基于CP2122B1的红外照明补光系统设计与应用

本文介绍了采用低成本、高效率的升压型电源管理芯片CP2122B1 驱动红外发射二极管，实现的红外照明补光系统。文中针对红外发射二极管的特性，结合CP2122B1 的工作特点，详细讨论了CP2122B1 在红外照明补光系统中的应用，并给出了多种典型应用方案。该方案可广泛应用于各种监控系统，为其提供高效、稳定的夜间红外补光。

一、红外发射二极管的驱动需求

在隐蔽夜视监控系统中，目前大多采用红外摄像技术。红外摄像技术可分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术。所谓被动红外摄像技术是利用物质在绝对零度 (-273oC)以上都会发射红外光的特性，采用特殊的摄像机可实现对红外线的捕捉与成像；主动红外成像技术，即采用红外辐射“照明”，产生人眼看不见的红外光，采用普通摄像机捕捉周围环境反射回来的红外光实现成像。采用被动成像技术需要使用造价昂贵的特殊摄像机，而且被动成像技术不能完整的反映周围环境状况，因此在夜视系统中大多采用主动成像技术实现夜间隐蔽拍摄，红外照明补光系统的可靠性将很大程度上影响监控系统在夜间工作的效果。

红外灯按其红外光辐射机理分为半导体固体发光(红外发射二极管)红外灯和热辐射红外灯两种。红外发射二极管由红外辐射效率高的材料(常用砷化镓GaAs) 制成PN 结，外加正向偏压向PN 结注入电流激发红外光，光谱功率分布为中心波长830 -- 950nm，半峰带宽约40nm 左右，它是窄带分布，为普通CCD 黑白摄像机可感受的范围。其最大的优点是可以完全无红暴(采用940～950nm 波长红外管)或仅有微弱红暴(红暴为有可见红光)，且寿命长；热辐射红外灯是利用物体的热辐射效应，在热辐射光源中通过加热灯丝来维持它的温度，供辐射继续不断的进行，其最大不足之处是包含可见光成份，即有红暴，且使用寿命短。由于红外发射二极管的以上优势，其在红外照明补光系统中将得到更加广泛的应用。

红外发光二极管的红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁。红外发光二极管的伏安特性与普通硅二极管极为相似。当电压越过正向阈值电压（约0.8V左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流对工作电压十分敏感。因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。红外发光二极管辐射功率随环境温度的升高（包括其本身的发热所产生的环境温度升高）会使其辐射功率下降。由于红外发光二极管的以上特性，其驱动电路的设计将在很大程度上决定其在红外照明补光系统中的应用效果。简单来说，在其电源系统的设计中要控制流过红外发射二极管的电流，使其即兼顾亮度和效率。

二、传统的解决方案

传统的解决方案中采用恒压源来驱动红外发射二极管。采用这样的方式，在电源电压稳定时完全可以满足要求。然而在实际应用中，由于电网的波动造成恒压电源的电压存在较大的波动，进而造成系统不能正常工作，表现如下：

电源电压上升：流过红外发射二极管的电流增大，当电流升到接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。如果电流持续上升，会造成红外发射二极管烧毁。

电源电压下降：流过红外发射二极管的电流减小。由于红外发光二极管的红外辐射功率与正向工作电流成正比，因此其亮度会大大降低，无法满足照明补光亮度的需求。

显而易见，采用恒压输出的方式驱动红外发射二极管，在实际应用中存在明显不足，无法解决夜间照明补光系统中驱动电路的需求。因此，在红外照明补光驱动电路设计中，需要满足在一个较为宽泛的电压输入范围内实现恒流驱动。

三、采用CP2122B1的红外发射二极管的驱动解决方案

对于红外发射二极管来说，当电压越过正向阈值电压（约0.8V 左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流要求十分敏感。因此要求工作电流准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。辐射功率随环境温度的升高(包括其本身的发热所产生的环境温度升高)会使其辐射功率下降。因此在红外发光二极管的驱动电路中，电流与电压的控制是特别需要注意的。

CP2122B1 是启攀微电子开发的一颗高效率，大功率电感升压型DC/DC 驱动器，该芯片具有电流反馈功能，可实现对流过外部用电器电流的准确控制，即恒流控制，其主要的那个指标如下：

１工作电压范围: 2.7-5.5V；

２效率可高达88%；

３ 300mV 反馈电压；

４开关管最大驱动能力900mA；

５内置过流，过热保护。

因此，CP2122B1 完全可以满足红外照明补光系统中电源设计的要求。结合红外发射二极管和CP2122B1 的特性，下面给出两种采用CP2122B1 驱动40 颗红外发射二极管的典型电路，当然根据实际应用的不同，CP2122B1 可以驱动更多或更少的红外发射二极管。

（1）方案一：采用CP2122B1驱动2串x20颗

本方案根据日新科技的红外发光二极管EDIR9405B1 进行设计，其主要技术指标如下：正向导通电压 VFTypical = 1.7V @ IF = 60mA。


CP2122驱动40个红外LED灯(2串×20个)

在以上方案中，采用R1 实现电流设置，用来设置2 串红外LED 灯并联后的总电流IR，R1=Vfb/IR。其中，FB 端的电压Vfb=300mV。

比如，欲使单路LED 灯的电流是60mA，则通过R1 的电流是120mA，此时，R1=300mV/120mA=2.5 欧姆。当单个LED 灯的压降是1.7V 时，则VOUT=1.7V×20＝34V。此时需注意稳压二极管D1 的参数选择，须满足负载的最低要求，即通过D1 的电流须大于120mA，同时D1 的耐压须大于34V；也需要合理的选择电容CIN 和COUT。

（2）方案二：采用CP2122B1驱动4串x10颗

本方案根据日新科技的红外发光二极管EDIR9405B1 进行设计，其主要技术指标如下：正向导通电压 VFTypical = 1.7V @ IF = 60mA。


在该方案中，采用一个电流设置电阻R1，用来设置4 串红外LED 灯并联后的总电流IR，R1=Vfb/IR。其中，FB 端的电压Vfb=300mV。

比如，欲使单路LED 灯的电流是60mA，则通过R1 的电流是240mA，此时，R1=300mV/240mA=1.25 欧姆。当单个LED 灯的压降是1.7V 时，则VOUT=1.7V×1017V。此时需注意稳压二极管D1 的参数选择，须满足负载的最低要求，即通过D1 的电流须大于240mA，同时D1 的耐压须大于17V；也需要合理的选择电容CIN 和COUT。

四、实际应用

以上两种方案均在实际应用中的到验证，以上给出的方案可以准确的控制流过LED的电流，使红外LED 保持正常持续放光。综合比较两个方案，其技术特点如下：

方案一的整体驱动电流较小，损失在反馈电阻上的热功耗较小。但是其需要的工作电压也相对较高。因此在实际使用中，对于输入电压过低(VIN<8V)的情况下，转换效率会有所降低(70%左右)，但是其可以工作在更高的输入电压下。

方案二的整体驱动电流较大，损失在反馈电阻上的热功耗较大，但是其需要的工作电压也相对较低。因此在实际使用中，方案二适用于对于输入电压比较低的情况下。

另外，由于不同厂家的红外发射二极管的技术指标有所差异，因此，在实际应用中，需要根据所选用的红外LED 的特性进行单串LED 数量的增减和R1 阻值的调整。