基于HV9910宽电压的自适应温度高亮度频闪灯

摘要 设计了一种基于HV9910的自适应温度宽电压范围的高亮度频闪灯，其利用HV9910的宽电压特性，可在10～50 V宽电压范围内高亮度工作。结合HV9910的LD端及二极管的热敏特性，使其根据内部温度变化调节频闪能量，并利用HV9910的内部电源给微功耗的MK6A12P单片机供电，使频闪灯具有过压保护及多种模式工作的功能。

频闪灯与普通灯相比，因其体积小，短时间内发出强光，因此被广泛用于化学分析仪器、工业定位检测及交通警示等领域。现有的高亮度频闪灯的工作电压范围小，通常12～24 V，且无温度补偿功能，因此长期在高温条件下工作时，储能电容的温度过高，储能电容爆裂，或大幅缩减使用寿命。

HV9910是美国Supertex公司生产的一种低成本、PWM控制芯片，可在8～450 V范围内工作，且可向外部提供7.5 V、1 mA的电源，目前常用于LED驱动设计中。利用上述特点设计了一种10～50 V宽电压范围内工作且自适应内部温度变化的高亮度频闪灯。

1 基于HV9910的宽电压高亮度频闪灯

1.1 整体电路框图

高亮度频闪灯主要由内部温度检测、过压检测、工作模式设置、驱动及脉冲触发部分组成，具有完善的保护功能和高温自适应功能，整体电路框图如图1所示。

1.2 HV9910的特性

HV9910的内部结构框图如图2所示。

Vin为高压输入脚，可输入8～450 V;Vdd脚外接电容提供芯片工作电压，同时向外电路提供7.5 V、1 mA最大电流;CS脚为电流采样端，与内部的参考电压0.25 V比较后产生PWM波形;利用LD脚可设置低于0.25 V参考电压;PWM_D为使能输入端，低电平时芯片停止工作。

1.3 宽电压范围的反激式升压电路设计

高亮度频闪灯工作要求在0.8～1.2 s内给100μ以上的储能电容，储存400 V以上的电压后向频闪管中放电，从而发出强光。为满足上述要求，利用HV9910设计了在10～50 V宽电压范围工作的反激式升压器，如图3所示。

同一型号MOSFET的导通内阻具有良好的一致性，因此利用MOSFET管的导通内阻实现对电感电流的检测。为说明图3中三极管Q2的工作原理，在图4中用二极管D2、D1代替Q2进行说明。

当升压电路工作时，电流检测电路中各点的工作情况如图5所示。

在电流检测电路中，二极管PN结的正向导通电压会随工作环境温度变化而变化，为克服这种缺陷，采用将D2、D1对接方法来消除温度对检测电路的影响。在开关管Q1导通时间Ton内，C点为高电平，开关管Q1和二极管D2、D1导通，A点电压即为开关管Q1导通压降UDS_on，经二极管D2、D1反馈到B点，此时B点电压由式(1)决定

UB=UDS_on+UD2-UD1 (1)

因二极管D2、D1导通压降基本相同，此时开关管导通压降UDS_on即为B点电压，如图5所示，在Ton时间内导通压降UDS_on很好地反馈到了B点，再经电阻R6、R8将B点电压分压后，与CS端的参考电压Uref进行比较。当反馈到CS端的电压升到Uref时，开关管Q1关闭，此时电感电流为峰值IP，变压器T1初级电感导通时储存的能量WL即可由式(2)确定

在关闭时间Toff内C点为低电平，A点电压反激为高电压，因二极管D2处于截止状态，此时B点电压为零。

在确定了电感储存的能量WL与储能电容需储存的能量Wc的前提下，为使高压电容在Tc时间内两端电压达到Uc时，开关管需导通次数N由式(3)确定，其中η是变压器的输出效率，f为工作频率

当电容充电时间Tc取0.8～1.2 s，高压储能电容容值为100μF、电压为400 V，变压器的输出效率η=80%时，使线圈电感量为60μH，确定了工作频率f应高于40 kHz才能满足设计要求，又HV9910的PWM频率Fosc由与Rosc脚相连的电阻确定。综合考虑各种因素，确定频率Fosc为50 kHz，即与Rosc脚相连499 kΩ的电阻。

1.4 频闪灯内部温度的自适应调节原理

频闪灯高亮度方式工作时内部温度会达到100℃以上，而高压储能电容的最高温度为105℃，高压电解电容长期在高温状态下时，内部的电解液干枯，缩短了使用寿命。

因此在频闪灯不停止工作的前提下，采用随其内部温度升高而适当降低发光时释放能量的方式。其工作模式如图6所示。

图6中可知，随着频闪灯内部温度的升高，C1的充电速率减小，降低C1充电电压最大值。

本次设计中，利用二极管PN结热敏特性特性设计了温度自适应调节电路。二极管的PN结的正向压降UD与温度升关系由式(5)决定

UD=Ugo-KT (5)

式中，Ugo为定值;K是正向压降随温度变化的系数(K约为2 mV/℃)。图3中温度自适应调节电路是把D4的正向导通电压UD经过电阻R4、R7分压后反馈到LD端。在式(6)中，反馈到LD端的电压为UL

在UL低于0.25 V时，利用LD端的可设置低于0.25 V参考电压的特点，使参考电压Uref随温度T升高而降低。

图7为当温度T在22～80℃范围内变化时，LD端电压的变化曲线图。

经实测表明，利用二极管热敏特性及HV9910的LD端能调整CS端内部的Uref。由式(2)、式(3)与式(6)得温度T与在电容充电时间Tc内输入能量Wc的关系，即

从式(8)可见，温度T与电容电压Uc为反变化关系。1 s内给100μF高压储能电容C1充电，其电压变化曲线如图8所示。

如图8所示，温度在22～80℃范围变化时，对应在1 s内高压储能电容C1能充到的最高电压变化范围为428～340 V，实现了对频闪灯内部温度的自适应调节。

1.5 MK6A12P单片机控制电路的设计

MK6A12P单片机具有低功耗特性，为使其正常工作，需为其提供一小功率电源，单独提供的小功率电源使整体电路变复杂。HV9910的内部电源能向外提供7.5 mW功率，满足MK6A12P单片机正常工作需要，因此采用HV9910的内部电源直接给MK单片机供电的方法，降低电路的复杂度。

频闪灯整体工作电路如图9所示，其中MK6A12P单片机PB1脚的电压UPB用于判断电路是否处于过压状态。当输入电压Ui低于51 V时，UPB= UcR11/(R11+R1)-UD5，当Ui高于51 V时，UPB=Ui-UD3-UD5。通过检测UPB是否大于1.5 V，判断电路是否为过压状态。

当电路处于过压状态时，单片机通过控制HV9910的PWM_D端，停止电路工作，同时可根据实际使用需要，利用单片机设置不同的工作模式。

2 实测结果

图10和图11分别为当输入电压为10 V和50 V时，A点、B点、C点的电压波形图。

从实测结果可见，在设定的输入电压范围内，升压电路能正常工作，实现了宽电压工作的目的。

3 结束语

基于HV9910芯片设计的宽电压高亮度频闪灯，经过实验得出如下结论：高亮度频闪灯在10～50 V宽电压范围良好工作，其内部温度自适应电路能随着温度变化，合理地调整发光时频闪管释放的能量，多种工作模式及过压保护电路使这种灯的可靠性与实用性得到了增强。