移動電話中的白色LED閃光燈

2004年10月A版

最近推出的高端移動電話幾乎都內置有分辨率達兆像素級的照相機。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備。使用類似數碼靜止相機中的標準閃光燈解決方案幾乎毫無吸引力，因為這種閃光燈通常體積太大，很難裝入小尺寸外殼中，而小尺寸卻是移動電話最重要的因素。最近推出的高功率LED常常用于汽車應用中，它們?yōu)樯鲜鰡栴}提供了富有吸引力的解決方案。由于LED可方便地內置于小型封裝中，也不需要高電壓，因此整個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時間的照明，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達到所需的LED電流通常需要3.6V至3.8V的正向電壓，因此無法直接在單節(jié)鋰離子電池下工作，而移動電話通常采用的卻又都是單節(jié)鋰離子電池。

圖1 直接LED電流控制拓撲中的升壓轉換器

圖2 電流控制的LED電源的啟動波形

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所用的半導體材料，因此不同的制造部件就會帶來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之一。因此，通常將相似的電流到光轉換比將LED預先分選為不同的組。在這些LED組中，LED正向電壓會有所變化。為了在照相時用LED作為光源照亮周圍場景，必須在影像傳感器工作的同時產生光脈沖。為了優(yōu)化系統(tǒng)功耗與散熱，LED 的接通時間應盡可能短，因此應做到與影像傳感器同步。通常使用 100ms或更長的光脈沖，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，我們要解決兩個問題。一是必須控制LED電流，二是應能實現光脈沖與影像傳感器的同步。
設計直接控制LED電流的簡單電路可能是我們的首選。對于使用不同供應商提供的LED，該方法提供了高度的靈活性。電流調節(jié)需要電流測量，測量LED電流最簡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。為了保證電路的簡單便宜，分流電阻的設計最好使電阻上的壓降與所選轉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，因為更高的電壓只會增大損耗。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電話的電池電壓，因此應使用升壓轉換器。假定我們在例子中使用反饋電壓為500mV的轉換器，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計樣式。
這看起來簡單而廉價，不過也付出了代價。從上述計算可知，所需的最低輸出電壓為4.1V。這就是說，充足電的鋰離子電池的輸入電壓可能高于所需輸出電壓。如果假定整流開關的最小壓降為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，則標準的升壓轉換器將無法再控制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換拓撲，確保在所有可能輸入電壓條件下都提供高效的閃光功能，從而解決上述問題。通過啟動升壓轉換器來觸發(fā)閃光燈功能時，達到輸出電壓需要一段時間。在這段時間內，LED已經開始導通并在啟動時向升壓轉換器施加更大的負載，這會使啟動更慢。這還會造成電池的較高電流脈沖，可能還會帶來另外的系統(tǒng)問題。圖2中的波形圖詳細顯示了這種情況。上面的曲線CH4顯示了閃光燈觸發(fā)信號，第二條CH3是輸入電流，第三條CH1是轉換器輸出電壓，而最后一條CH2是LED電流。從上述曲線中可見，我們需要在幾百us內保持超過1.5A的高輸入電流，從而控制通過LED約300mA的電流。

圖4 電壓控制式應用中的閃光燈觸發(fā)

圖5 帶有過壓保護和啟動改善型電流控制式LED閃光燈應用

圖6 電流與電壓控制拓撲的啟動波形

上述拓撲第三個也是最后一個缺點就是沒有LED斷開情況下的輸出保護。在這種故障情況下，拓撲本身對輸出過壓沒有內在的保護。
電壓控制的拓撲則沒有這種問題。圖3顯示了這種工作方式的簡化電路。
升壓轉換器僅調節(jié)一個固定的輸出電壓，例如5V，而且在閃光燈觸發(fā)前已經啟動。電流通過與 LED 串聯(lián)的電阻器來控制。為了啟動閃光燈，可采用如圖所示的附加開關。在附加FET柵極處啟動閃光燈幾乎沒有任何延遲，圖4顯示了這些波形。通道排列以及相關信號與圖2中給出的一樣。很容易發(fā)現，LED電流上升更快，而輸入負載電流則保持最低。
在輸出電容器已獲得高電壓的情況下，馬上產生LED電流。由于升壓轉換器的反應時間較慢，因此輸出電壓會稍稍下降。當然，下降值取決于輸出電容器的電容量。這種方法的另一個優(yōu)點是輸出電壓軌相當穩(wěn)定，利用比電池電壓高的輸出電壓軌，還可用來為電路的其它部分供電。
當然，這種方法的主要代價在于不能實施電流調節(jié)，LED正向電壓的變化直接轉化為LED電流的變化。在制造上這種變化會非常大，因此，可能需要根據LED電流組別的正向電壓來調節(jié)LED串聯(lián)電阻。如果根據同樣的正向電壓與正向電流特性對LED進行預選擇，就可解決這一問題，不過這必然會增加成本。
如果我們綜合采用上述兩種方法，就會得到圖5所示的電路。
該拓撲包括了電流調節(jié)與過壓保護，通過反饋分壓器上更復雜的網絡來實現。連接至LED串聯(lián)分流電阻的電阻分壓器構成了該電路的電壓讀出部分。適當設計電阻分壓器電路，就可限制電路的最大輸出電壓，使之不超過轉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，因此幾乎不會改變分壓器的分壓值。一旦更高的電流通過分流電阻，反饋分壓器中就會出現失調電壓，從而降低轉換器的輸出電壓。
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，即可實現LED電流調節(jié)。如果分流電阻值剛好允許低電流通過LED，則啟動時間可能低于上述的簡單電流控制式架構。將分流電阻與由FET開關控制的較低值電阻并聯(lián)，則可立即增加LED的編程電流。如果在升壓轉換器輸出電壓積累后進行上述操作，則可減少觸發(fā)閃光燈與LED閃光的時間延遲。例如作為手電筒或電影打光燈等更低LED的電流模式，即可通過升壓轉換器使其工作，無需增加成本而獲得新的特性。圖6顯示改進的電路的啟動波形。信號排列順序與圖2與圖4所示相同。容易看出，輸入電流與閃光燈觸發(fā)延遲時間得到了很好的控制。
盡管該拓撲可控制電流與電壓，電流控制精度卻不如第一個例子中的簡單電流控制架構。上述示例電路中使用的TPS61020芯片在所有電路中都運行良好，而且它還能向下調節(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，它也適用于所有拓撲。這有助于比現有LED具有更高效率的未來改進型LED電路的實現。