用于便携设备闪光灯与白光LED驱动的智能直流/直流转换器

2006-06-09 16:16:28来源: EDN China

  引语

  PDA、手机等便携设备集成多种功能是最新的发展趋势,而且这些设想目前已经变成了现实。

  今天,很难再找到一个只有接打电话功能的手机。通话功能是手机原始的“史前”目标。MP3/MP4播放器、有线互连(USB和USB-OTG)、无线互连(IrDA、蓝牙和Wi-Fi)、GPS导航,以及最近推出的数字视频广播,这些都是手机配备的最新、最有吸引力的功能。

  不过,一个能够照相和召开视频电话会议的优质相机模块才是今天每款手机最常见的功能。

  相机模块过去因为图像分辨率不好,价值只比简单的玩具高点有限,但是,今天的相机模块变得越来越复杂,图像质量接近了最先进的数码相机的水平。因为相机模块在低光条件下拍照必需有光源,再加高分辨的相机需要大量的光通量和亮度,集成闪光灯功能在市场上取得了巨大的成功。手机早期装备的闪光灯只能为消费者带来“娱乐闪光”,因为这些闪光灯的拍照效果和没有闪光灯一样。为支持最新的高分辨率相机,激发最终用户对最终效果的感知并满足他们的感官需求,灯光对产生良好的拍照性能至关重要。

本文将介绍不同的闪光功能实现方法,以及这些方法的优缺点。

  闪光灯功能的实现方法

  闪光灯照明目前有两种可行方法:
  ● 闪光灯
  ● LED二极管

  图1是一个闪光灯的原型,该灯是由一个充满氙气的玻璃罩构成,阴极和阳极全都浸入氙气内,而点火电极与灯表面相连,没有浸没在氙气内。


  当氙气的电阻抗值降到一个很低的数值时,一股强大的电流从阳极流至阴极,产生很强的可见光。完成这项功能的是点火电极,它产生一个很高的峰值电压(几千伏),使氙气被离子化,进入低阻抗状态。
闪光灯具获得有高质量相片所需的出色特性。

  闪光灯的输出光线很强,覆盖面很容易扩展。而且,闪光灯的色温大约5500-6000°K,十分接近自然光的色温,所以无需彩色校正。另一方面,因为输出光线需用很高的电能(在阳极上需要几百伏),所以把手机电池电压提高到闪光灯所需电压需要一些时间。

  通常情况下,两次连续闪光的间隔是1秒到5秒之间,时间长短取决于输入功率、电容、充电电路特性和所需电能。闪光灯只能是脉冲式的,所以,它是一个很好的照相解决方案,但不适合运动图像的摄像应用。

  此外,氙气闪光灯管以及相关的驱动电子组件占用很大的空间,而手机的可用空间十分有限。而且,因为点燃氙气以及提供正确的能量保证光输出都需要很高的危险电压,需要一个精确的成本昂贵的驱动器设计,这些因素限制了闪光灯在手机上的应用。

  正是因为这些原因,手机厂商都将通过白光LED获取闪光灯光源。

  LED能够让我们获得连续的光源,因此,它适合在光线不好的环境下拍摄视频电话会议,所需的驱动电路也比闪光灯简单,成本比较低廉。

  入门级相机手机通常配备百万像素以下的相机,闪光灯配置也使用亮度相对较低的标准白光LED。因此,多个标准LED必须串联或并联在一起,才能提供拍照所需的最低光通量,否则,拍照的图像几乎看不清,没有任何用处。

  标准LED的典型正向电压是3.2V到4.5V,而供给LED的唯一电源是手机电池,通常锂电充电时电压在4.2V以上,放电电压在2.8V~2.7V之间。

  因此,驱动标准LED需要使用一个升压直流-直流转换器或一个电荷泵(CP)。这两种解决方案都要必须控制流过白光LED的正向电流,该电流强度与LED的发光强度成正比。下面对这两种方法分别给予介绍。

  升压转换器 (用于串联LED)和电荷泵(用于并联LED)

  多个白光LED(不低于4支)串联在一起,能够提供闪光功能所需的光通量。图2是一个升压转换器驱动标准白光LED的典型应用电路,图3则是改用电荷泵驱动标准白光LED的应用电路。


  有两个参数影响设计方案的选择,一个是LED正向电压,另一个是手机电池的工作电压。如前文所述,目前手机都使用一块锂电池,电池初始电压4.2V,电量用尽时2.7V;而充当闪光功能的LED通常需要几百毫安的驱动电流,这个电流值转换成正向电压大约是3.3V~3.5V。温度和制造工艺可能会大幅度改变这个数值,感应式升压转换器通常用于驱动串联的LED,它能够生成充足的输出电压,供给这个被编程的驱动电流。利用这种驱动方法,因为无论正向电压高低,所有的LED都能获得相同的电流,又因为LED的亮度与流经LED的正向电流成正比,所以LED阵列的亮度非常均衡和谐。

  另一方面,通过外接一个飞电容,电荷泵(CP)可以产生输入电压整数倍的输出电压,若要提高扩大倍数,需增加飞电容和整流器,因此,电荷泵的实际应用被限制在2倍。虽然有些电荷泵能够提供分数倍输出电压(1.5倍),但是需要两个飞电容。

  因为2倍是最方便的升压倍数,考虑到LED典型的正向电压,电荷泵方法主要用于驱动并联的白光LED。因为每个并联支路的LED必须独立控制,这必然会导致LED阵列之间出现轻微的亮度失谐,这种亮度失匹现象在电荷驱动方法中是不可避免的。

  与整数倍电荷泵驱动方法相比,升压转换器的能效更高,而且在电池放电范围曲线上几乎是平坦的。改用分数倍数电荷泵虽然可以提高性能,但是在能效和平坦度上其远不如升压器的设计。因为在升压转换器设计中,白光LED是串联的,所以升压控制器与LED之间只需两条PCB走线。这在设计上是一个很重要的优势,例如,如果LED的数量发生了变化,或者单独安装在一个相机闪光模块上,升压转换器设计很容易适应这种变化,而电荷泵PCB必须完全重新设计。

  另一方面,当考虑到两个解决方案的占位面积时,虽然升压转换器设计的引脚数量少,准许使用比电荷泵设计更小的封装,但是升压转换器因为需要电感器,而导致占PCB板的总体面积变大、变厚。另外,与电荷泵设计中的飞电容对比,外接电感器成本昂贵。


  最后,升压转换器的噪声通常比电荷泵设计高,因此,限制或避免不同组件之间的干扰,需要更精确的设计。不过,无论选择哪一种驱动拓扑,标准白光LED都几乎只能够产生一个“推销性闪光灯”。

关键字:闪光灯  电压  电荷

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200606/4401.html
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