用于便攜設(shè)備閃光燈與白光LED驅(qū)動的智能直流/直流轉(zhuǎn)換器

　　引語

　　PDA、手機(jī)等便攜設(shè)備集成多種功能是最新的發(fā)展趨勢，而且這些設(shè)想目前已經(jīng)變成了現(xiàn)實。

　　今天，很難再找到一個只有接打電話功能的手機(jī)。通話功能是手機(jī)原始的“史前”目標(biāo)。MP3/MP4播放器、有線互連（USB和USB-OTG）、無線互連（IrDA、藍(lán)牙和Wi-Fi）、GPS導(dǎo)航，以及最近推出的數(shù)字視頻廣播，這些都是手機(jī)配備的最新、最有吸引力的功能。

　　不過，一個能夠照相和召開視頻電話會議的優(yōu)質(zhì)相機(jī)模塊才是今天每款手機(jī)最常見的功能。

　　相機(jī)模塊過去因為圖像分辨率不好，價值只比簡單的玩具高點有限，但是，今天的相機(jī)模塊變得越來越復(fù)雜，圖像質(zhì)量接近了最先進(jìn)的數(shù)碼相機(jī)的水平。因為相機(jī)模塊在低光條件下拍照必需有光源，再加高分辨的相機(jī)需要大量的光通量和亮度，集成閃光燈功能在市場上取得了巨大的成功。手機(jī)早期裝備的閃光燈只能為消費者帶來“娛樂閃光”，因為這些閃光燈的拍照效果和沒有閃光燈一樣。為支持最新的高分辨率相機(jī)，激發(fā)最終用戶對最終效果的感知并滿足他們的感官需求，燈光對產(chǎn)生良好的拍照性能至關(guān)重要。

本文將介紹不同的閃光功能實現(xiàn)方法，以及這些方法的優(yōu)缺點。

　　閃光燈功能的實現(xiàn)方法

　　閃光燈照明目前有兩種可行方法：
　　● 閃光燈
　　● LED二極管

　　圖1是一個閃光燈的原型，該燈是由一個充滿氙氣的玻璃罩構(gòu)成，陰極和陽極全都浸入氙氣內(nèi)，而點火電極與燈表面相連，沒有浸沒在氙氣內(nèi)。

　　當(dāng)氙氣的電阻抗值降到一個很低的數(shù)值時，一股強(qiáng)大的電流從陽極流至陰極，產(chǎn)生很強(qiáng)的可見光。完成這項功能的是點火電極，它產(chǎn)生一個很高的峰值電壓（幾千伏），使氙氣被離子化，進(jìn)入低阻抗?fàn)顟B(tài)。
閃光燈具獲得有高質(zhì)量相片所需的出色特性。

　　閃光燈的輸出光線很強(qiáng)，覆蓋面很容易擴(kuò)展。而且，閃光燈的色溫大約5500-6000°K，十分接近自然光的色溫，所以無需彩色校正。另一方面，因為輸出光線需用很高的電能（在陽極上需要幾百伏），所以把手機(jī)電池電壓提高到閃光燈所需電壓需要一些時間。

　　通常情況下，兩次連續(xù)閃光的間隔是1秒到5秒之間，時間長短取決于輸入功率、電容、充電電路特性和所需電能。閃光燈只能是脈沖式的，所以，它是一個很好的照相解決方案，但不適合運動圖像的攝像應(yīng)用。

　　此外，氙氣閃光燈管以及相關(guān)的驅(qū)動電子組件占用很大的空間，而手機(jī)的可用空間十分有限。而且，因為點燃氙氣以及提供正確的能量保證光輸出都需要很高的危險電壓，需要一個精確的成本昂貴的驅(qū)動器設(shè)計，這些因素限制了閃光燈在手機(jī)上的應(yīng)用。

　　正是因為這些原因，手機(jī)廠商都將通過白光LED獲取閃光燈光源。

　　LED能夠讓我們獲得連續(xù)的光源，因此，它適合在光線不好的環(huán)境下拍攝視頻電話會議，所需的驅(qū)動電路也比閃光燈簡單，成本比較低廉。

　　入門級相機(jī)手機(jī)通常配備百萬像素以下的相機(jī)，閃光燈配置也使用亮度相對較低的標(biāo)準(zhǔn)白光LED。因此，多個標(biāo)準(zhǔn)LED必須串聯(lián)或并聯(lián)在一起，才能提供拍照所需的最低光通量，否則，拍照的圖像幾乎看不清，沒有任何用處。

　　標(biāo)準(zhǔn)LED的典型正向電壓是3.2V到4.5V，而供給LED的唯一電源是手機(jī)電池，通常鋰電充電時電壓在4.2V以上，放電電壓在2.8V~2.7V之間。

　　因此，驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)LED需要使用一個升壓直流-直流轉(zhuǎn)換器或一個電荷泵（CP）。這兩種解決方案都要必須控制流過白光LED的正向電流，該電流強(qiáng)度與LED的發(fā)光強(qiáng)度成正比。下面對這兩種方法分別給予介紹。

　　升壓轉(zhuǎn)換器 (用于串聯(lián)LED)和電荷泵(用于并聯(lián)LED)

　　多個白光LED（不低于4支）串聯(lián)在一起，能夠提供閃光功能所需的光通量。圖2是一個升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED的典型應(yīng)用電路，圖3則是改用電荷泵驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED的應(yīng)用電路。

　　有兩個參數(shù)影響設(shè)計方案的選擇，一個是LED正向電壓，另一個是手機(jī)電池的工作電壓。如前文所述，目前手機(jī)都使用一塊鋰電池，電池初始電壓4.2V，電量用盡時2.7V；而充當(dāng)閃光功能的LED通常需要幾百毫安的驅(qū)動電流，這個電流值轉(zhuǎn)換成正向電壓大約是3.3V~3.5V。溫度和制造工藝可能會大幅度改變這個數(shù)值，感應(yīng)式升壓轉(zhuǎn)換器通常用于驅(qū)動串聯(lián)的LED，它能夠生成充足的輸出電壓，供給這個被編程的驅(qū)動電流。利用這種驅(qū)動方法，因為無論正向電壓高低，所有的LED都能獲得相同的電流，又因為LED的亮度與流經(jīng)LED的正向電流成正比，所以LED陣列的亮度非常均衡和諧。

　　另一方面，通過外接一個飛電容，電荷泵（CP）可以產(chǎn)生輸入電壓整數(shù)倍的輸出電壓，若要提高擴(kuò)大倍數(shù)，需增加飛電容和整流器，因此，電荷泵的實際應(yīng)用被限制在2倍。雖然有些電荷泵能夠提供分?jǐn)?shù)倍輸出電壓(1.5倍)，但是需要兩個飛電容。

　　因為2倍是最方便的升壓倍數(shù)，考慮到LED典型的正向電壓，電荷泵方法主要用于驅(qū)動并聯(lián)的白光LED。因為每個并聯(lián)支路的LED必須獨立控制，這必然會導(dǎo)致LED陣列之間出現(xiàn)輕微的亮度失諧，這種亮度失匹現(xiàn)象在電荷驅(qū)動方法中是不可避免的。

　　與整數(shù)倍電荷泵驅(qū)動方法相比，升壓轉(zhuǎn)換器的能效更高，而且在電池放電范圍曲線上幾乎是平坦的。改用分?jǐn)?shù)倍數(shù)電荷泵雖然可以提高性能，但是在能效和平坦度上其遠(yuǎn)不如升壓器的設(shè)計。因為在升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，白光LED是串聯(lián)的，所以升壓控制器與LED之間只需兩條PCB走線。這在設(shè)計上是一個很重要的優(yōu)勢，例如，如果LED的數(shù)量發(fā)生了變化，或者單獨安裝在一個相機(jī)閃光模塊上，升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計很容易適應(yīng)這種變化，而電荷泵PCB必須完全重新設(shè)計。

　　另一方面，當(dāng)考慮到兩個解決方案的占位面積時，雖然升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計的引腳數(shù)量少，準(zhǔn)許使用比電荷泵設(shè)計更小的封裝，但是升壓轉(zhuǎn)換器因為需要電感器，而導(dǎo)致占PCB板的總體面積變大、變厚。另外，與電荷泵設(shè)計中的飛電容對比，外接電感器成本昂貴。

　　最后，升壓轉(zhuǎn)換器的噪聲通常比電荷泵設(shè)計高，因此，限制或避免不同組件之間的干擾，需要更精確的設(shè)計。不過，無論選擇哪一種驅(qū)動拓?fù)?，?biāo)準(zhǔn)白光LED都幾乎只能夠產(chǎn)生一個“推銷性閃光燈”。