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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:2A×5.15V/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(www.cap-xx.com)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=2A×100ms/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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