照相手機的LED閃光燈驅動電路設計

LED已經成為移動電話中電影照明和相機閃光燈的標準解決方案。對于更高畫質和更高分辨率的需求，要求更亮的閃光燈 LED 解決方案。所面臨的挑戰(zhàn)是如何通過實現最高效率的解決方案來從電池中擠壓出最佳的光通量。這樣一來，從電池吸收大電流的運行，要求具備許多省電運行特性以及一種穩(wěn)健的系統(tǒng)設計。本文將介紹一種系統(tǒng)層閃光燈 LED 驅動器設計，以及能夠確保系統(tǒng)安全運行和集成的一些特性。

高效的相機閃光燈 LED 驅動

高分辨率相機在最低光照環(huán)境下，要求有高亮度的閃光來完成照相?？蛻粢筇峁┮环N閃光燈解決方案作為手機的標準功能。安裝閃光燈的移動電話已經成為一種有吸引力的賣點。這種特性需要高光通量，從而給高效 LED 驅動器系統(tǒng)設計帶來了挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)設計

移動電話中閃光燈 LED 的高正向電壓和電流以及給定的電池電壓，讓升壓轉換器成為最佳的解決方案。驅動大電流時，基于電感的升壓轉換器呈現出令人滿意的效率。LED　必須為電流驅動，因為正向電壓不僅僅隨溫度而變化，而且也有其自身的差異。正向電壓的這種變化源自于其生產過程，其變化范圍為 ±20%，請參見圖 1。

圖 1 閃光燈 LED VF / IF 圖

將閃光燈 LED 與一個電流檢測電阻串聯，然后通過一個升壓轉換器來驅動，這是一種簡單的方法。圖 1 描述了這種方法。

圖 2 使用外部電流檢測電阻的簡單 LED 驅動方法

對升壓調節(jié)器的輸出電壓進行控制，以匹配通過外部電阻檢測的設定 LED 電流。不幸的是，這樣做會讓設計人員背離要從電池提供的有限電能中擠壓出最高光通量的目標。外部電流檢測電阻帶有高功耗，其大小受到控制，目的是在低電流狀態(tài)下也可以提供可用的裕量電壓，從而為持續(xù)的電影照明提供驅動。另一方面，如果電流增加，則電流檢測電阻的壓降升高，帶來大量的功耗。另外，具有理想功耗額定值的高精度電阻較昂貴，且會增加解決方案的體積，從而每條 LED 通道都要求一個電阻。

因此，更好的解決方案是一個集成在 LED 驅動器中的有源電流阱或者電流源，如圖 3 所示。我們可使用一種壓降和由此產生的功耗都得到降低的方法對內部電流檢測電阻進行調節(jié)，具體調節(jié)情況取決于 LED 電流的大小。如果為低 LED 電流，則壓降可以維持足夠的高以獲得精確的檢測信號。

圖 3 使用自適應電流阱和檢測的改進型 LED 驅動方案

電流阱不僅僅檢測 LED 電流，通過動態(tài)調節(jié)電阻，其還可以對 LED 電流進行調節(jié)。所產生的電流阱壓降作為動態(tài)調節(jié)升壓轉換器輸出電壓所需的信息，旨在任何電流電平下都能夠將功耗控制在一個可接收的最低限度。

圖 4 有源電流檢測與電阻式電流檢測比較

圖 4 顯示了使用一個 1Ω 電阻檢測電流和使用一個調節(jié)至 400mv 壓降的有源電流檢測方法之間的比較情況。受益于低功耗，有源電流檢測方法明顯有助于更高的系統(tǒng)效率。

從電池擠壓出光通量

過去，RF PA 從移動電話電池吸取最高的脈沖電流。隨著過去 5 年間多功能手機的發(fā)展，處理器供電和本文重點介紹的閃光燈 LED 供電吸取了最高的電流。例如，如果要驅動 1.5A 的 LED 電流，從電池吸取的電流可高達 3A，這是因為升壓轉換器的電壓比。如此高的電流會使電池電壓急劇下降。欠壓閾值檢測機制會防止系統(tǒng)在這種情況下出現故障。在閃光燈開啟時由于低電池電壓電話會徹底關機，這是一種非常糟糕的用戶體驗。常用的解決方案是在低電池電壓狀態(tài)時讓相機軟件關閉閃光燈，相比之下不使用閃光的用戶體驗還不至于太壞。PMIC　提供的緩慢電池電壓信息刷新率、電池溫度和老化效應以及更嚴重的不準確性放寬了安全的界限。

如果閃光燈驅動器本身能夠防止電池電壓下降過多，那么就可以保持較小的安全界限。通過使用一個受控轉換率升高 LED 電流，并在上升期間持續(xù)監(jiān)控電池電壓可以實現這一目標。

TI 擁有一種監(jiān)控電池電壓的閃光燈驅動器技術。要獲得穩(wěn)定的 LED 電流波形并且避免過多的電池壓降，閃光燈驅動器要主動控制 LED 電流上升/下降順序。在上升階段（上升斜率為 25mA/12μs），要對輸入電壓進行監(jiān)控。如果輸入電壓降至某個設定閾值以下，則器件即刻停止讓 LED 電流進一步上升至該設定閾值，并將閃光燈電流保持在實際電平，參見圖 5。

圖 5 電池壓降監(jiān)控

因此，可以保證安全界限非常小，并且手機不會關機。電池周期中的不可逆電池壓降得到避免，并且增加了電池總體工作時間。

安全系統(tǒng)集成

驅動高脈沖電流時，聚光燈為安全無故障運行。移動電話廠商迫切要求一種無縫系統(tǒng)集成解決方案。因此這就要求一種特性集，而不僅僅是標準安全運行特性，例如：電感電流限制、欠壓保護等。TPS61310 閃光燈 LED 驅動器擁有這種特性集，可以用于這種高要求的運行。

LED故障檢測

不僅僅在生產過程中，在器件運行期間也必須檢測到 LED 短路，以避免出現危險狀態(tài)。檢測這種狀態(tài)的一種方法是強制幾毫安的電流正向流動。這種電流可以在亞照明范圍測試 LED，因此終端用戶不會察覺到亮度。但是這種方法有一些缺點：LED 廠商通常不會測試亞照明范圍。由于生產的工藝差異，不僅在 LED 類型之間即使在單個 LED 類型中都存在巨大的不準確性差異。這可能會帶來漏檢測某個短路 LED，或者偽錯誤檢測。TPS61310 則不一樣。如果一個或者多個 LED 工作時出現短路狀態(tài)，低側電流阱 LED1、LED2、LED3 便按照視頻照明模式或者閃光燈模式各自的設定，限制最大輸出電流，增加其輸入電阻來防止吸取電流過多。另外，這一過程受到監(jiān)控，并且通過 I2C 接口將短路 LED 狀態(tài)反映給生產期間的測試設備，或者反映給工作中的相機引擎。利用類似方法，也可以對開路狀態(tài)進行檢測。

過溫檢測

一種吸引人的移動電話產品設計在某些情況下卻并不符合最佳熱設計要求。高功耗閃光燈 LED 具備有限的允許脈沖處理能力。如果電話暴露在高溫下，和/或由于前面的閃光操作 LED 溫度上升，電容式熱敏電阻可能會無法處理 LED 功率損耗，從而導致 85°C 以上高溫下發(fā)光效率的不可逆下降，使用壽命縮短，甚至熄滅。為了消除散熱設計和功能/誘人設計急需之間的差距，TPS61310 允許使用一個 NTC 檢測電阻測定一個或多個 LED 溫度。如果超出關鍵溫度，則通過軟件降低 LED 開/關時間脈沖比，從而讓 LED 可以在閃光燈工作間隙冷卻下來。這種特性也可以用作手指燙傷保護功能。

TPS61310 芯片溫度也同樣受到監(jiān)控。除了標準的熱關機功能以外，TPS61310還可以向相機引擎提供早期預警功能，以避免熱關機功能被意外觸發(fā)，從而為器件冷卻提供空間。

TPS61310電影照明/閃光燈驅動器

TPS61310 能夠驅動一個 1.5A 的單、雙或者三閃光燈 LED 應用。諸如電池電壓監(jiān)控、省電運行功能、可靠 LED 短路檢測的專有特性讓其成為閃光燈驅動和電影照明的簡單集成解決方案。通過高速 I2C I/F 實現可編程以后，器件擁有最高的跨平臺設計靈活性。作為一種選項，專用邏輯輸入可用于零延遲觸發(fā)。2x2mm2 芯片級封裝以及無需通過外部組件編程設定電流或閃光燈導通時間帶來了極小的解決方案體積。