用于蜂窝电话／照相机闪光照明的简单电路

　　概述

　　下一代蜂窝电话将具有高品质的照相功能。随着改良的图像传感器和光学配件即将投放市场，人们渐渐地将注意力投向高质量的“闪光”照明。闪光照明是取得优质照相性能的关键因素，因此需要重点和仔细地加以考虑。

　　闪光照明解决方案

　　目前，闪光照明有两种主要的解决方案 —— LED (发光二极管) 和闪光灯。LED的优势在于有持续工作能力和低密度支持电路。而闪光灯重要的特点在于能实现高质量摄影。它的线型源光线输出亮度是LED点源输出的几百倍，能在广泛的区域里轻松地扩散密集的光线。此外，闪光灯的色温在5500oK到6000oK之间，十分接近自然光线，免去白光LED的蓝光峰值输出所必需的纠色过程。

　　闪光灯基础

　　闪光灯的柱形玻璃管充满了氙气，阳极和阴极电极直接接触气体；而分布在闪光灯外表面的触发电极不接触气体。气体击穿的潜在可能范围是几千伏特，一旦发生击穿，闪光灯阻抗降到≤1Ω。气体击穿时的高电流会产生强烈的可见光。事实上，所需的大电流要求闪光灯发光前处于低阻抗状态下。触发电极负责实现这个功能，它在玻璃管中传输高电压脉冲，在灯管内电离氙气。电离过程击穿了气体，使之处于低阻抗状态。低阻抗使大量电流能在阳极和阴极间通过，并产生强烈的光线。所含能量极高，以至于电流和输出光要限制在脉冲操作范围。持续地操作会快速产生极端温度，甚至破坏闪光灯。当电流脉冲衰减时，闪光灯电压降到一个低点且闪光灯回复至其高阻抗状态，从而需要另一个触发来启动传导。

　　支持电路

　　图1是闪光灯运作支持电路的工作原理图。闪光灯由一个触发电路和产生高瞬变电流的存储电容器来运作。闪光电容器在工作中的典型电压是300V。起初，电容器并不能放电，因为闪光灯处于高阻抗状态下。触发电路指令能在闪光灯内产生数千伏的触发脉冲。闪光灯被击穿后，电容器可以进行放电1。电容器、连线和灯的阻抗通常总共只有几欧姆，产生的瞬间电流范围在100A以内。强大的电流脉冲会产生强烈的闪光。而闪光重复率的最主要限制在于闪光灯能否安全地释放热量，其次是充电电路使闪光电容器完全充电所需的时间。充电至高电压的大电容器与充电电路的有限输出阻抗一起，能限制充电的速度。根据提供的输入功率、电容值和充电电路特征将充电时间限制在1到5秒之间。

　　该图显示了收到触发命令后电容器的放电过程。有时要求选择部分放电，从而产生不太强烈的闪光。这样运作可以减少“红眼” ，即一个或多个减弱强度的闪光会立刻领先于主要的闪光2。图2就是这种操作模式。它在图1的基础上添加了一个驱动器和一个大电流开关。这些组件能通过打开闪光灯传导路径来停止闪光电容器放电。这样的布局使“触发/闪光命令” 控制线脉冲宽度来设置电流流动时间和闪光能量。低能量、电容器部分放电能允许快速再充电，能在不损伤闪光灯的情况下立刻在主闪光之前数次快速连续地以低亮度闪光。

　
闪光电容器充电电路的考虑

　闪光电容器充电器 (图3) 基本上是一个变压器耦合了有特殊功能的升压转换器。当“充电”控制线变高时，调节器对电源开关进行定时，使升压变压器T1产生高电压脉冲。这些脉冲经过整流和滤波，产生出300V的直流输出电压。转换效率大约是80%。当达到所需电压时，电路会通过停止驱动电源开关进行调节。它也能拉低“DONE”线，以显示电容器满刻度充电。所有电容器的漏电损耗能通过间隔的电源开关循环得以补偿。通常，通过输出电压的电阻分压提供反馈。由于这种方法需要额外的开关循环以抵消反馈电阻器的恒定功率泄漏，所以一般不被采用。这种方式能维持调节，而它将额外地泄漏来自主电源的功率（可假定为一个电池）。相反，通过监控T1的回扫脉冲特性来实现调节，它反映了T1的次级振幅。输出电压通过T1的匝数比进行设置。这个功能允许获得准确的电容器电压调节，这是在不超过灯能量或电容器额定电压的情况下确保闪光强度的必要条件。同样，无须改变其它电路，只要通过电容值就能轻松设定闪光灯能量。

　　详细电路探讨

　　在深入探讨之前，读者必须认识到在建构、测试和采用这种电路时要十分小心。高电压和致命的危险因素潜伏在这种电路中。所以在使用和连接电路时要特别的小心。重申：该电路包含危险性和高压隐患，一定要多加小心。

　
　　图4是基于前文讨论的完整闪光灯电路。显示在左上角的电容器充电电路与图3类似。添加了一个D2，安全地箝住T1产生的反转瞬变电压。Q1和Q2驱动高电流开关Q3。由T 2升压变压器生成高压触发脉冲。假设C1完全充电，当Q1－Q2导通Q3，C2积聚电流到T2的主边，再由T2副端传递高压触发脉冲到闪光灯，电离使之传导。C1在灯内放电并形成闪光。

　　图5详述了电容器充电次序。轨迹A（即“充电” 输入）转高。这引起T1转换，导致C1斜线上升（轨迹B）。当C1到达调节点时，开关停止，电阻上拉的 “DONE”线下降（轨迹C），以显示C1的充电状态。当“DONE” 走低，能使C1通过灯至Q3路径放电的“TRIGGER” 指令（轨迹D）可能随时发出（在这情况约为 600ms）。请注意，图中的触发指令为了相片的清晰被延长；C1的完全放电时间通常是500μs至1000μs。低亮度闪光（如减少“红眼”时）采用短时触发输入指令。

　　图6反映了高压触发器脉冲（轨迹A）和生成闪光灯电流（轨迹B）的高速详细情况。触发后需要一定的时间闪光灯才能进入电离和开始传导。在此，8kVP-P触发脉冲后10μs闪光灯电流开始上升到近100A。电流在5μs时间内平滑升高，达到定义的峰值后开始下降。产生的光（图7）上升较为缓慢，需要约25μs时间达到峰值，然后进入衰减。示波器扫描减速能捕捉到完整的电流和光线活动。

　　灯、布局、RFI和相关问题

　　灯的考虑

　　几个与闪光灯相关的问题需要注意。必须全面理解和把握灯触发要求，否则会造成闪光不完全甚至根本不闪光。大多数与触发器相关的问题在于触发器变压器选择、驱动和与灯之间的物理位置。一些闪光灯制造商提供触发器变压器、灯和光线扩散器组成的单一集成组件。这意味着触发变压器是由闪光灯供应商认证过的，而驱动性能良好。在另一些情况下，闪光灯是由用户自己选配的变压器和驱动器触发的，这就需要得到灯供应商的认证后才能进行量产。

　　灯的阳极和阴极通过灯的主放电路径。必须重视电极极性，否则灯的使用寿命会严重缩短。同样，也要考虑灯能量分散限制，否则也会折损使用寿命。过度的灯能量消耗会导致灯爆裂或破损。通过选择电容值和充电电压以及限定闪光重复率，能轻松可靠地控制能量。考虑到触发问题，用户自行设置电路的闪光条件在量产前需要经灯制造商认证。

　　假定触发和闪光能量适当，灯的预计使用寿命在5000次闪光左右。虽然所有灯使用次数都被供应商所规定，但由于灯的具体型号间有差异，实际使用次数也可能会有所不同。使用寿命界定的典型衡量标准是灯的亮度降到原先值的80%。

　　布局

　　高电压和电流管理布局计划。回到图4，C1的放电路径是通过灯、Q3和接回至地。约等于100A的峰值电流意味着该放电路径必须保持低阻抗。C1、灯和Q3间的传导电路应短且低于1Ω。此外，Q3的发射极和C1的负端应直接连接，以便在C1正端、灯和Q3回到C1间形成一个紧凑并具高传导性的环路。由于大电流会引起局部大电阻率区域的导体侵蚀，应避免突然的轨迹中断和导孔。如果一定要采用导孔，那一定要加以填满和通过低阻抗认证或采用多个导孔。无法避免的电容器ESR、灯和Q3电阻通常总共在1Ω到2.5Ω之间。所以总轨迹阻抗在0.5Ω或以下就足够了。同样，高电流上升时间相对缓慢（见图6）表示无须特别严格地控制迹线电感。

　　C1是电路内最大的组件；从空间考虑可能需要安装得远一些。在互连电阻保持在限度范围的前提下，可采用长轨迹或电线来实现。

　　电容器充电器IC布局与传统开关调节器类似。由IC的VIN的引脚、旁路电容器、变压器主端和开关引脚组成的电路须短且具高传导性。IC的接地引脚应直接回到一个低电阻、平板地连接。变压器300V输出电压需要超过所有高压节点的最低间距要求，以符合电路板击穿要求。检证板材击穿参数和确保板子的清洁过程不产生受传导损害。T2的数千伏触发绕线必须与灯的触发电极直接连接，最好导线不到1/4英寸 。须保证充足的高电压空间。总之，尽可能没有导体接触电路板。额外的T2输出长度会引起触发脉冲下降或射频干扰（RFI）。从这方面考虑，闪光灯——触发器变压器模块组件是最佳的选择。