選擇白光LED閃燈驅(qū)動器的方法

在手機(jī)市場中，將高像素的圖像處理器整合至手機(jī)當(dāng)中已差不多成為了標(biāo)準(zhǔn)配備方式。隨著這些圖像處理器的分辨率日益提高，業(yè)界亦提高對高亮度閃光燈的需求。氙氣閃光燈泡向來都是數(shù)字照相機(jī)的主要照明選擇，但對于移動手機(jī)市場來說，在電路板上可供用來安置非電話功能組件的空間實在有限，以致體積較大的氙氣燈方案顯得不切實際。幸好手機(jī)制造商最近在高功率白光二極管上有重大的技術(shù)突破，現(xiàn)今白光LED閃燈二極管的制造商已經(jīng)推出了光輸出超過70流明的產(chǎn)品，并且可應(yīng)付超過或相當(dāng)于1A的脈沖電流。但這些技術(shù)突破也為設(shè)計人員帶來了很多有待解決的問題，包括有多少的電路板空間可以用？有什么與閃燈有關(guān)的功能需要增加？閃燈驅(qū)動器可用多少功率？需要多少流明才能拍攝漂亮的照片？只要能解答上述問題，設(shè)計人員在選擇閃燈LED驅(qū)動器時便能更加得心應(yīng)手。

解決方案的尺寸

手機(jī)設(shè)計人員需要面對的第一個問題是，究竟有多少的電路板空間可讓照相機(jī)閃燈運(yùn)用？在LED閃燈驅(qū)動器領(lǐng)域中，最普遍的兩種升壓技術(shù)是開關(guān)電容器升壓(電荷幫浦)和電感式升壓。在這兩種升壓拓樸中，開關(guān)電容器的方案一般比較細(xì)小，而大部份的開關(guān)電容器均由四個陶瓷電容器和兩個外部電阻器組成。針對這些應(yīng)用所建議的電容值為4.7μF，而電壓的額定值為10V(有助降低直流偏置損耗)。這些電容器采用0603外型尺寸，大部份的電容器制造商均能提供此類產(chǎn)品。采用開關(guān)電容器的閃燈驅(qū)動器之整體方案尺寸一般約為25mm2。例如，采用芯片級封裝的美國國家半導(dǎo)體LM2758，其整體方案尺寸少于15mm2。此外，開關(guān)電容器解決方案還有一個優(yōu)點，就是極為纖薄。一般視閃燈驅(qū)動器的封裝方式，電容器通常都是整個方案中最高的組件。

電感式閃燈驅(qū)動器的方案尺寸一般比開關(guān)電容驅(qū)動器的為大，一個典型的電感式閃燈LED驅(qū)動器方案大概占用35mm2～40mm2的電路板面積。電感驅(qū)動器一般需要兩個電容器(輸入和輸出)，它們的平均電容值為10μF，外型尺寸為0805。電感式升壓需要具備整流的部份以處理峰值電感器電流和輸出電壓。在同步升壓拓樸中，閃燈集成電路通常整合有一個通路FET(典型為一個PFET)，而這種整合通常會使到集成電路的封裝尺寸比異步解決方案的更大。在異步拓樸中，通路部份是以蕭特基二極管(schottky diode)的形式實現(xiàn)。與采用開關(guān)電容器的升壓比較，電感式升壓所多占的空間主要來自電感器本身。對于那些閃燈電流接近1A的應(yīng)用，其所需的電感器一般為2.2μH～4.7μF，以及飽和電流必須大于1.5A。然而，這些電感器的尺寸一般都不會少于3mmX 3mm，并且通常都是整個解決方案中最高的組件，1.2mm也是很平常的高度。

功能特色

一旦決定了閃燈驅(qū)動器的拓樸結(jié)構(gòu)，另一個要面對的問題是設(shè)計所需的功能特色。首先需考慮的功能特色是控制接口的類型?；镜拈W燈驅(qū)動器一般擁有兩根控制接腳，以執(zhí)行3～4種不同的操作模式（例如是關(guān)機(jī)、提示燈、手電筒和閃燈）。假如設(shè)計人員不需以動態(tài)形式去調(diào)整亮度，這些簡單的控制部件便足可應(yīng)付。相反地，如果系統(tǒng)要求比較高度的控制，大部份的閃燈電路都包含有某類的串行控制接口。其中一種最普遍的串行接口是內(nèi)置集成電路(Inter-Integrated Circuit interface, I2C)。I2C或I2C兼容接口不單可控制基本的開/關(guān)功能，而且還可讓用戶動態(tài)地設(shè)定手電筒和閃燈的亮度。此外，假如設(shè)計包含有閃燈保險計時、電感器電流限制或過壓保護(hù)級等功能的話，也可透過I2C接口進(jìn)行配置。另外，當(dāng)微控制器/微處理器的通用輸入/輸出(GPIO)線路不太足夠時，這些串行接口便顯得更為重要。

不少LED驅(qū)動器包括美國國家半導(dǎo)體的LM3553都提供有額外的控制接腳，以進(jìn)一步協(xié)助設(shè)計人員解決系統(tǒng)層級的問題。今天的典型圖像處理器均擁有一根外部閃光燈(strobe/flash)接腳以提示系統(tǒng)正在拍攝照片。此一閃光燈信號可以透過閃燈啟動(enable)接腳直接連系到多個LED閃燈驅(qū)動器，這種圖像處理器與LED驅(qū)動器之間的直接連接可以消除所有出現(xiàn)在兩個部件之間的延遲，這些延遲一般都是由控制器或軟件的限制所引致。

在系統(tǒng)層級問題方面，現(xiàn)今手機(jī)系統(tǒng)需要管理通話/數(shù)據(jù)傳輸期間從電池取用的電流量。在通話/數(shù)據(jù)傳輸過程中由Tx/Rx功率放大器取用的電流再加上由閃燈驅(qū)動器所取用的電流，往往可超過電池所能提供的最大電流量。大部份的手機(jī)設(shè)計均可允許負(fù)載電池電壓下降至3.2V而不會進(jìn)入重設(shè)狀態(tài)(VBATT-LOADED = VBATT_UNLOADED (IBATT * RBATT_ESR))。為了防止由電池的ESR壓降所產(chǎn)生的重設(shè)，部份比較新的閃燈LED驅(qū)動器添加有一根傳輸接腳(Tx)，能夠有助減少LED驅(qū)動器于通話/數(shù)據(jù)傳輸期間所取用的電流。透過加入Tx接腳，閃燈驅(qū)動器便可迫使二極管電流在一個很短的時間內(nèi)(少于100μs)維持在較低的水平，以免手機(jī)在通話期間誤進(jìn)重設(shè)狀態(tài)。

效率

效率已經(jīng)是手機(jī)設(shè)計的老議題了，只要系統(tǒng)的效率愈高，用戶可用的通話時間便愈長。電感式升壓技術(shù)可促使驅(qū)動器能在寬闊的輸入電壓和輸出電流范圍下發(fā)揮出最高的效率。相反地，開關(guān)電容器部件只局限于數(shù)個固定的量化增益(2x、1.5x、1x 通路模式)，以致在相同的輸入范圍下，其所能達(dá)到的平均轉(zhuǎn)換器效率比電感式升壓的較低。當(dāng)評估一個LED驅(qū)動器時，效率的意義會有點不同。

轉(zhuǎn)換器效率或是LED驅(qū)動效率?
當(dāng)面對閃燈LED驅(qū)動器時，必須先考慮某些效率上的損耗才能計算出解決方案的真正效率。為了獲得一個受管制的閃燈或手電筒/短片拍攝燈光LED電流，升壓轉(zhuǎn)換器必須采用一個電流汲入/源(current sink/source)或一個嚴(yán)格控制的參考電壓，再連同一個電阻器去設(shè)立負(fù)載電流。然而，這兩種不同的方法都各有優(yōu)點和缺點，必須注意由這兩個方法所帶來的功率損耗，都不會包括在升壓轉(zhuǎn)換器的效率計算中。然而，整體解決方案或LED的效率則把這些功率損耗考慮在內(nèi)。
算式1和算式2   

首先要注意的是，即使是兩個不同的轉(zhuǎn)換器均可擁有絕對相同的轉(zhuǎn)換器效率，而它們的LED驅(qū)動效率也只有5%～10%的差別。換言之，假如兩個轉(zhuǎn)換器的效率相等，只要某方由電流調(diào)整元素所引致的損耗較低，就是較有效率的轉(zhuǎn)換器。

LED驅(qū)動效率或發(fā)光效率?

可是，單單LED驅(qū)動效率并不能全面反映出整體的性能表現(xiàn)。例如假設(shè)面前有兩個不同的閃燈LED驅(qū)動器和兩個不同的閃燈LED。第一個驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換器效率為85%，以及在1A電流下的LED電壓為4V，而另一個的轉(zhuǎn)換器效率和LED電壓(同樣在1A下)則分別為80%和3V。在一個給定的電流下，兩個LED所產(chǎn)生的光輸出量相同而且同時擁有350mV的回饋電壓。利用算式1并引用最差情況的輸入電壓或3.2V作計算，第一個驅(qū)動器從電池取用1.6A的電流，而第二個驅(qū)動器則只從電池取用1.3A的電流。撇開第一個閃燈驅(qū)動器擁有較高的效率，它需要取用多300mA的電流才能產(chǎn)生出跟第二個閃燈驅(qū)動器一樣的光輸出量。這個例子突顯了LED發(fā)光效率的影響。在產(chǎn)生光效率方面，例子2中的LED比起例子1中的高33%。

當(dāng)閃燈LED驅(qū)動器正以連續(xù)影片拍攝或手電筒照明模式操作時，由于操作的時間可能比較長，因此轉(zhuǎn)換器的效率便顯得很重要，可是在一般的閃燈條件下，由于操作的時間只是瞬間，因此轉(zhuǎn)換器效率的重要性便降低。相反地，這里比較關(guān)注的效率，是能否在一個給定的輸入功率下給予閃燈驅(qū)動器更大的輸出功率以產(chǎn)生亮度更強(qiáng)的閃光。高光效閃燈LED配合高效的閃燈驅(qū)動器可盡量減少從電池取用的閃燈電流，以便手機(jī)設(shè)計人員能更靈活地為系統(tǒng)的其他部份進(jìn)行電源管理。

光輸出的優(yōu)化

LED閃燈驅(qū)動器的光輸出優(yōu)化牽涉兩個主要因素(假如包括成本便是三個)：手機(jī)圖像處理器要求的光照度，以及有多少的功率可以用來作照明?就一個給定的輸入功率預(yù)算而言，有三個途徑可提高閃燈的亮度以幫助設(shè)計人員達(dá)到所需的照明要求，這就是LED的選擇、LED電流驅(qū)動和LED配置，它們在閃燈LED驅(qū)動器優(yōu)化上均扮演舉足輕重的角色。

選擇LED

如上述所提及的第一個優(yōu)化元素，就是要選擇一個具有高發(fā)光效率的LED。一個具備較高光效的LED可在一個給定的功率下放射出更大的光通量(流明)。在一個給定的電流下，發(fā)光效率等如LED光通量除以LED驅(qū)動電流與順向電壓的乘積。光通量曲線可以在大部份的LED制造商所提供的規(guī)格表中找到1。
當(dāng)選擇LED時，手機(jī)設(shè)計人員不要只單單考慮LED的光學(xué)性能，而必須同時考慮LED的尺寸和成本，以及務(wù)求將LED光照度提升到最高的鏡片復(fù)雜度。

提高驅(qū)動電流

選好LED之后，第２個可增加光輸出的途徑是提升實際的驅(qū)動電流。使用圖2中的光通量曲線，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)二極管電流從500mA提升到1A時會大概會有30流明的光輸出量增加?？墒?，增加二極管電流也會帶來一些反效果。假如將二極管電流增大一倍，所增加的二極管電流和順向電壓便會導(dǎo)致LED的功率增加超過一倍，而這種LED功率提升，會使系統(tǒng)對輸入功率的要求提高。圖3表示出順向電流對LED順向電壓的影響。

為了增強(qiáng)LED驅(qū)動器電流系統(tǒng)內(nèi)部的優(yōu)化，必須先建立輸入電流的預(yù)估值。一旦計算出最低輸入電壓和最大輸入電流的值后，便可從LED順向電壓對LED電流的曲線(圖3)找出數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步計算出閃燈LED驅(qū)動器的最大允許驅(qū)動電流。
算式3
POUT CONV IIN VIN = ILED VLED + VFEEDBACK       
例子
VIN = 3.2V, IIN = 1.5A,CONV = 85% VFEEDBACK = 350mV
輸入功率 = 4.8W，最大輸出功率 = 4.08W
從圖中的曲線可見，在3.6V 和 1A 電流下的LED所產(chǎn)生的輸出功率等如3.95W (PLED + PFEEDBACK) ，這數(shù)值與最大允許值非常接近。

配置

假如選用的已經(jīng)是具備有高光通量和高光效的LED，但在閃燈電流優(yōu)化之后仍達(dá)不到所需的光照度，那么只要在設(shè)計中加入第２個或第３個LED便可將目標(biāo)拉近。再次參看光通量對LED電流的曲線(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)曲線并不是完全的線性。由兩個只用一半閃燈電流操作的LED所產(chǎn)生出來的光通量，將比一個以全閃燈電流操作的LED所能產(chǎn)生的更多。此外，兩個在一半閃燈電流下操作的LED之總功率也較一個全閃燈電流操作的更低。如此一來，便可在既定的輸入功率預(yù)算內(nèi)為兩個LED提供更大的總輸出電流。這兩個LED可以用并列或串行的配置方式來驅(qū)動。

例子

下列3種配置的VFB均為350Mv，而且同樣可產(chǎn)生73流明。
1 LED @ 1A:  POUT = (3.6 1A) + (1A 350mV) = 4.08W 
2 LEDs @ 350mA(并列l(wèi)):POUT = (3.3V 2 350mA) + (350mA 350mV2) = 2.56W
2 LEDs @ 350mA(串行):POUT = (3.3V 2 350mA) + (350mA 350mV) = 2.43W
下列３種配置的VFB均為350Mv，而且它們的輸出功率均很接近。 
1 LED@1A:POUT = (3.6 1A) + (1A 350mV) = 4.08W    73 流明
2 LEDs@525mA(并列):POUT = (3.425V 2 525mA) + (525mA 350mV2) = 3.96W 90 流明
2 LEDs@550mA(串行):POUT = (3.45V 2 550mA) + (550mA350mV) = 3.99W 94 流明

當(dāng)驅(qū)動兩個LED時，串行配置比起并列配置具有更多的優(yōu)點。將兩個LED以串行方式驅(qū)動可確保流經(jīng)兩個閃燈LED的電流均一致。在并列配置中，兩個電流源與LED電流的典型匹配性為1％～3%。但大部份的閃燈驅(qū)動器只有一個電流汲入(current sink)，如果硬把兩個LED連接到單一個電流源/電流汲入時，LED順向電壓的失配便會導(dǎo)致嚴(yán)重的LED電流失配。要解決這個問題，便需加入一個串行鎖流電阻器?？墒?，為LED加入串聯(lián)電阻會同時減低輸出電流的預(yù)算和降低可使用的閃燈電流量，以致出來的閃光較弱。此外，假如串行和并列配置中的LED電流是一樣，驅(qū)動兩個串聯(lián)的LED還可將由電流控制元素(電阻器或電流汲入)所造成的輸出功率耗散減少一半(PFB-Series = ILED VFB and PFB-Parallel = ILED VFB2)。

總結(jié)

為手機(jī)系統(tǒng)加入白光LED照相機(jī)閃燈會牽涉很多設(shè)計選擇，而在決定閃燈所能占用的電路板空間時，也間接決定了將選用的拓樸結(jié)構(gòu)。此外，傳輸和閃燈啟動接腳之類的功能可讓其他的子系統(tǒng)協(xié)助處理某些電流管理工作和閃燈定時，從而減輕電池和微控制器/處理器的工作壓力。再者，高光學(xué)效率的LED配合高效的升壓轉(zhuǎn)換器可有助提升閃燈系統(tǒng)的光照度。假如單一個LED不足以在昏暗的環(huán)境下提供足夠的照明，可在設(shè)計中加入第二個LED來解決亮度不足的問題。在選擇LED閃燈驅(qū)動器時，應(yīng)在設(shè)計初期考慮上述的問題，只要及早解決這些問題，所有煩惱都可一掃而空。