数码相机闪光灯充电电路分析

数码相机闪光灯充电电路分析 一、 前言 目前市场上的数码相机和手机相机对于质量要求越来越高，环境亮度不足时需要闪光灯 辅助以改善照相质量。闪光灯是一种在极短的时间内产生极高光波能量的装置，目前大多使 用氙灯。其触发方式是利用一个高压电容器储存足够的能量，然后将其能量释放至灯管，此 能量会在灯管内激发氙气而发光。 二、 充电电路简介 触发闪光灯所需的能量由一个高压电容（一般约 200V~300V）储能提供。在手持式产 品中(如：数码相机、手机)，如何将电池能量有效且快速地储存到高压电容，取决于充电电 路的设计。早期的充电电路由许多分立电路组合而成，如图一，这种电路效率较差、所需元 器件数较多，而且占用很大的电路板尺寸，不适合便携产品的开发。随着半导体技术的蓬勃 发展，许多厂商推出了将充电电路组件及控制器整合成到一颗芯片的，如图二所示。集 成控制方案有固定频率、固定导通时间和峰值限流控制方案。在此类应用中，固定频率控制 效率较低，固定导通时间控制则受限于变压器一次侧的电感值，而电流峰值限制则具有高效、 安全等特点。本文针对峰值电流限制模式进行深入探讨。 图一、传统闪光灯充电电路 图二、集成闪光灯充电电路 1/6 三、 充电电路分析—以MAX8622为例 MAX8622支持 2节碱性电池或 1节锂电池的应用，并在 IC内部集成了 MOSFET，利 用峰值电流限制控制方式，电路如图三所示。此充电架构相当于反激式转换器，MAX8622 采用逐周期限流方式，可有效抑制输入浪涌电流，并快速、高效地为输出电容充电。 图三电路中，利用变压器一次侧的电感储能，再将能量传送到二次侧的输出电容。 MOSFET导通时，输入电压会对电感充电，电感电流上升；一旦电感电流上升至峰值点（由 ISET 设定），将断开 MOSFET。此时一次侧电感上的能量传递到输出电容，当二次侧电流 降至几乎为零时再次导通 MOSFET，如此循环，直至输出电容电压达到设定值。图四与图 五为不同周期的一次侧与二次侧电流波形。这类应用中，充电时间是一个非常重要的参数， 以下介绍了该参数的理论推导与分析。 图三、MAX8622充电电路 图四、一次侧与二次侧电流波形（充电的前几个周期） 2/6 图五、一次侧与二次侧电流波形（充电中的几个周期） （一）输出电压与充电时间 定义变压器匝数比为 N，变压器一次侧电感为 ，二次侧电感为 PL ps LNL 2= 当MOSFET导通时， IN PKPP on IN PP IN P P V IL t V ILtV dt dIL , ×=⇒∆×=∆⇒=× ……（1） ont 定义为每个周期MOSFET的导通时间 由公式（1）可得知在 为定值，则每个周期的 也为一定值。 PINPKP LVI ,,, ont 当MOSFET截止时，此电路就为 LC串联电路，故可得： OP off P offPKPoffS CLN t LN VtI N tI 1,)sin()cos(1)( 002 0 1 0, =×⋅⋅−××= ωωωω SI 的初始值为 PKPIN , 1 且定义 为每个周期 的初始值， 为输出电容。 1V oV OC 当 =0 时，MOSFET 就会导通而切换至下一个周期，故可以推导出每个周期的截止时间 （off-time）为： SI 3/6 ……（2） 由公式（2）也可看出每个周期的 是不固定的， 会随着输出电容电压增加而越来越小。 假设输出电容初始值为 0（即 =0）则第一个周期的 off –time 为 offt offt 1V 2 1 0 π ω ⋅ （即 04 1 f⋅ , C N LP ⋅⋅ 24 1 的周期） )tan V t P= ω ( 1 0)sin()cos(1 1 0,1 0 02 0 1 0, LNI t LN VtI PPK off off P offPKP ⋅⋅⋅ =×⋅⋅−×× − ω ωωωN 某个周期输出电容电压为： )cos()sin( ,0,1,00,, noffnnoffPKPPno tVtILNV ωωω ×+××××= ……（3） 整个充电时间为： ∑ = += M k koffon ttt 1 , )( ……（4） （定义V ettMo V arg, = ） 将 二 次 侧 谐 振 电 流 线 性 化 ， 假 设 1 0, V LNI PPKP ⋅⋅⋅ω 很 小 ， 所 以 1 0, 1 0,1 )(tan V LNI V LNI PPKPPPKP ⋅⋅⋅≈⋅⋅⋅− ωω ，并且假设每个切换周期输出电压的变化很小 （ ），故公式（2）可简化得 oVV =1 o PPKP o PPKP off V LNI V LNI t ⋅⋅=⋅⋅⋅×= ,0, 0 1 ω ω ……（5） o P PKP o SPKP off PKP V LI V L N I t N I Q ⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅=∆ 2 , 2,, 2 1)( 2 1 2 ，在 时间内是对输出电容充电 offt o P PKP OO o V LI CC QV ⋅⋅⋅= ∆=∆ 2,2 1 因为 、 、 非常的小，所以我们可以将oV∆ ont offt t Vo ∆ ∆ 等效为输出电压 对时间的微分。故 可得 oV tVIVVN 4/6 CC ⋅⋅+⋅⇒ 2 2V dtVIdt dt dVVNC dt dVVC VI dt dVVNC dt dVVC VNV VI C V LNI V LI V LI C tt V t V dt dV INPKP INPKP o INO o oO INPKP o INO o oO INo INPK O o PPKP IN PPKP o P PKP O offon ooo ⋅⋅=⋅⋅ ⋅=⋅⋅⋅+⋅⋅⋅ ⋅=⋅⋅⋅+⋅⋅ ⋅+ ⋅⋅=⋅⋅+⋅ ⋅⋅⋅=+ ∆=∆ ∆= ∫ ∫ , , , ,, 2 , )22( 22 2 12 1 ⇒ ⇒ oINOoO PKP oO INPKP oO I VNC VI VCt So ,, 2 2 ⋅⋅+⋅ ⋅= ……（6） （一） 输入电压与充电时间之间的关系 假设变压器一次侧电感为 5μH、匝数比为 1:15，峰值电流限制为 1.6A，输出电 压由 30V到 300V，不考虑损失情况下。 利用公式（6）可仿真出输入电压与充电时间的关系曲线，如图五。 图五、输入电压与充电时间曲线图之仿真结果（无考虑损失） 上述推导都是以理想状况，没有考虑损失，若将损失考虑进去，所得之模拟结 果与实际量测结果比较如图六。 图六、输入电压与充电时间曲线图仿真结果与实测结果之比较（考虑损失） 四、 结论 本文章针对MAX8622峰值电流限制控制方式的闪光灯充电线路做一完整分析与仿真， 推导出的公式有助于我们了解每个参数变化的影响，并可利用所推导的公式得到一些有用的 结果，仿真结果与实际测量结果非常接近。从上述结果可以看出MAX8622所采用的控制架 5/6 6/6 构能够有效抑制输入浪涌电流，快速且高效地为输出电容充电。