超級電容器解決高分辨率相機(jī)的LED閃光電源問題

傳統(tǒng)的LED閃光驅(qū)動(dòng)器采用電流控制模式的升壓轉(zhuǎn)換器(見圖1)。做為一個(gè)實(shí)例，考慮通過2個(gè)并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)1A(每個(gè)LED)的情況，用強(qiáng)均勻光在2米內(nèi)大約產(chǎn)生201ux。升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓等于LED正向電壓加跨接在電流感測電阻器上的電壓。最大正向電壓為4.8V，假定跨接在電流感測電阻器上的電壓為200mV，則升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓為5V。假定相機(jī)電池電壓為3.3V(有負(fù)載)、升壓轉(zhuǎn)換器效率為85%，在此情況下，電池電流應(yīng)該是5V/3.3V/85%×2A=3.6A，這超過了一般移動(dòng)電話電池的能力。

替代方案是用氙閃光，但這需要：(1)蓄電電容器，這對移動(dòng)電話形狀因數(shù)來講，其體積是相當(dāng)大的；(2)高電壓，這會(huì)引起電路和安全問題。而用LED閃光，同樣的LED電路可以用在視頻Capture/Torch功能的較低電流中。

為了克服功率限制，一些相機(jī)電源采用長閃光曝光時(shí)間來補(bǔ)充無光條件，因此，增加總的光能量，但會(huì)導(dǎo)致圖像模糊。

設(shè)計(jì)方案

有兩種方案能提供足夠的LED閃光功率，消除無光條件下暗和模糊圖像。具有高C值(1F或更大)和低ESR(小于100mΩ)的CAP-XX超級電容器能支持電池工作，并提供LED所需的脈沖功率，而這種薄的(1~3mm)棱柱形形狀因數(shù)的電容器。適合于空間受限制的應(yīng)用(如相機(jī)手機(jī))。

方案1：超級電容器放置在升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵的輸出

圖2示出CAP-XX的低成本電流限制電荷泵預(yù)充電超級電容器到5.5V左右。一旦充電超級電容器，使電流開關(guān)提供高電流閃光脈沖，其能量和功率來自超級電容器，而不是電池和電荷泵。在閃光脈沖期間，電荷泵可以使能或禁止。電荷泵使電流限制到300mA左右。在Torch模式，電荷泵保持低能，而電池和電荷泵可以提供小于電荷泵電流限制的恒定電流。

在參考設(shè)計(jì)中，選擇最大功率光亮LED(Lumileds LXCL-PWF1)，可以處理1A峰值脈沖電流(小于200ms)。電路中，要驅(qū)動(dòng)4個(gè)PWF1每個(gè)900mA。

下面簡述圖3所示的電路。當(dāng)首先加上電源時(shí)，F(xiàn)ash/Torch選擇必須是低態(tài)或浮置，這樣U1的引腳5(EN)通過R6拉到高態(tài)。根據(jù)超級電容器的數(shù)值，在超級電容器以0V到充滿電前需要等10~15秒。在超級電容器處于0V時(shí)，有一個(gè)大的侵入電流，直到它充電到電壓≥Vim為止，在電荷泵輸出像是短路。R11加到電路上，用于限制起動(dòng)侵入電流，使其小于750mA。

注意，SP6685僅用于充電超級電容器，所以它總是處于Torch模式(引腳4，F(xiàn)lsh連接到Gnd)。

一旦超級電容器被充電，選擇Flash或Torch模式。當(dāng)此信號為高態(tài)(Flash模式)時(shí)，M2導(dǎo)通，設(shè)置U2(MIC2545)的電流設(shè)置電流器R9//R10。此設(shè)置LED閃光電流。

當(dāng)使能輸入(U2引腳1)保持高態(tài)時(shí)LED導(dǎo)通。由于超級電容器電容值非常大，所以，閃光脈沖僅以相當(dāng)小的量(通常小于1V)放電超級電容器。這意味著在閃光照像之間重新充電的時(shí)間是短的。通常2秒左右。增加D6以防止超級電容放電，U1關(guān)斷時(shí)通過U1到電池。

超級電容器C和ESR選擇如下：

對于150ms閃光脈沖，總LED電流以(ILED)為3.6A。

從數(shù)據(jù)手冊知道：0.9A額定LED正向電壓為3.75V，允許到4.2V。

從數(shù)據(jù)手冊知道，Rdson電組小于50mΩ，所以，跨接在MIC2545電流開關(guān)上的壓降小于180mV。

因此，在閃光脈沖結(jié)束時(shí)，超級電容上最小電壓必須是≥4.2V+0.18V=4.38V≥4.4V。

電荷泵電壓Vout設(shè)置到5.3V，因此，在超級電容器上所允許的總壓降是：Va=5.3V-4.4V=0.9V。

超級電容器壓降：Vd=ILED×(ESR +PWFLASH/C)。

C≥ILED×PWFLASH/(Vd-ILED×ESR)。

在該實(shí)例中，C≥2A×0.15s/(0.9V-2A×ESR)。

假定超級電容器ESR=100m Ω，則

C≥2A×0.15s/(0.9V-2A×0.1Ω)=0.43F。

CAP-XXGS206(0.55F，50mΩ)滿足止要求。

注意，在電路中用兩個(gè)超級電容器來實(shí)現(xiàn)所必須的5.5V最大額定電壓。

CAP-XX超級電容器具有非常小的漏電流(一般小于1mA)。然而，當(dāng)用兩個(gè)超級電容器串聯(lián)時(shí)，需要元件平衡電路來保證兩個(gè)元件間任何不同的漏電流不引起中點(diǎn)值電壓偏移，使其中一個(gè)元件處于過壓狀態(tài)。最簡單的元件平衡電路是一對平衡電阻器(見圖2和圖3)。對于蜂窩電話相機(jī)閃光實(shí)現(xiàn)，超級電容器在閃光脈沖前將被充電到5V以上，電阻器的合適值是2.2KΩ。這將使總漏電加平衡電路，電流大約為80mA。對于良好的電池待機(jī)時(shí)間，此值是比較大的?？赡芨纳频姆椒ㄊ牵?1)當(dāng)電話不處于待機(jī)模式時(shí)斷開電荷泵，這意味著當(dāng)電話處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，不存在超級電容器和平衡電路漏電流消耗；(2)用一個(gè)有源平衡電路(采用高阻抗低電流運(yùn)放)，一個(gè)參考設(shè)計(jì)可使總電流小于2mA。

電荷泵的選擇不是關(guān)鍵性的。本電路選擇小尺寸的SP6685。注意，大多數(shù)電荷泵的軟啟動(dòng)功能在輸出不適合處理超級電容器，這是因?yàn)榉烹姷某夒娙萜鞫搪穾酌?，直到超級電容器電壓接近電荷泵輸出電壓為止。最簡單的方案是在電荷泵的輸入增加一個(gè)電流限制電阻器(圖3中的R11)。

方案2：超級電容器與電池串聯(lián)

此方案實(shí)現(xiàn)電路示于圖4。超級電容器是與電池的正極串聯(lián)。這種配置的優(yōu)點(diǎn)是：

只需要單個(gè)超級電容器。

體積是方案一所需雙超級電容器的1半，而且成本較低。

由于超級電容器+Ve端電壓總是≥電池電壓，所以沒有超級電容器侵入電流。

由于只有單個(gè)元件，所以不需要平衡電路。

這種配置的缺點(diǎn)是：電池電流等于閃光電流(方案1中電池電流等于超級電容器充電電流，在LED閃光期間它可以是零)。

這種配置比電流控制升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵直接驅(qū)動(dòng)閃光LED的“標(biāo)準(zhǔn)”拓?fù)淠芙o出更高的LED電流(在給定電池電流下)?？紤]以70%效率電荷泵驅(qū)動(dòng)LED(LED電流為1A)，假定LED最大正向電壓4.8V、電池電壓欠負(fù)載下為3.3V，則不用超級電容器時(shí)，電池電流為：1A×4.8V/3.3V/70%=2A，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電池提供的電流值。采用方案2，電池電流僅為1A，得到100%改進(jìn)。

圖4所示電路的工作狀態(tài)類似方案1，當(dāng)?shù)谝淮渭与姇r(shí)，F(xiàn)lash/Torch選擇必須是低態(tài)或浮置，這樣使U1使能。根據(jù)超級電容器值的大小，在超級電容器從電池電壓(跨接在超級電容器上的0V)完全充電到V10d起始值(5.1V或跨接在超級電容器上的1.2V)之前需要等3~6秒。在充電期間限制峰值電池電流到300mA左右。隨著超級電容器充電快速降低，方案2中的電荷泵工作情況與方案1中的情況是不相同的，因?yàn)榭偸荲out≥Vin，而且電荷泵從來沒有把超級電容視為短路。像方案1那樣，電荷泵U1僅用來充電超級電容器，所以，它總是處于Torch模式(引腳4Flsh連接到Gnd)。

一旦電容器被充電，選擇Flash或Torch模式。當(dāng)此信號為高態(tài)(Flash模式)時(shí)，M2導(dǎo)通，為U2(MIC2545)設(shè)置電阻器(Q9，R10)。此設(shè)置LED電流為2A左右。Flash/Torch高態(tài)也使M1導(dǎo)通，斷開電荷泵(U1/引腳5為低態(tài))。方案2能做到這樣，因?yàn)殡姵赝ㄟ^超級電容器為LED提供電流。保持電荷泵的使能，能使電池以小于100%效率提供比LED電流大的電流。
像方案1那樣，閃光脈沖僅以相當(dāng)小的量放電超級電容器，所以閃光照像之間重新充電超級電容器的時(shí)間是短的，通常此時(shí)間短于LED所需閃光到冷卻之間2秒時(shí)間。

超級電容器C和ESR選擇如下：

需要250ms閃光脈沖、0.8A驅(qū)動(dòng)每個(gè)LXC1-PWF1 LED，0.8A電流時(shí)正向電壓為3.7V(允許到4.1V)。

因此，