单元的工作电压是2.3V,如果能使LED闪光灯工作的电池的最小电压为 3.3V,那么,升压输出电压就是:3.3V +2.3V=5.6V。● 现在,设定超级电容器的C值和ESR值。LED闪光脉冲前期的IR压降为ILED(ESR+电池阻抗),从图4可以计算出为2A(30mΩ+125mΩ)=310mV,则超级电容器还需要放电5.6V -5.0V-310mV=290mV,以达到最终5.0V电压,这决定了C=2A100ms/290mV=0.69F。所以,在电池阻抗为125mΩ、ESR值为30mΩ时,超级电容器的C值必须大于0.69F,以保证在闪光脉冲结束时电压为5.0V,CAP-XX GW118显然有很大余量。

图5 测试波形表明闪光期间的大电流并没有对电池电压有太多影响

图5所示为图4电路的电压和电流波形,我们用GW101(600mF,80mΩ)替换了CAP-XX GW118,让升压转换器在闪光脉冲期间保持打开状态。电池除了提供LED闪光灯所需的2A电流,还提供超级电容器的充电电流200mA,总共是2.2A。LED在每个闪光脉冲时获取10W功率:电池提供7.7W,剩下的由超级电容器提供。

图6所示为不同的供电方案下的电池电流的对比。没有超级电容器的方案中由升压转换器的输入端的电池为LED供电,从图中可以看出,其典型电池电流和最大电池电流与LED的正向电压范围相关。方案1中,电池电流是恒定不变的,其大小由升降压转换器的输入限定电流决定;方案2中,电池电流等于LED的电流,但LED的功耗远大于电池功率,由超级电容器提供额外的功率。

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