目前，很多相機閃光燈使用大功率白光LED，為了達到足夠的亮度，這些白光LED需要高達2A的驅動電流，這就要求電池必須能提供3.5A的電流達到100ms。傳統(tǒng)的解決方法是采用電流控制模式升壓轉換器為LED提供2A的驅動電流和正向電壓（一般是4.2V，最大可達到5.1V）。假定電池電壓是3.5V，效率85%，那么，電池的電流則等于：2A×5.15V/3.5V/85%=3.4A。而目前手機電池能提供的電流大約0.8mA～1A,因此，拍照手機要想使用LED閃光燈，首先得解決閃光燈的驅動問題。 采用超級電容器技術從而使得拍照手機可以使用大功率LED。這些超級電容器結合了高容量（1F或更大）和低ESR（<100mΩ）特性，可以提供LED需要的瞬間脈沖功率（11W），并同時保護電池端，不致于釋放過高的功率。這些器件外型小巧，適合應用于空間有限的便攜產(chǎn)品，如可拍照手機等。CAP-XX應用工程師提供了兩套方案,可讓拍照手機設計工程師加速電路設計。其一是利用升降壓電路輸出至超級電容器；另一結構是超級電容器與電池串接。 超級電容器位于升降壓轉換器的輸出端（方案1） 圖1是該方案的方框圖，圖2是電路圖。該電路的優(yōu)勢是超級電容器也可以用于其他如GPRS發(fā)射等高脈沖功率應用中。有兩種工作模式：一種是Flash模式，升降壓轉換器給超級電容器充電至大約5.5V；另一種方式是Torch模式，超級電容器充電到GPRS需要的最適合的電壓（一般情況下是3.6～ 3.8V），給LED提供較低的連續(xù)的驅動電流，一般為200mA。 如圖2所示，F(xiàn)lash模式中通過控制與64kΩ電阻串聯(lián)的場效應管來選擇升降壓輸出電壓是到Flash模式還是Torch模式，這可以改變LTC3442反饋輸入端的電阻分壓器比值。該場效應管導通時是Flash模式，關斷時是Torch模式。類似地，在選擇LED閃光燈的電流時，也通過控制與856Ω電阻串連的場效應管來改變ST1851運算放大器+ve輸入端的參考電壓的電阻分壓器的比值來實現(xiàn)。 升降壓轉換器必須具有限流功能，以便限制給超級電容器的充電電流過高或負載電流過大。下面是對這兩種方式的具體介紹。 在升壓轉換器中，當功率首次使用后，從電感和功率二極管到輸出端就會存在一個低阻抗通路。由于低ESR值和高容量，上電時輸出端的超級電容器看起來就像一個短路。舉例來說，假定電池阻抗是120mΩ，電池電壓是3.6V，功率二極管上的正向壓降是0.2V，電感的電阻是10mΩ，超級電容器的ESR值是40mΩ，在上電的瞬間，浪涌電流就是：（3.6V-0.2V）/170mΩ=20A，對于圖2中的1.5F超級電容器，浪涌電流在255ms后仍將達到7A。LTC3442采用current mirror來感知輸入電感的電流，當超過限定電流值時，關斷Vin和電感之間的場效應管，這也是為什么選擇使用LTC3442。通過設置RLIM=63kΩ來限定電池的平均電流為1A。 帶負載時的額外電池電流 升壓轉換器和超級電容器共同為負載提供電流，它們之間的比值是：升壓轉換器輸出電流/超級電容器電流=超級電容器ESR/升壓轉換器阻抗。為了避免過分依賴超級電容器ESR和升壓轉換器阻抗的比值來限制電池電流，安全的做法是限制升壓轉換器的電流，因為當升壓轉換器的輸出阻抗低時會導致額外的電池電流。 在Torch模式下，通過與RF PA PWR并聯(lián)的場效應管，超級電容器可以支持電池給GPRS模塊以及其他大功耗電路供電，如圖1所示。電池提供平均電流，超級電容器提供峰值電流，這樣，在發(fā)射及通話過程中GPRS模塊的供電電源就可以大大降低壓降。 在Flash模式下，升壓轉換器需要選擇電流限制值，以保證電池的最大電流在規(guī)定的范圍內(nèi)，而超級電容器則從Torch模式的電壓（在圖1、2中是3.6V）充電到5.5V。在Flash模式下，超級電容器從5V充電到5.5V所需要的時間少于LED的熱恢復時間。如圖2所示，LTC3442的最小輸入電流限定值為1A，典型輸入電流為2A，那么，給1.5F的超級電容器從3.6V充電到5.5V，且充電電流為1A，則所需時間為1.5F× （5.5V-3.6V）/1A=2.8s（或1.4s，充電電流為2A）。在Flash模式下，在閃光之間給超級電容器充電所需的最大時間為1.5F×（5.5V-5.0V）/1A=0.75s。一個典型的LED閃光燈在閃光之間的熱恢復時間是2.5s。閃光脈沖的持續(xù)時間是由LED閃光燈的熱恢復特性決定的，對于LED，在2A電流下，最大閃光脈沖持續(xù)時間是100ms。 在Flash模式下，超級電容器充電到5.5V，RF PA PWR場效應管關斷以避免過壓損壞GPRS模塊或其他大電流功耗電路。因此，采用這種結構，在使用閃光燈時，手機不可能再與網(wǎng)絡連接。但是，一般情況下，人們在拍照片時，不會同時接聽電話，因此，這并不算個問題。 當手機從Flash模式切換到Torch模式時，超級電容器可以從5.5V快速放電到Torch模式電壓（在圖1中是3.6V），給LED閃光燈供電（在圖1、2中，從超級電容器獲得200mA電流）。一旦超級電容器放電到規(guī)定的電壓，圖1中的RF PA PWR場效應管將導通。注意，一個最大額定電壓5.5V的CAP-XX超級電容器由兩個單元串連而成。 超級電容的C值與ESR值可以按照如下方法選擇： ● 設定閃光脈沖結束時的超級電容器的最終電壓。根據(jù)Luxeon Flash LXCL-PWF1的技術手冊可知，2A時，其典型正向電壓是4.2V，ZXM64N02X FET的RDSON=50mΩ，感應電阻為 47mΩ，因此，輸出電流是2A時，通過電路的壓降大約為200mV，所以，超級電容器的電壓最少為5V，該電路對所有正向電壓為4.8V的LED都適用。 ● 設定超級電容器的充電電壓（升壓轉換器輸出電壓）。額定電壓為4.5V的CAP-XX超級電容器允許的最大電壓是5V，但是，這是閃光脈沖結束時的最小電壓，由于在Flash模式下，超級電容器僅工作在升壓轉換器電壓下，因此，設定升降壓轉換器輸出電壓為 5.25V。這樣做并不會明顯影響超級電容器的使用壽命。拍照手機的邏輯電路應該有休息時間，用戶不能讓它一直工作在Flash模式。 ● 設定超級電容器的C值與ESR值。LED閃光燈閃光脈沖期間的壓降包括IR壓降+超級電容器的放電壓降。在圖1的例子中，IR=（2A-1A）×40mΩ=40mV，超級電容器放電到5.0V時壓降為5.25V-5.0V-40mV=210mV。根據(jù)I=CdV/dt,此處I為常數(shù)，因此，可得C=（2A-1A）×100ms/210mV = 0.48F。可見，在圖1中我們選擇的CAP-XX GS216超級電容器有充足的余量。 超級電容器與電池串聯(lián)（方案2） 圖3所示為方案2的方框圖，圖4為方案2的電路圖，圖5是測試波形。在該方案中，超級電容器與電池串聯(lián)。2A電流下，LED閃光燈獲得10W的功率，但是，電池電流=LED閃光燈電流，因此，電池的功率比LED閃光燈需要的功率小得多。如果電池電壓為3.5V，LED閃光燈電流為2A，則功率僅為7W，超級電容器提供了另外的3W，而文章開頭給出的例子中，電池需向2A LED閃光燈提供高達12.25W的功率。 在Flash模式下，啟動升壓轉換器，超級電容器充電到大約5.5V，超級電容器的負極端接電池電壓（3.3V～4.2V）。設計者就可以采用比方案１中更薄的超級電容器。在方案1中，升壓轉換器采用了限流，以便超級電容器在合理的時間內(nèi)充電到5.5V,而在Flash模式下，超級電容器從5V充電到5.5V所用的時間少于LED閃光燈閃光之間所需的剩余時間。 同方案1不同的是，因為升壓轉換器的工作電壓就是輸入電壓，因此，在上電瞬間不存在浪涌電流問題。我們選擇Zetex ZXSC100作為升壓控制IC，主要考慮它在設定最大電流時具有低成本和高精確性。ZXSC100的internal reference為25mV，用于Isense輸入，所以，47mΩ電流感應電阻設定電流為 0.5A。如果電池電壓為3.5V，則給圖4中的CAP-XX GW118超級電容器充電所需時間為1.2F×（5.5V-3.5V）/0.5A =4.8s，充電到5.5V時，超級電容器需要1.2F×（5.5V-5.0V）/0.5A=1.2s的時間完成閃爍之間的放電，這個時間遠小于LED閃光燈要求的熱恢復時間，在閃光脈沖期間，升壓轉換器被關閉。 超級電容器的C值和ESR值可參照如下方法選擇： ● 閃光脈沖結束時超級電容器的最終電壓為5V，同方案1一樣。 ● 設定超級電容器的充電電壓（升壓輸出電壓）。單個CAP-XX超級電容器單元的工作電壓是2.3V，如果能使LED閃光燈工作的電池的最小電壓為 3.3V，那么，升壓輸出電壓就是：3.3V +2.3V=5.6V。 ● 現(xiàn)在，設定超級電容器的C值和ESR值。LED閃光脈沖前期的IR壓降為ILED×（ESR+電池阻抗），從圖4可以計算出為2A×（30mΩ+125mΩ）=310mV，則超級電容器還需要放電5.6V -5.0V-310mV=290mV，以達到最終5.0V電壓，這決定了C=2A×100ms/290mV=0.69F。所以，在電池阻抗為125mΩ、ESR值為30mΩ時，超級電容器的C值必須大于0.69F，以保證在閃光脈沖結束時電壓為5.0V，CAP-XX GW118顯然有很大余量。 圖5所示為圖4電路的電壓和電流波形，我們用GW101（600mF,80mΩ）替換了CAP-XX GW118，讓升壓轉換器在閃光脈沖期間保持打開狀態(tài)。電池除了提供LED閃光燈所需的2A電流，還提供超級電容器的充電電流200mA,總共是2.2A。LED在每個閃光脈沖時獲取10W功率：電池提供7.7W,剩下的由超級電容器提供。 圖6所示為不同的供電方案下的電池電流的對比。沒有超級電容器的方案中由升壓轉換器的輸入端的電池為LED供電，從圖中可以看出，其典型電池電流和最大電池電流與LED的正向電壓范圍相關。方案1中，電池電流是恒定不變的，其大小由升降壓轉換器的輸入限定電流決定；方案2中，電池電流等于LED的電流，但LED的功耗遠大于電池功率，由超級電容器提供額外的功率。