移動(dòng)電話中的白色LED閃光燈

2004年10月A版

最近推出的高端移動(dòng)電話幾乎都內(nèi)置有分辨率達(dá)兆像素級(jí)的照相機(jī)。為了幫助用戶在較暗的環(huán)境中拍照，還需要額外的照明設(shè)備。使用類似數(shù)碼靜止相機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)閃光燈解決方案幾乎毫無(wú)吸引力，因?yàn)檫@種閃光燈通常體積太大，很難裝入小尺寸外殼中，而小尺寸卻是移動(dòng)電話最重要的因素。最近推出的高功率LED常常用于汽車應(yīng)用中，它們?yōu)樯鲜鰡?wèn)題提供了富有吸引力的解決方案。由于LED可方便地內(nèi)置于小型封裝中，也不需要高電壓，因此整個(gè)閃光燈解決方案可非常節(jié)約成本及空間。此外，相同的LED只需以較小電流保持更長(zhǎng)時(shí)間的照明，即可用作手電照明或電影光源。為了得到所需的白光，通常使用白色LED。遺憾的是，這些白色LED達(dá)到所需的LED電流通常需要3.6V至3.8V的正向電壓，因此無(wú)法直接在單節(jié)鋰離子電池下工作，而移動(dòng)電話通常采用的卻又都是單節(jié)鋰離子電池。

圖1 直接LED電流控制拓?fù)渲械纳龎恨D(zhuǎn)換器

圖2 電流控制的LED電源的啟動(dòng)波形

圖3 電壓控制的LED電源

通常LED的發(fā)光特性很大程度上取決于LED所用的半導(dǎo)體材料，因此不同的制造部件就會(huì)帶來(lái)LED特性的差異。發(fā)光通常取決于LED電流，發(fā)光與LED電流之比是隨制造而變化的主要參數(shù)之一。因此，通常將相似的電流到光轉(zhuǎn)換比將LED預(yù)先分選為不同的組。在這些LED組中，LED正向電壓會(huì)有所變化。為了在照相時(shí)用LED作為光源照亮周圍場(chǎng)景，必須在影像傳感器工作的同時(shí)產(chǎn)生光脈沖。為了優(yōu)化系統(tǒng)功耗與散熱，LED 的接通時(shí)間應(yīng)盡可能短，因此應(yīng)做到與影像傳感器同步。通常使用 100ms或更長(zhǎng)的光脈沖，這取決于LED的發(fā)光功能以及影像傳感器與閃光燈如何協(xié)同工作。因此，我們要解決兩個(gè)問(wèn)題。一是必須控制LED電流，二是應(yīng)能實(shí)現(xiàn)光脈沖與影像傳感器的同步。
設(shè)計(jì)直接控制LED電流的簡(jiǎn)單電路可能是我們的首選。對(duì)于使用不同供應(yīng)商提供的LED，該方法提供了高度的靈活性。電流調(diào)節(jié)需要電流測(cè)量，測(cè)量LED電流最簡(jiǎn)單而且最便宜的方法就是使用與LED串聯(lián)的分流電阻，這樣轉(zhuǎn)換器所需的總輸出電壓就是二極管正向電壓與分流電阻壓降之和。為了保證電路的簡(jiǎn)單便宜，分流電阻的設(shè)計(jì)最好使電阻上的壓降與所選轉(zhuǎn)換器的反饋電壓相同。為了盡可能減小損耗，希望分流電阻的壓降最小，因?yàn)楦叩碾妷褐粫?huì)增大損耗。由于二極管正向電壓與分流電阻的壓降之和通常高于移動(dòng)電話的電池電壓，因此應(yīng)使用升壓轉(zhuǎn)換器。假定我們?cè)诶又惺褂梅答侂妷簽?00mV的轉(zhuǎn)換器，則需要4.1V至4.3V的總輸出電壓。圖1顯示了該電路的可能設(shè)計(jì)樣式。
這看起來(lái)簡(jiǎn)單而廉價(jià)，不過(guò)也付出了代價(jià)。從上述計(jì)算可知，所需的最低輸出電壓為4.1V。這就是說(shuō)，充足電的鋰離子電池的輸入電壓可能高于所需輸出電壓。如果假定整流開(kāi)關(guān)的最小壓降為100mV，這僅僅是輸出電流可控制的極限。如果輸出壓降低于4.1V，則標(biāo)準(zhǔn)的升壓轉(zhuǎn)換器將無(wú)法再控制LED電流。我們可增加與LED串聯(lián)的電阻器或使用更昂貴的其它升降壓轉(zhuǎn)換拓?fù)?，確保在所有可能輸入電壓條件下都提供高效的閃光功能，從而解決上述問(wèn)題。通過(guò)啟動(dòng)升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)觸發(fā)閃光燈功能時(shí)，達(dá)到輸出電壓需要一段時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，LED已經(jīng)開(kāi)始導(dǎo)通并在啟動(dòng)時(shí)向升壓轉(zhuǎn)換器施加更大的負(fù)載，這會(huì)使啟動(dòng)更慢。這還會(huì)造成電池的較高電流脈沖，可能還會(huì)帶來(lái)另外的系統(tǒng)問(wèn)題。圖2中的波形圖詳細(xì)顯示了這種情況。上面的曲線CH4顯示了閃光燈觸發(fā)信號(hào)，第二條CH3是輸入電流，第三條CH1是轉(zhuǎn)換器輸出電壓，而最后一條CH2是LED電流。從上述曲線中可見(jiàn)，我們需要在幾百us內(nèi)保持超過(guò)1.5A的高輸入電流，從而控制通過(guò)LED約300mA的電流。

圖4 電壓控制式應(yīng)用中的閃光燈觸發(fā)

圖5 帶有過(guò)壓保護(hù)和啟動(dòng)改善型電流控制式LED閃光燈應(yīng)用

圖6 電流與電壓控制拓?fù)涞膯?dòng)波形

上述拓?fù)涞谌齻€(gè)也是最后一個(gè)缺點(diǎn)就是沒(méi)有LED斷開(kāi)情況下的輸出保護(hù)。在這種故障情況下，拓?fù)浔旧韺?duì)輸出過(guò)壓沒(méi)有內(nèi)在的保護(hù)。
電壓控制的拓?fù)鋭t沒(méi)有這種問(wèn)題。圖3顯示了這種工作方式的簡(jiǎn)化電路。
升壓轉(zhuǎn)換器僅調(diào)節(jié)一個(gè)固定的輸出電壓，例如5V，而且在閃光燈觸發(fā)前已經(jīng)啟動(dòng)。電流通過(guò)與 LED 串聯(lián)的電阻器來(lái)控制。為了啟動(dòng)閃光燈，可采用如圖所示的附加開(kāi)關(guān)。在附加FET柵極處啟動(dòng)閃光燈幾乎沒(méi)有任何延遲，圖4顯示了這些波形。通道排列以及相關(guān)信號(hào)與圖2中給出的一樣。很容易發(fā)現(xiàn)，LED電流上升更快，而輸入負(fù)載電流則保持最低。
在輸出電容器已獲得高電壓的情況下，馬上產(chǎn)生LED電流。由于升壓轉(zhuǎn)換器的反應(yīng)時(shí)間較慢，因此輸出電壓會(huì)稍稍下降。當(dāng)然，下降值取決于輸出電容器的電容量。這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓軌相當(dāng)穩(wěn)定，利用比電池電壓高的輸出電壓軌，還可用來(lái)為電路的其它部分供電。
當(dāng)然，這種方法的主要代價(jià)在于不能實(shí)施電流調(diào)節(jié)，LED正向電壓的變化直接轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)ED電流的變化。在制造上這種變化會(huì)非常大，因此，可能需要根據(jù)LED電流組別的正向電壓來(lái)調(diào)節(jié)LED串聯(lián)電阻。如果根據(jù)同樣的正向電壓與正向電流特性對(duì)LED進(jìn)行預(yù)選擇，就可解決這一問(wèn)題，不過(guò)這必然會(huì)增加成本。
如果我們綜合采用上述兩種方法，就會(huì)得到圖5所示的電路。
該拓?fù)浒穗娏髡{(diào)節(jié)與過(guò)壓保護(hù)，通過(guò)反饋分壓器上更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。連接至LED串聯(lián)分流電阻的電阻分壓器構(gòu)成了該電路的電壓讀出部分。適當(dāng)設(shè)計(jì)電阻分壓器電路，就可限制電路的最大輸出電壓，使之不超過(guò)轉(zhuǎn)換器與連接電路所允許的最大值。分流電阻比反饋分壓器的電阻低得多，因此幾乎不會(huì)改變分壓器的分壓值。一旦更高的電流通過(guò)分流電阻，反饋分壓器中就會(huì)出現(xiàn)失調(diào)電壓，從而降低轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
這樣，只要二極管與分流電阻壓降之和低于電阻分壓器的編程電壓，即可實(shí)現(xiàn)LED電流調(diào)節(jié)。如果分流電阻值剛好允許低電流通過(guò)LED，則啟動(dòng)時(shí)間可能低于上述的簡(jiǎn)單電流控制式架構(gòu)。將分流電阻與由FET開(kāi)關(guān)控制的較低值電阻并聯(lián)，則可立即增加LED的編程電流。如果在升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓積累后進(jìn)行上述操作，則可減少觸發(fā)閃光燈與LED閃光的時(shí)間延遲。例如作為手電筒或電影打光燈等更低LED的電流模式，即可通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器使其工作，無(wú)需增加成本而獲得新的特性。圖6顯示改進(jìn)的電路的啟動(dòng)波形。信號(hào)排列順序與圖2與圖4所示相同。容易看出，輸入電流與閃光燈觸發(fā)延遲時(shí)間得到了很好的控制。
盡管該拓?fù)淇煽刂齐娏髋c電壓，電流控制精度卻不如第一個(gè)例子中的簡(jiǎn)單電流控制架構(gòu)。上述示例電路中使用的TPS61020芯片在所有電路中都運(yùn)行良好，而且它還能向下調(diào)節(jié)輸出電壓，這樣即使LED與分流電阻電壓之和低于輸入電壓，它也適用于所有拓?fù)?。這有助于比現(xiàn)有LED具有更高效率的未來(lái)改進(jìn)型LED電路的實(shí)現(xiàn)。