高功率LED相機(jī)閃光燈驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

　　拍照手機(jī)的質(zhì)量正不斷提高，其中包括更高的分辨率、更佳的焦距、功能增強(qiáng)的圖像處理軟件以及防抖動(dòng)等特性。然而比較落后的一方面是在低光照環(huán)境中拍攝照片時(shí)的閃光燈電能。許多手機(jī)由于提供了一個(gè)低電流 led 拍照閃光或快閃，因而性能大打折扣，就低光照條件下獲得可接受圖像質(zhì)量的照片而言，這樣的光能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

　　要想成為一種實(shí)用的快閃技術(shù)，光源就必須能夠在一定的目標(biāo)范圍內(nèi)提供足夠的亮度（例如：>50lux @ 1m）。業(yè)界一流的高功率、高亮度白光 LED 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)—— 每個(gè)芯片的驅(qū)動(dòng)電流高達(dá) 1500mA。

　　功能整合的手機(jī)設(shè)備將越來(lái)越受市場(chǎng)的推崇，因此呈現(xiàn)出了對(duì)小型化、通用靈活性、外形尺寸以及上市時(shí)間的不斷需求。為了滿足這些需求，TI 推出了一系列易于設(shè)計(jì)、且優(yōu)化的高功率 LED 閃光燈驅(qū)動(dòng)器 （TPS61050/2/4）。這些器件具有不到 25mm2 的解決方案尺寸，并且能夠?yàn)?LED 提供高達(dá) 5W 的電能。

　　圖 1 TPS61050 應(yīng)用概述

　　在采用單體鋰離子 （Li-Ion） 電池的便攜式應(yīng)用中，白光 LED 兩端壓降與電流調(diào)節(jié)器兩端凈空電壓 （headroom voltage） 的和可以低于或高于電池電壓。這就是說(shuō) LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)鋺?yīng)該能夠處理降壓和升壓運(yùn)行模式。

　　實(shí)施降壓轉(zhuǎn)換最簡(jiǎn)單的方法是利用一個(gè)線性低側(cè)電流調(diào)節(jié)器。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于成本低且高效率，因?yàn)?LED 正向電壓通常會(huì)稍微低于額定的電池電壓。

　　本文將解決 LED 相機(jī)閃光燈應(yīng)用及相關(guān)的難題，其中包括：高功率 LED 驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)、電池電流以及壓降。

　　LED 相機(jī)閃光燈驅(qū)動(dòng)器拓?fù)?/P>

　　不管廠商、型號(hào)、尺寸或功率如何，所有的 LED 都是在恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)性能最佳。以流明為單位的光輸出與電流成正比，因此 LED 廠商規(guī)定了其器件在規(guī)定正向電流 IF 時(shí)的諸多特性（例如：光度、色溫等）。高功率 LED 會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)陡峭的 I-V 曲線，因此以恒定電壓驅(qū)動(dòng) LED 可導(dǎo)致明顯且?guī)缀鯚o(wú)法預(yù)計(jì)的正向電流變化。

　　TPS6105x 產(chǎn)品采用一個(gè) 2-MHz 恒定頻率、電流模式脈寬調(diào)制 （PWM） 轉(zhuǎn)換器生成驅(qū)動(dòng)高功率 LED 所需的輸出電壓。該器件集成了一個(gè)基于 NMOS 開(kāi)關(guān)的功率級(jí)和一個(gè)同步 NMOS 整流器。此外，該器件還實(shí)施了一個(gè)線性低側(cè)電流調(diào)節(jié)器，以在電池電壓高于二極管正向電壓時(shí)控制 LED 電流。

　　圖 2 TPS61050 功能結(jié)構(gòu)圖

　　出于簡(jiǎn)化和減少芯片面積占用的目的，我們使用了低側(cè)電流檢測(cè)電路，該電流檢測(cè)電路基于一個(gè)設(shè)計(jì)旨在飽和區(qū)域運(yùn)行的有源電流鏡。該器件根據(jù)電流阱兩端的壓降將自動(dòng)在線性降壓模式和具有最低 250mV 檢測(cè)電壓的電感升壓模式之間轉(zhuǎn)換。

　　這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于在所有的 LED 電流和電池電壓條件下其效率都非常高，因?yàn)榭梢詫⑤斎腚妷荷龎褐?LED 正向電壓與電流阱凈空電壓之和。

　　電流檢測(cè)的挑戰(zhàn)在于精確和高效率，這是兩個(gè)相互沖突的方面。電流檢測(cè)/調(diào)節(jié)電路兩端的凈空電壓越低，節(jié)約的電能就越多，但是這是以噪聲靈敏度為代價(jià)的。

　　圖 3 典型的效率

由于拍照手機(jī)應(yīng)用中 LED 閃光功能使用的不那么頻繁，這樣一來(lái)我們就有了使用電感功率級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)其他功能的想法。TPS6105x 器件不僅可以起到穩(wěn)壓電流源的作用，而且還可起到標(biāo)準(zhǔn)升壓穩(wěn)壓器的作用。電壓模式運(yùn)行既可通過(guò)軟件命令完成，也可通過(guò)硬件信號(hào) （ENVM） 完成。

　　當(dāng)為系統(tǒng)中其他高功率器件供電時(shí)（如 LED 驅(qū)動(dòng)器、免提音頻功率放大器或其他任何需要電源電壓高于電池電壓的組件），為了適當(dāng)同步轉(zhuǎn)換器該增加的運(yùn)行模式可能會(huì)非常有用。

　　圖 4 白光 LED 閃光燈驅(qū)動(dòng)器和輔助照明區(qū)電源

　　為了支持 LED 電流調(diào)節(jié)或輸出電壓調(diào)節(jié)，TPS6105x 器件實(shí)施了一種全新的多功能調(diào)節(jié)方案（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2），該方案實(shí)現(xiàn)了在兩個(gè)控制環(huán)路間的無(wú)縫即時(shí)轉(zhuǎn)換。

　　LED 電源、電池電流以及電壓下降

　　在效率計(jì)算中將要用到的輸出功率關(guān)系為 PLED = VF x IF。LED 驅(qū)動(dòng)效率（即電氣 LED 功率與電池功率的比）等于：

　　圖 5 效率與輸入電流的關(guān)系

　　就一個(gè)給定的 LED 電流而言，正向電壓會(huì)隨著過(guò)程和溫度的不同而不同。這就是說(shuō)從電池功率到光輸出的轉(zhuǎn)換效率會(huì)發(fā)生變化而亮度卻依然保持不變，這是因?yàn)榱炼戎蝗Q于電流。

　　因此，效率并不是評(píng)估功耗的一個(gè)充分的參數(shù)指數(shù) （figure of merit）。我們必須要考慮的是電池電流與 LED 亮度的關(guān)系，即 LED 電流。就一個(gè)給定的 LED 亮度而言，輸出功率才是電池輸出能量多少的真正標(biāo)尺。

　　向電池施加一個(gè)大負(fù)載時(shí)，開(kāi)路電池電壓就會(huì)被壓降扭曲，該壓降是由于電池組內(nèi)部阻抗引起的。電池阻抗很大程度上取決于下列參數(shù)：

　　內(nèi)部電池阻抗。嶄新的鋰離子電池的阻抗為 c.a. 50~70m?。各個(gè)電池的阻抗是不盡相同的，根據(jù)生產(chǎn)批次的不同阻抗變化大約為 15%。

　　松弛效應(yīng)。應(yīng)用/去除脈沖負(fù)載后電池壓始終在不停地變化。

　　溫度。電池阻抗與溫度有著密切的關(guān)系，溫度每下降 10?C 阻抗就會(huì)增加 50%。

　　充電狀態(tài)。內(nèi)部阻抗取決于充電狀態(tài) （SoC），并在放電結(jié)束時(shí)內(nèi)部阻抗增加。

　　保護(hù)電路。鋰離子電池組具有與電池串聯(lián)的背對(duì)背保護(hù) MOSFET，其電阻范圍為 c.a. 50~70m?。

　　連接器。通常電池組通過(guò)一對(duì)彈簧連接器（每個(gè)連接器都有 25m? 的 DC 電阻）與系統(tǒng)相連接。

　　從電氣角度來(lái)說(shuō)，電池通常只是一個(gè)電壓源，或者是一個(gè)與代表電池內(nèi)部阻抗的電阻器串聯(lián)的電壓源。為了正確表述電池瞬態(tài)行為，我們應(yīng)該使用一個(gè)等效電路，而非只是電阻。。

　　當(dāng)電池完成充電或放電后，其開(kāi)路電壓就會(huì)發(fā)生變化。因此，從電氣角度來(lái)看其可以被看作是一個(gè)具有可變電容值 （CO） 的電容器。

　　圖 6 中，RA 和 RC 為相應(yīng)陰極和陽(yáng)極的總擴(kuò)散、傳導(dǎo)和電荷轉(zhuǎn)移電阻。CA 和 CC 為表面電容。RSER 為包括電解物、電流集電器以及金屬絲電阻在內(nèi)的串聯(lián)電阻。

　　圖 6 電池等效電路

　　每個(gè)級(jí)都與其時(shí)間常數(shù)相關(guān)聯(lián)，這會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的電氣行為。

　　圖 7 900mAh、鋰離子電池瞬態(tài)響應(yīng)與 SOC 和溫度的關(guān)系

　　如圖 7 所示，雖然電池電壓對(duì)電流階躍的響應(yīng)被延遲了，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，其開(kāi)始接近具有一個(gè)串聯(lián)電阻器的電容行為。電流終止以后，電池電壓不會(huì)立即返回到無(wú)電流狀態(tài)。相反，其會(huì)慢慢增加直到最后其達(dá)到等效電容器電壓電平為止，這就是開(kāi)路電壓。

　　在基于 TDMA 的系統(tǒng)中（如 GSM/GPRS 手機(jī)），RF 功率放大器 （PA） 也可從電池拉出高峰值電流。TPS61050 器件集成了一個(gè)通用 I/O 引腳 （GPIO），該引腳既可以被配置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的邏輯輸入/輸出，也可以被配置為一個(gè)快閃掩碼輸入 （flash masking input） （Tx-MASK）。

　　這一消隱功能將 LED 從相機(jī)閃光變?yōu)榱耸蛛娡补?，因而幾乎瞬時(shí)降低了電池的峰值電流負(fù)載。該系統(tǒng)級(jí)特性通過(guò)避免兩個(gè)高功率負(fù)載（PA 和快閃 LED）同時(shí)開(kāi)啟阻止了手機(jī)關(guān)機(jī)。

　　LED 快閃電流電平優(yōu)化

　　在手機(jī)應(yīng)用中，我們通常規(guī)定相機(jī)引擎在一個(gè)低至 0?C 或 -10?C 的溫度工作。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)運(yùn)行，LED 快閃電流需要根據(jù)最大容許電池壓降（即最高的電池阻抗，最低的環(huán)境溫度）進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　為了動(dòng)態(tài)優(yōu)化 LED 快閃電流（即光輸出）與電池充電狀態(tài)和溫度的關(guān)系，我們可以考慮使用下列自調(diào)節(jié)程序。這種算法可以被嵌入到自動(dòng)曝光白平衡或防紅眼預(yù)閃算法中去。

　　LED 正向電壓“催化”特性——在相機(jī)引擎生產(chǎn)測(cè)試時(shí)進(jìn)行。

　　LED 正向電壓 （VF） 的一階近似可以由集成的 3 位 A/D 轉(zhuǎn)換器完成。

　　就三次不同的快閃電流（200mA、500mA 以及 1000mA）而言，只執(zhí)行三次短暫的快閃選通脈沖（10 分之幾毫秒就足夠了）。

　　這些數(shù)據(jù)有助于我們更精確地估計(jì)LED相比快閃電流真正的電氣功率。

　　圖 8 LED 正向電壓近似

　　估計(jì)電池阻抗的預(yù)閃光功能

　　在一個(gè)高功率快閃選通脈沖中，電池電壓通常會(huì)下降數(shù)百毫伏。就短時(shí)間高功率快閃選通脈沖而言，該電壓下降受電池本身的電容（即松弛效應(yīng)）影響不是很大，而是受其電池阻抗的影響。

　　圖 9 脈沖 LED 運(yùn)行時(shí)的圖像捕獲順序

　　相機(jī)和/或基帶引擎通?？梢栽诳扉W選通脈沖之前和快閃選通脈沖結(jié)束時(shí)對(duì)電池電壓進(jìn)行測(cè)量。憑借這一信息系統(tǒng)就可以計(jì)算出大概的電池阻抗，具體如下：

　　根據(jù)實(shí)際的 LED 電氣特性、中頻電池阻抗、充電狀態(tài)以及溫度信息，相機(jī)引擎軟件可以動(dòng)態(tài)地優(yōu)化 LED 快閃電流以避免電池崩潰的危險(xiǎn)。