高功率LED相機閃光燈驅(qū)動器架構(gòu)

　　拍照手機的質(zhì)量正不斷提高，其中包括更高的分辨率、更佳的焦距、功能增強的圖像處理軟件以及防抖動等特性。然而比較落后的一方面是在低光照環(huán)境中拍攝照片時的閃光燈電能。許多手機由于提供了一個低電流 led 拍照閃光或快閃，因而性能大打折扣，就低光照條件下獲得可接受圖像質(zhì)量的照片而言，這樣的光能是遠遠不夠的。

　　要想成為一種實用的快閃技術(shù)，光源就必須能夠在一定的目標范圍內(nèi)提供足夠的亮度（例如：>50lux @ 1m）。業(yè)界一流的高功率、高亮度白光 LED 技術(shù)可實現(xiàn)這一目標—— 每個芯片的驅(qū)動電流高達 1500mA。

　　功能整合的手機設(shè)備將越來越受市場的推崇，因此呈現(xiàn)出了對小型化、通用靈活性、外形尺寸以及上市時間的不斷需求。為了滿足這些需求，TI 推出了一系列易于設(shè)計、且優(yōu)化的高功率 LED 閃光燈驅(qū)動器 （TPS61050/2/4）。這些器件具有不到 25mm2 的解決方案尺寸，并且能夠為 LED 提供高達 5W 的電能。

　　圖 1 TPS61050 應(yīng)用概述

　　在采用單體鋰離子 （Li-Ion） 電池的便攜式應(yīng)用中，白光 LED 兩端壓降與電流調(diào)節(jié)器兩端凈空電壓 （headroom voltage） 的和可以低于或高于電池電壓。這就是說 LED 驅(qū)動器拓撲應(yīng)該能夠處理降壓和升壓運行模式。

　　實施降壓轉(zhuǎn)換最簡單的方法是利用一個線性低側(cè)電流調(diào)節(jié)器。這種方法的優(yōu)勢在于成本低且高效率，因為 LED 正向電壓通常會稍微低于額定的電池電壓。

　　本文將解決 LED 相機閃光燈應(yīng)用及相關(guān)的難題，其中包括：高功率 LED 驅(qū)動器架構(gòu)、電池電流以及壓降。

　　LED 相機閃光燈驅(qū)動器拓撲

　　不管廠商、型號、尺寸或功率如何，所有的 LED 都是在恒流驅(qū)動時性能最佳。以流明為單位的光輸出與電流成正比，因此 LED 廠商規(guī)定了其器件在規(guī)定正向電流 IF 時的諸多特性（例如：光度、色溫等）。高功率 LED 會呈現(xiàn)出一個陡峭的 I-V 曲線，因此以恒定電壓驅(qū)動 LED 可導(dǎo)致明顯且?guī)缀鯚o法預(yù)計的正向電流變化。

　　TPS6105x 產(chǎn)品采用一個 2-MHz 恒定頻率、電流模式脈寬調(diào)制 （PWM） 轉(zhuǎn)換器生成驅(qū)動高功率 LED 所需的輸出電壓。該器件集成了一個基于 NMOS 開關(guān)的功率級和一個同步 NMOS 整流器。此外，該器件還實施了一個線性低側(cè)電流調(diào)節(jié)器，以在電池電壓高于二極管正向電壓時控制 LED 電流。

　　圖 2 TPS61050 功能結(jié)構(gòu)圖

　　出于簡化和減少芯片面積占用的目的，我們使用了低側(cè)電流檢測電路，該電流檢測電路基于一個設(shè)計旨在飽和區(qū)域運行的有源電流鏡。該器件根據(jù)電流阱兩端的壓降將自動在線性降壓模式和具有最低 250mV 檢測電壓的電感升壓模式之間轉(zhuǎn)換。

　　這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于在所有的 LED 電流和電池電壓條件下其效率都非常高，因為可以將輸入電壓升壓至 LED 正向電壓與電流阱凈空電壓之和。

　　電流檢測的挑戰(zhàn)在于精確和高效率，這是兩個相互沖突的方面。電流檢測/調(diào)節(jié)電路兩端的凈空電壓越低，節(jié)約的電能就越多，但是這是以噪聲靈敏度為代價的。

　　圖 3 典型的效率

由于拍照手機應(yīng)用中 LED 閃光功能使用的不那么頻繁，這樣一來我們就有了使用電感功率級來實現(xiàn)其他功能的想法。TPS6105x 器件不僅可以起到穩(wěn)壓電流源的作用，而且還可起到標準升壓穩(wěn)壓器的作用。電壓模式運行既可通過軟件命令完成，也可通過硬件信號 （ENVM） 完成。

　　當為系統(tǒng)中其他高功率器件供電時（如 LED 驅(qū)動器、免提音頻功率放大器或其他任何需要電源電壓高于電池電壓的組件），為了適當同步轉(zhuǎn)換器該增加的運行模式可能會非常有用。

　　圖 4 白光 LED 閃光燈驅(qū)動器和輔助照明區(qū)電源

　　為了支持 LED 電流調(diào)節(jié)或輸出電壓調(diào)節(jié)，TPS6105x 器件實施了一種全新的多功能調(diào)節(jié)方案（請參見圖 2），該方案實現(xiàn)了在兩個控制環(huán)路間的無縫即時轉(zhuǎn)換。

　　LED 電源、電池電流以及電壓下降

　　在效率計算中將要用到的輸出功率關(guān)系為 PLED = VF x IF。LED 驅(qū)動效率（即電氣 LED 功率與電池功率的比）等于：

　　圖 5 效率與輸入電流的關(guān)系

　　就一個給定的 LED 電流而言，正向電壓會隨著過程和溫度的不同而不同。這就是說從電池功率到光輸出的轉(zhuǎn)換效率會發(fā)生變化而亮度卻依然保持不變，這是因為亮度只取決于電流。

　　因此，效率并不是評估功耗的一個充分的參數(shù)指數(shù) （figure of merit）。我們必須要考慮的是電池電流與 LED 亮度的關(guān)系，即 LED 電流。就一個給定的 LED 亮度而言，輸出功率才是電池輸出能量多少的真正標尺。

　　向電池施加一個大負載時，開路電池電壓就會被壓降扭曲，該壓降是由于電池組內(nèi)部阻抗引起的。電池阻抗很大程度上取決于下列參數(shù)：

　　內(nèi)部電池阻抗。嶄新的鋰離子電池的阻抗為 c.a. 50~70m?。各個電池的阻抗是不盡相同的，根據(jù)生產(chǎn)批次的不同阻抗變化大約為 15%。

　　松弛效應(yīng)。應(yīng)用/去除脈沖負載后電池壓始終在不停地變化。

　　溫度。電池阻抗與溫度有著密切的關(guān)系，溫度每下降 10?C 阻抗就會增加 50%。

　　充電狀態(tài)。內(nèi)部阻抗取決于充電狀態(tài) （SoC），并在放電結(jié)束時內(nèi)部阻抗增加。

　　保護電路。鋰離子電池組具有與電池串聯(lián)的背對背保護 MOSFET，其電阻范圍為 c.a. 50~70m?。

　　連接器。通常電池組通過一對彈簧連接器（每個連接器都有 25m? 的 DC 電阻）與系統(tǒng)相連接。

　　從電氣角度來說，電池通常只是一個電壓源，或者是一個與代表電池內(nèi)部阻抗的電阻器串聯(lián)的電壓源。為了正確表述電池瞬態(tài)行為，我們應(yīng)該使用一個等效電路，而非只是電阻。。

　　當電池完成充電或放電后，其開路電壓就會發(fā)生變化。因此，從電氣角度來看其可以被看作是一個具有可變電容值 （CO） 的電容器。

　　圖 6 中，RA 和 RC 為相應(yīng)陰極和陽極的總擴散、傳導(dǎo)和電荷轉(zhuǎn)移電阻。CA 和 CC 為表面電容。RSER 為包括電解物、電流集電器以及金屬絲電阻在內(nèi)的串聯(lián)電阻。

　　圖 6 電池等效電路

　　每個級都與其時間常數(shù)相關(guān)聯(lián)，這會導(dǎo)致復(fù)雜的電氣行為。

　　圖 7 900mAh、鋰離子電池瞬態(tài)響應(yīng)與 SOC 和溫度的關(guān)系

　　如圖 7 所示，雖然電池電壓對電流階躍的響應(yīng)被延遲了，但經(jīng)過一段時間后，其開始接近具有一個串聯(lián)電阻器的電容行為。電流終止以后，電池電壓不會立即返回到無電流狀態(tài)。相反，其會慢慢增加直到最后其達到等效電容器電壓電平為止，這就是開路電壓。

　　在基于 TDMA 的系統(tǒng)中（如 GSM/GPRS 手機），RF 功率放大器 （PA） 也可從電池拉出高峰值電流。TPS61050 器件集成了一個通用 I/O 引腳 （GPIO），該引腳既可以被配置為一個標準的邏輯輸入/輸出，也可以被配置為一個快閃掩碼輸入 （flash masking input） （Tx-MASK）。

　　這一消隱功能將 LED 從相機閃光變?yōu)榱耸蛛娡补?，因而幾乎瞬時降低了電池的峰值電流負載。該系統(tǒng)級特性通過避免兩個高功率負載（PA 和快閃 LED）同時開啟阻止了手機關(guān)機。

　　LED 快閃電流電平優(yōu)化

　　在手機應(yīng)用中，我們通常規(guī)定相機引擎在一個低至 0?C 或 -10?C 的溫度工作。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)運行，LED 快閃電流需要根據(jù)最大容許電池壓降（即最高的電池阻抗，最低的環(huán)境溫度）進行調(diào)節(jié)。

　　為了動態(tài)優(yōu)化 LED 快閃電流（即光輸出）與電池充電狀態(tài)和溫度的關(guān)系，我們可以考慮使用下列自調(diào)節(jié)程序。這種算法可以被嵌入到自動曝光白平衡或防紅眼預(yù)閃算法中去。

　　LED 正向電壓“催化”特性——在相機引擎生產(chǎn)測試時進行。

　　LED 正向電壓 （VF） 的一階近似可以由集成的 3 位 A/D 轉(zhuǎn)換器完成。

　　就三次不同的快閃電流（200mA、500mA 以及 1000mA）而言，只執(zhí)行三次短暫的快閃選通脈沖（10 分之幾毫秒就足夠了）。

　　這些數(shù)據(jù)有助于我們更精確地估計LED相比快閃電流真正的電氣功率。

　　圖 8 LED 正向電壓近似

　　估計電池阻抗的預(yù)閃光功能

　　在一個高功率快閃選通脈沖中，電池電壓通常會下降數(shù)百毫伏。就短時間高功率快閃選通脈沖而言，該電壓下降受電池本身的電容（即松弛效應(yīng)）影響不是很大，而是受其電池阻抗的影響。

　　圖 9 脈沖 LED 運行時的圖像捕獲順序

　　相機和/或基帶引擎通常可以在快閃選通脈沖之前和快閃選通脈沖結(jié)束時對電池電壓進行測量。憑借這一信息系統(tǒng)就可以計算出大概的電池阻抗，具體如下：

　　根據(jù)實際的 LED 電氣特性、中頻電池阻抗、充電狀態(tài)以及溫度信息，相機引擎軟件可以動態(tài)地優(yōu)化 LED 快閃電流以避免電池崩潰的危險。