专利名称::数字脉冲控制的电容充电电路的制作方法
技术领域:
:0001本发明涉及一种用于对与相机闪光灯一起使用的高压进行充电和存储的电路及方法。
背景技术:
:0002随着移动电话和其它便携电子设备的综合发展,生产商努力将更多功能涵括在这些设备中以吸引消费者。目前,小型数码相机已经涵括在一些移动电话中。但这些相机不总是用于有充足自然光的情况下以保证拍摄出良好曝光的照片。电子闪光/闪光灯是一种为有限自然光量的摄影应用提供适当光照的简单廉价方法。然而,这些闪光灯的体积和复杂性妨碍了将电子闪光灯包含于便携电子设备中。因而,需要更小更紧凑的闪光系统与便携设备一起使用。0003如本
技术领域:
内的技术人员所知的,传统闪光灯电路是采用大量分立元件制造的,其中包括多个电阻器、电容器以及电感器。这些模拟元件可用于对储能电容器充电。除这些元件外,回描变压器电路也可用以对闪光灯电路的储能电容器充电,该电路将初级电流的一连串脉冲用于回描变压器。然而,由于回描变压器的二级绕组在放电期间能量的不完全耗尽以及开机时电路中的空载分立元件充电所必需的瞬态电流量,所以产生了通常所说的涌流的现象。本领域中的技术人员很熟悉该现象并且了解这种现象从性能角度来说是不希望的。因此,除了需要更小更紧凑的闪光系统之外,另外需要一种可以被快速有效地充电同时经受最小涌流的系统。
发明内容0004在一个实施例中,一种对电容充电电路充电的方法包含产生数字脉冲序列,将数字脉冲序列转化为交流信号,放大交流信号以产生高压交流信号,对高压交流信号进行整流以产生电容充电信号,对电容充电电路中的特征数据进行采样,根据特征数据优化数字脉冲序列,以及采用电容充电信号对电容器充电。该数字脉冲序列可根据特征数据进行连续优化。0005在另一实施例中,一种便携电子设备包含移动电话,连接至移动电话的初级电源,连接至初级电源用以对初级电源提供的电压进行升压的变压器,连接至变压器用以对变压器提供的振荡电流进行整流的二极管,连接至二极管用以存储电荷的电容器,根据存储的程序提供输出信号的微控制器,以及耦合至微控制器用以经由变压器导出功率的电子开关。0006在替代的实施例中,闪光转换电路还包含耦合二极管输出端至微控制器的反馈回路。所存储的程序改变微控制器的输出以响应反馈回路中信号的变化。0007在另一可选实施例中,所述闪光转换电路还包含耦合二极管输出端至微控制器的反馈回路。所存储的程序根据接收的信号动态地改变微控制器输出的充电频率和占空比之中的至少一个,以优化闪光转换电路的性能特性。闪光转换电路的充电速度,以及充电转换电路中的涌入电流的发生都是可以在本发明的各种实施例中优化的性能特性。0008在本发明的又一实施例中,作为消费电子设备的处理器被嵌入的微控制器可用于产生驱动变压器的一连串数字脉冲,所述变压器又用于在电容器上存储高压电荷。所述微控制器可用于从基本的方波到更复杂的自适应脉冲整形方法产生各种动态信号。本领域的技术人员能够理解根据当前应用的要求选择最优波形。0009通过使用已存在于设备中的微控制器,比如移动电话固有的微控制器,或类似物,而不使用分立元件来产生一连串数字脉冲,本发明一个实施例中,包括印制电路板在内的对电容器充电的电路的尺寸和其上所用元件的数量都因此而减小了,同时保持了快速的充电时间。0010据估计本发明的典型实施例比传统闪光灯模块转化电路在尺寸上至少小10%且同时更便宜,与此同时保持了其性能(比如充电速度)。这一特点尤其需要用在微型闪光灯模块被集成到诸如带有移动电话相机和此类便携设备的小型设备的场合。0011图1示出了已知的相机闪光充电电路;0012图2示出了根据本发明一个示例性实施例的相机闪光充电电路;0013图3示出了一个流程图,根据该流程图在本发明的一个实施例中由微控制器提供数字脉冲信号;0014图4a、4b示出了本发明一个实施例的一对电压电平和耗用电流特性的示波器读数;0015图5a、5b示出了本发明另一实施例的一对电压电平和耗用电流特性的示波器读数;0016图6a、6b示出了本发明另一实施例的一对电压电平和耗用电流特性的示波器读数;0017图7a、7b示出了本发明又一实施例的一对电压电平和耗用电流特性的示波器读数;0018图8示出了图2的相机闪光充电电路的俯视图;0019图9示出了图2的相机闪光充电电路的仰视图;0020图10示出了图2的相机闪光充电电路的斜视图;和0021图11示出了正被测试的图2相机闪光充电电路的侧视图;0022在详细阐述本发明的各个实施例之前,要理解本发明并非将其应用仅限于以下说明书所述的或者附图所示的元件结构和设置。本发明具有替代的实施例并且可以通过各种方式来实现或执行。还应理解,本说明书中所用的术语是为了解释说明并且不应视为限制。具体实施例方式0023一种基本相机闪光系统具有三个主要部分用作电源的小型电池,实际产生闪光的气体放电管,以及通常由许多分立元件组成的电路。所述放电管通常包含充满氙气的管子,管子各端带有电极并在管身中有一个可以是金属或导电层的触发电极。由于需要高压来电离放电管中的气体并产生闪光,因此闪光灯电路需要在将来自电池的电压成功施加到放电管之前对其充分升压。0024典型地,由于前向式转换器的结构简单且很少受变压器振荡变化的影响,因此在传统电子闪光设备中已经将其用于升压电路。然而,由于相机制造得更加紧凑,所以低容量的电池已经日益用于为相机闪光灯提供能量。相反地,相机闪光灯要求高闪光指数,迫使需要高强度的闪光以适当地曝光图像。因此,比前向式转换器更有效的回描式转换器比传统的前向式转换器更受欢迎。由低电流对电容器的有效充电可釆用回描转换器来实现。0025如本领域的技术人员所知,采用回描转换器进行升压需要振荡电流,所述电流可以在闪光灯电路中通过连续中断DC电流来提供。DC电流的快速窄脉冲从单个振荡器传递到回描变压器,同时连续振荡其磁场。所述振荡器的主要元件是变压器的初级和次级线圈,另一电感器(反馈线圈)以及用作电控制开关的晶体管。切换的DC功率在变压器处被转换为AC信号,并照此由变压器将其逐渐升压或降压。0026相应地,图l显示了一种已有的相机闪光充电电路,其利用开关电源对电容器190充电。电容190上所存储的电荷可以稍后用来激活光电闪光管(未显示)。通常,开关电源用于必须将低DC输入转换为高DC电压输出以对电容器充电的各种应用中。由于这个过程需要变压器并且由于变压器需要振荡电源来工作,因此用开关电源施加到变压器的初级电流是由一连串通断开关脉冲控制的,由此得名。可使用各种方法来控制供给变压器的初级电流中的一连串脉冲。0027变压器对变压器的初级线圈160和次级线圈170之间的电压提高或降低的程度取决于每个线圈的匝数和/或各匝之间的空隙和材料(例如一个线圈可能缠绕另一个线圈或者两个线圈可能缠绕铁芯)。在如图1所示的升压变压器中,次级线圈170具有比初级线圈160更多的匣数。因此,在次级线圈170上产生的电压远大于初级线圈160上的电压。0028图1所示的充电电路通过充电开关155的闭合来启动,这样就从电源100发出短脉冲电流经过反馈线圈165到达晶体管150的基极。将电流施加到晶体管150的基极使得电流可以从晶体管150的集电极流到发射极。当晶体管以这种方式"导通"时,第二短脉冲电流接着可以从电源100流到变压器的初级线圈160。该脉冲引起次级线圈170上的电压变化,其依次引起反馈线圈165上的电压变化。反馈线圈165上的这个电压将电流引导至晶体管的基极,使晶体管150再次导通,并且重复此过程。由于电路连续中断并以这种方式重复,因此变压器的次级线圈170上的电压逐渐升高。0029来自变压器的高压输出由整流二极管180将其从振荡电流整流为稳定直流。该高压电荷然后用于充电闪光电解电容器190。在将此电压施加到放电管(未示出)以产生闪光之前,第二变压器(未示出)可以用来进一步提高来自电容器190的电压。0030在一个新颖的替代方案中,图2示出了根据本发明的一个示例性实施例。该实施例的中心是微控制器210,所述微控制器用以输出动态可编程的数字控制信号至图2所示实施例中的回描转换器。不像现有技术中所用的充电方法,本发明的这个实施例特点在于作为控制信号的动态脉冲充电,其中所述脉冲不必是固定占空比或固定脉宽。可以单独改变这些现象的任何一种,以优化电路的充电特性。在图2所示实施例中,动态脉冲充电由微控制器210提供。0031微控制器210在一个实施例中可以作为微处理器,还可以在含有电容充电电路的装置中起其他功能的作用。例如,如果当前电路包含于带有片上数码相机的移动电话中,则可以将通常包含于电话中以处理通话或其他应用的微处理器用作图2所示的微控制器210。0032通过去除电路中一些其它必要的分立元件,以微控制器210的形式借用现有元件的功能,有助于减少现有数字闪光转换器所需的总空间。现有技术的充电电路特征为庞大的分立元件或模拟元件。0033然而,与传统的闪光灯电路相比,本电容充电电路使用很少的分立元件,代替地是集中使用数字元件来产生脉冲序列以减少整体所需的元件总数。具体而言,通过利用微控制器210的功率消除了对LC振荡电路的需要,因而可以减少电容充电电路的尺寸并尤其降低了成本,这对于设备的尺寸和成本整体上严重受限的便携电子设备来说是一个尤其重要的因素。0034此外,为电容充电电路提供了更大的灵活性。不像如下控制信号,该控制信号的频率和波形是基于产生它的分立元件(比如图1中的反馈线圈165和电容器166所示的LC振荡器)的固有电容和感抗值而固定的,宽范围的控制信号可被编程到微控制器210并且随意激活。0035在充电电路工作期间,这些控制信号可根据反馈回路中微控制器210接收的数据进行动态变化。所述脉冲序列必须根据从电路接收到的反馈进行修改,以优化充电电路的性能特性,例如充电速度和涌流的发生率。0036在一个实施例中,微控制器210由Parallax公司的BASICStampn微处理器提供。BASICStampII微处理器是一款嵌入式处理器,其具有片上电源调节、程序存储器和BASIC解释器。BASICStampII微处理器具有可以用于直接连接各种器件的完全可编程的I/O管脚。微控制器210连接至电源220。在一个实施例中,电源220为微控制器210提供5V的电压。0037一个电子开关250从微控制器210接收控制信号,以激活或去激活从电源200到初级线圈260的电流。在一个实施例中,所述电子开关250可包含场效应晶体管FET(由ZetexSemiconductors公司生产的零件ZXM61N02F号)。0038初级线圈260和次级线圈270(将其联系在一起)包含与图2所示电路一起使用的回描变压器。在一个实施例中,该回描变压器可以是T-15-063TokyoCoil变压器。电源200用于激励回描变压器,该变压器因而对电容器充电。在一个实施例中,所述电源200提供3.6V的电压。0039整流二极管280(当其用于图2的电路中时也被称为回描二极管)连接到变压器的次级线圈270以对变压器的输出进行整流。在一个实施例中,该整流二极管280可包含一个表面贴装型快速恢复整流器(由EICDiscreteSemiconductors公司生产的零件SRA9号)。0040回描转换器的输出经过整流二极管280后由电容器290收集。这个电容器290将最终用于在相机用户拍照时对相机的闪光管释放大电压。在一个实施例中,电容器290的值为15wF。0041图2示出了由电阻230和235形成的电阻电桥,这些电阻以图2所示方式连接至电容器290的输入端。这些电阻用于形成分压器,该分压器转换和检测电容器290的充电电平,并且当电容器290处的电压达到290V时该分压器为微控制器210的输入管脚P0提供一个明显信号。在一个实施例中,电阻230的值为1MQ,而电阻235的值为4.7kQ。0042在一个实施例中,微控制器210被配置成使用由管脚P1提供的输出以及由管脚PO提供的输入。管脚P1被编程以提供可被激活或去激活的特定频率的脉冲序列。激活取决于管脚PO的输入,该输入由电阻230和235形成的检测电容器290充电电平的分压器提供。电阻251用于约束FET250的栅极输入,以保证栅极的地电压在微控制器210的管脚P1无信号时不会漂移。在一个实施例中,电阻251的值为1KQ。0043始于最初未充电的电容器290的电容充电电路被加电。微控制器210通过PO管脚的输入来判定电容器290的充电电平不足,并通过管脚P1激活脉冲序列,以便为FET250提供交变的脉冲序列,FET250周期性地激励回描变压器并通过回描变压器的次级线圈270对电容器290充电。0044当电容器被充电到所期望的电平时,微控制器210根据管脚PO的当前信号将提供给场效应管250的脉冲序列去激活。只要电路上电,则微控制器210继续监控电容器的充电电平并且必要时激活脉冲序列。0045本领域的技术人员要理解,可采用各种选择方案替换上述指定的元件和元件值。例如,应理解可用多种信号源来产生用于充电电容器电路的脉冲序列。作为说明,下列任何一种都可用于替代微控制器210:函数发生器,脉冲形成电路,微处理器以及数字信号处理器。ASIC也可用于替代微控制器所运行的程序。然而,当微控制器用于产生例如伴随图2所示微控制器210的脉冲序列时,微控制器还可用于控制电容充电系统的其他不同功能,例如对闪光灯模块和相机模块的同步,从而产生需要更少分立元件的更紧凑电路。0046另外,本发明的原理不限于具有作为分立元件的示例性实施例而所列举的上述列数值的发明。例如,很多电子开关可用来代替上述来自ZetexSemiconductors公司的FET250。例如,如IGBT的晶体管也可用于相似的效果。同样,如果希望将电容器充电到与290V不同的电平,则可以改变形成电桥电路的电阻230和235的电阻。0047此外,还应理解本发明不限于上面讨论的转换器类型。借助任何具有由交变信号激励的变压器所充电的电容器的闪光灯电路,执行设备中其他任务的微控制器可用于提供交变信号。该交变信号可以在微控制器与变压器之间被放大或不被放大。总之,本电容充电电路的原理可适用于任何采用开关电源的闪光充电电路。本领域的技术人员要理解,在不偏离本说明书所述的电容充电电路的内在原理的情况下可以对上述示例性的实施例做哪些替换和修改。0048图3显示了一个流程图300,根据该流程图在本发明的一个实施例中数字脉冲信号可由微控制器210提供。步骤310启动表示电容充电电路上电的过程。在步骤320中,判断电容器290是否达到290V电平。这里,该特定值是在上文列出的分立元件值的示例性实施例的情况下讨论的;然而,本领域的技术人员应理解290V仅仅是一个示例性的实施例,其它的实施例也是可行的。此判断是通过接收管脚PO上的输入的微控制器210进行的,而管脚PO上的输入取自图2所示的电阻230和235形成的分压器。0049如果在步骤320中确定电容器290达到290V电平,则此过程进行到步骤330并且在返回至步骤310并重新开始之前暂停一短时间。但若确定电容器290未达到该电平,则此过程进行至步骤340,其中微控制器210对FET250进行一段短时间的振荡以对电容器290充电。0050该过程可以采用存储在微控制器210中的代码来实现。如上面讨论的,微控制器210在一个实施例中是一种能够运行用BASIC语言编写的程序的StampII微处理器。为执行图3所示过程而设计的一个这种程序复制如下<table>complextableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>0051图4到图7示出了记录本电容充电电路的各个实施例的性能的示波器读数。图4到图7的每幅图均包括一对读数A和读数B。读数A突出显示了图2所示的电容器290的电平。在各图的通道2中突出显示了该电平。另一方面,每对图示中的读数B突出显示了来自图2所示电源200的耗用电流特性。这些耗用电流特性突出显示在各图的通道1中。为了监控电流特性,使用串联的较小"传感"电阻。该电阻的值为0.1Q。因此,例如观察到的100mV的电压表示lA。0052流入FET250的振荡信号的频率和占空比均可用作电路输入参数的初始集。同样,对电容器290充电期间的峰值电流的幅度、周期和均方根值(RMS)也可以用作定义充电电路性能的关键特性。根据本发明的示例性实施例,通过改变微控制器210所产生的输出信号的充电频率和占空比,可以优化电路的充电速度和涌流。0053在优选的实施例中,最优化是指最大化充电速度即图4到图7示为第二通道所示的电压电平斜率,同时最小化涌流的发生率即图4到图7示为第一通道突出显示的耗用电流特性中所示最大的尖峰高度。而在快速的充电速度和涌流现象的量值之间存在某种内部权衡,用微控制器210产生驱动本电容充电电路的脉冲波形,使得可以简单有效地修改影响这些性能特性的输入参数,以便为电路产生最优的性能特性。此外,在充电操作期间微控制器210根据从电路接收的反馈信号动态地实现该最优化。0054总之,图4至图7表明了电容充电电路的输入参数和它们对本电容充电电路的各个实施例的电路特性的结果影响之间的关系。例如,图4示出了用本电路分立元件的上述值和微控制器210的上述程序的示例性实施例所得到的结果。图5、图6和图7示出了可以通过改变这些参数即由微控制器210产生的输出的充电频率和占空比而得到的结果范围。0055最后,至于其它图,图8、图9和图10分别示出了图2的相机闪光充电电路的俯视图、仰视图和斜视图。图ll示出了正被测试的图2相机闪光充电电路的侧视图。权利要求1.一种对电容充电电路充电的方法,其包含产生一数字脉冲序列;将所述数字脉冲序列转换为交流信号;放大所述交流信号以产生高压交流信号;对所述高压交流信号进行整流以产生电容充电信号;对来自所述电容充电电路的特征数据进行采样;根据所述特征数据优化所述数字脉冲序列;以及利用所述电容充电信号对电容器进行充电。2.根据权利要求1所述的方法,其中所述数字脉冲序列是根据所述特征数据连续优化的。3.根据权利要求1所述的方法,其中所述特征数据包含可以对所述电容器充电的最大速度。4.根据权利要求1所述的方法,其中所述特征数据包含影响所述电容器的涌流的发生率。5.根据权利要求1所述的方法,其中所述数字脉冲序列采用可编程微控制器产生。6.根据权利要求1所述的方法,还包含产生具有可变且非周期性脉宽的数字脉冲序列。7.根据权利要求1所述的方法,还包含产生具有可变且非周期性占空比的数字脉冲序列。8.根据权利要求5所述的方法,其中所述微控制器将所述电容充电电路和相机模块同步。9.根据权利要求1所述的方法,其中所述数字脉冲序列采用数字信号处理器产生。10.根据权利要求1所述的方法,其中所述数字脉冲序列采用专用集成电路产生。11.一种便携电子设备,其包含-移动电话;连接至所述移动电话的初级电源;连接至所述初级电源用以升高所述初级电源提供的电压的变压器;连接至所述变压器用以对所述变压器提供的振荡电流进行整流的二极管;连接至所述二极管用以存储电荷的电容器;根据存储的程序提供输出的微控制器;以及耦合至所述微控制器用以经由所述变压器导出功率的电子开关。12.根据权利要求ll所述的闪光转换电路,还包含将所述二极管的输出耦合至所述微控制器的反馈回路,其中所述存储的程序改变由所述微控制器提供的输出以响应所述反馈回路中信号的变化。13.根据权利要求ll所述的闪光转换电路,还包含将所述二极管的输出耦合至所述微控制器的反馈回路,其中所述存储的程序根据接收的信号促使动态改变由所述微控制器提供的输出,以优化所述闪光转换电路的性能特性。14.根据权利要求13所述的闪光转换电路,其中所述闪光转换电路的充电速度是所述闪光转换电路的一个性能特性。15.根据权利要求13所述的闪光转换电路,其中所述闪光转换电路中涌流的发生率是所述闪光转换电路的一个性能特性。16.根据权利要求ll所述的闪光转换电路,其中所述微控制器产生数字脉冲序列以施加到所述电子开关。17.根据权利要求16所述的闪光转换电路,其中所述微控制器产生具有可变和非周期性脉宽的数字脉冲序列。18.根据权利要求16所述的闪光转换电路,其中所述微控制器产生具有可变和非周期性占空比的数字脉冲序列。19.根据权利要求18所述的闪光转换电路,还包含照相模块,且其中所述微控制器对所述闪光转换电路和所述照相模块进行同步。全文摘要一种用以对电容充电电路充电的方法,其包括产生数字脉冲序列,将数字脉冲序列转换为交流(AC)信号,放大交流信号以产生高压交流信号,对高压交流信号整流以产生电容充电信号,对来自电容充电电路的特征数据进行采样,根据特征数据优化数字脉冲序列,以及采用电容充电信号对电容器充电。该数字脉冲序列可根据特征数据进行连续优化。文档编号H02J7/04GK101208848SQ200680006011公开日2008年6月25日申请日期2006年1月25日优先权日2005年1月25日发明者H·Y·成,S·K·重申请人:珀金埃尔默(新加坡)有限公司