小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)要求
鑒于種種原因,市場(chǎng)上大部分手機(jī)、MP4、PDA等產(chǎn)品中的閃光燈是用低亮度、低成本的LED來實(shí)現(xiàn)。這類閃光燈內(nèi)部通常是由幾個(gè)白光LED燈芯組成,有的直接在內(nèi)部并接或串接,只提供2個(gè)連接引腳;有的提供6個(gè)引腳讓用戶在外部自由配置成串聯(lián)或并聯(lián)形式。由于串聯(lián)連接閃光燈需要基于電感的Boost升壓芯片來驅(qū)動(dòng),電感體積過大以及EMI干擾較嚴(yán)重使其很難在手持設(shè)備中使用,故目前手持設(shè)備應(yīng)用中大多使用并聯(lián)連接的閃光燈。
圖1 幾種典型的閃光燈管芯連接方式
受制于目前LED的工藝水平和價(jià)格,手持設(shè)備應(yīng)用中的閃光燈通常只允許每顆30mA左右的持續(xù)電流和不超過100mA的峰值電流(廠家對(duì)峰值電流的持續(xù)時(shí)間和頻率有嚴(yán)格要求)。由于通過電流較小,閃光時(shí)亮度較低(約為5000mcd),這顯然達(dá)不到專業(yè)相機(jī)閃光燈(多采用氙氣燈)的要求,但因?yàn)長(zhǎng)ED閃光燈成本低,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,目前仍然是手持設(shè)備的主要選擇。
實(shí)現(xiàn)閃光燈功能,需要添加一片閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片。不僅要求其能將燈點(diǎn)亮,還要能靈活地設(shè)定工作電流,同時(shí)又要能在Torch模式或Flash模式中方便切換。工作在Torch模式時(shí),閃光燈持續(xù)發(fā)光,用作手電筒照明或拍攝短片時(shí)背景照明,也可用作黑暗環(huán)境下拍照前的預(yù)閃。而工作在Flash模式時(shí),則用作拍照時(shí)短時(shí)間閃光,加大曝光量。閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片是否可以靈活的設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流以及方便地進(jìn)行模式切換決定了該芯片的易用性。
傳統(tǒng)解決方案面積大,效率低
在通過較大電流時(shí),閃光燈管的正向壓降VF(4~4.5V)通常要高于鋰電池的電壓,所以并聯(lián)閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片大都采用Charge Pump升壓技術(shù),將電池電壓升到一個(gè)較高值來驅(qū)動(dòng)LED。在傳統(tǒng)解決方案中,普遍使用一種恒壓輸出的Charge Pump芯片來驅(qū)動(dòng)小電流閃光燈。如圖2為某典型產(chǎn)品的應(yīng)用方案。該芯片輸出恒定的電壓(4.5V或5V),通過RB限流電阻設(shè)定Torch模式下的電流;而在Flash模式時(shí),將Flash Gate(N溝的MOSFET)閉合,RB與RF兩個(gè)限流電阻并聯(lián),等效電阻值降低,導(dǎo)致流過LED燈的電流明顯增大,亮度增加,發(fā)生“閃光”。
圖2 傳統(tǒng)小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
圖2中的解決方案有兩個(gè)明顯缺點(diǎn):
1,芯片工作在固定2倍升壓模式,恒壓輸出,效率很低。
2.由于Torch和Flash模式下通過LED燈電流較大,限流電阻需要使用0603或0805的封裝,F(xiàn)lash Gate一般也要使用SOT23的封裝。這不僅增加了電路面積,也增加方案成本。
一些改進(jìn)的產(chǎn)品采用了分?jǐn)?shù)電荷泵工作模式,稍微提高了一些轉(zhuǎn)換效率,但依舊使用恒壓輸出,需要外置限流電阻和MOS開關(guān),仍然無法克服上述缺點(diǎn)。
CP2130的新型閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
市場(chǎng)上一些專用的閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片可以很好的解決上述問題,但這類產(chǎn)品通常都是專為高達(dá)500mA甚至安培級(jí)電流的閃光燈應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,芯片價(jià)格很高,這使得很多客戶不得不繼續(xù)使用傳統(tǒng)的解決方案。
啟攀微電子(Chiphomer)針對(duì)小電流閃光燈的應(yīng)用現(xiàn)狀,開發(fā)的新產(chǎn)品CP2130,給出了一種全新的閃光燈驅(qū)動(dòng)方案,有效的解決了方案易用性和成本的矛盾。
CP2130是一種1倍,1.5倍自適應(yīng)模式切換的電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)芯片,可支持多達(dá)5顆LED燈的應(yīng)用,支持寬頻率范圍的PWM調(diào)光,驅(qū)動(dòng)電流由ISET腳的RSET電阻設(shè)定,采用小體積(3mm x 3mm)的QFN16封裝?;赟mart Mirror專利技術(shù),可為各LED通道提供超精確電流匹配。驅(qū)動(dòng)2.8inch LCD背光的典型應(yīng)用方案見圖3。
圖3CP2130背光驅(qū)動(dòng)方案
CP2130特別設(shè)計(jì)的電流驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)同時(shí)可以滿足小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)需求。其可以保證提供持續(xù)輸出150mA,峰值輸出300mA的驅(qū)動(dòng)能力,滿足了目前大部分手機(jī)、MP4、PDA等產(chǎn)品的小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)需求。典型應(yīng)用圖見圖4。
圖4 CP2130小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
在圖4方案中,EN信號(hào)作為芯片使能。當(dāng)EN為低電平時(shí),芯片進(jìn)入Shutdown模式,漏電流極低。當(dāng)EN為高電平時(shí),芯片處于工作狀態(tài)。GPIO-FLASH用于Torch和Flash模式的選擇切換。
當(dāng)GPIO_FLASH設(shè)定為高阻態(tài)(或者設(shè)定為輸入端口時(shí)),ISET端電阻僅為RSET,此時(shí)設(shè)定在較小的驅(qū)動(dòng)電流上,芯片工作在Torch模式。而當(dāng)GPIO_FLASH輸出低電平時(shí),ISET端等效電阻為RADJ和RSET兩電阻的并聯(lián),等效電阻值變小,此時(shí)設(shè)定在較大的驅(qū)動(dòng)電流上,芯片進(jìn)入Flash模式??梢?,使用GPIO_FLASH的IO信號(hào)可方便的在Torch模式和Flash模式之間切換。
以80mA @ Torch,250mA @ Flash的典型應(yīng)用為例,兩電阻可按如下規(guī)則選擇:當(dāng)輸出80mA時(shí),5個(gè)輸出并接,相當(dāng)于每路輸出16mA,通過公式1易得RSET為10KΩ; 當(dāng)需要輸出250mA時(shí),相當(dāng)于每路輸出50mA,通過公式1易得等效RSET為3.1KΩ(實(shí)際RSET與RADJ的并聯(lián)值);此時(shí),可推算出RADJ約4.5KΩ,取鄰近的標(biāo)稱電阻即可。
也可以將GPIO_FLASH直接輸出高電平來進(jìn)入Torch模式,輸出低電平進(jìn)入Flash模式。此時(shí)IO控制比較簡(jiǎn)單,但要通過公式2來計(jì)算RSET與RADJ的電阻值,相對(duì)復(fù)雜一些。
公式1和公式2中RSET為ISET引腳端對(duì)地等效電阻值,ILED為設(shè)定的CP2130每路輸出電流值。公式2中各電阻的單位為KΩ,VIO為GPIO_FLASH的IO電壓,單位為V,如低電平為0V,高電平為2.8V。
需要指出的是,用于控制模式切換的GPIO端口內(nèi)部應(yīng)沒有上拉或下拉電阻,否則會(huì)造成實(shí)際電流與按上述公式計(jì)算電流的偏差。用戶可以選擇沒有上拉或下拉電阻的端口,或者選用可以將上拉或下拉電阻關(guān)
閉的端口來進(jìn)行模式切換。
比較圖4中的CP2130驅(qū)動(dòng)方案和圖2中的傳統(tǒng)的解決方案,容易看出:
1.CP2130是自適應(yīng)模式切換的電荷泵,是電流輸出型器件,平均效率高。
2.CP2130外圍僅需幾個(gè)0402封裝的普通電阻電容來設(shè)定和調(diào)節(jié)閃光燈電流,方案板上面積小,實(shí)現(xiàn)成本低。
實(shí)際應(yīng)用的問題
實(shí)際應(yīng)用中閃光燈組件及其聚光鏡的安放對(duì)亮度和效果有一定影響,應(yīng)該綜合廠家的建議和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形,合理設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)注意應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)際散熱情況,散熱不良將導(dǎo)致閃光燈溫度過高,影響壽命。通常應(yīng)對(duì)整機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行老化試驗(yàn),測(cè)試閃光燈在閃光持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(比如200~300ms)時(shí),連續(xù)工作(比如閃爍5千次,1萬次)情況下是否安全。
另外了解到在有些產(chǎn)品中,將閃光燈通過MOSFET負(fù)載開關(guān)直接連接在電池上,從鋰電池上直接取電來驅(qū)動(dòng)閃光燈。這種方式是很不可取的。由于鋰電池電壓變化范圍很大,這將導(dǎo)致閃光燈亮度差異嚴(yán)重,在電池電壓較低時(shí),閃光亮度急劇退化。而在電池電壓較高時(shí),效率低,特別浪費(fèi)電能。因此,一定要選用一塊閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片來管理閃光燈。
小結(jié)
啟攀微電子(Chiphomer)長(zhǎng)久以來,一直致力于開發(fā)滿足客戶真實(shí)需求的產(chǎn)品。其推出了一系列LED驅(qū)動(dòng)芯片,支持各種LED燈連接方式,滿足不同的應(yīng)用需求。
CP2130作為一款并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)芯片,不僅能勝任背光驅(qū)動(dòng),更能滿足小電流閃光燈的應(yīng)用需求,電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,板上面積小,成本低,相比傳統(tǒng)的恒壓輸出驅(qū)動(dòng)解決方案有很大優(yōu)勢(shì),特別適用作手持設(shè)備的小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)。
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