照相手機(jī)的LED閃光燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED已經(jīng)成為移動(dòng)電話中電影照明和相機(jī)閃光燈的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。對(duì)于更高畫質(zhì)和更高分辨率的需求，要求更亮的閃光燈 LED 解決方案。所面臨的挑戰(zhàn)是如何通過(guò)實(shí)現(xiàn)最高效率的解決方案來(lái)從電池中擠壓出最佳的光通量。這樣一來(lái)，從電池吸收大電流的運(yùn)行，要求具備許多省電運(yùn)行特性以及一種穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文將介紹一種系統(tǒng)層閃光燈 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，以及能夠確保系統(tǒng)安全運(yùn)行和集成的一些特性。

高效的相機(jī)閃光燈 LED 驅(qū)動(dòng)

高分辨率相機(jī)在最低光照環(huán)境下，要求有高亮度的閃光來(lái)完成照相。客戶要求提供一種閃光燈解決方案作為手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功能。安裝閃光燈的移動(dòng)電話已經(jīng)成為一種有吸引力的賣點(diǎn)。這種特性需要高光通量，從而給高效 LED 驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)電話中閃光燈 LED 的高正向電壓和電流以及給定的電池電壓，讓升壓轉(zhuǎn)換器成為最佳的解決方案。驅(qū)動(dòng)大電流時(shí)，基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)出令人滿意的效率。LED　必須為電流驅(qū)動(dòng)，因?yàn)檎螂妷翰粌H僅隨溫度而變化，而且也有其自身的差異。正向電壓的這種變化源自于其生產(chǎn)過(guò)程，其變化范圍為 ±20%，請(qǐng)參見圖 1。

圖 1 閃光燈 LED VF / IF 圖

將閃光燈 LED 與一個(gè)電流檢測(cè)電阻串聯(lián)，然后通過(guò)一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)，這是一種簡(jiǎn)單的方法。圖 1 描述了這種方法。

圖 2 使用外部電流檢測(cè)電阻的簡(jiǎn)單 LED 驅(qū)動(dòng)方法

對(duì)升壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓進(jìn)行控制，以匹配通過(guò)外部電阻檢測(cè)的設(shè)定 LED 電流。不幸的是，這樣做會(huì)讓設(shè)計(jì)人員背離要從電池提供的有限電能中擠壓出最高光通量的目標(biāo)。外部電流檢測(cè)電阻帶有高功耗，其大小受到控制，目的是在低電流狀態(tài)下也可以提供可用的裕量電壓，從而為持續(xù)的電影照明提供驅(qū)動(dòng)。另一方面，如果電流增加，則電流檢測(cè)電阻的壓降升高，帶來(lái)大量的功耗。另外，具有理想功耗額定值的高精度電阻較昂貴，且會(huì)增加解決方案的體積，從而每條 LED 通道都要求一個(gè)電阻。

因此，更好的解決方案是一個(gè)集成在 LED 驅(qū)動(dòng)器中的有源電流阱或者電流源，如圖 3 所示。我們可使用一種壓降和由此產(chǎn)生的功耗都得到降低的方法對(duì)內(nèi)部電流檢測(cè)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)情況取決于 LED 電流的大小。如果為低 LED 電流，則壓降可以維持足夠的高以獲得精確的檢測(cè)信號(hào)。

圖 3 使用自適應(yīng)電流阱和檢測(cè)的改進(jìn)型 LED 驅(qū)動(dòng)方案

電流阱不僅僅檢測(cè) LED 電流，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電阻，其還可以對(duì) LED 電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。所產(chǎn)生的電流阱壓降作為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓所需的信息，旨在任何電流電平下都能夠?qū)⒐目刂圃谝粋€(gè)可接收的最低限度。

圖 4 有源電流檢測(cè)與電阻式電流檢測(cè)比較

圖 4 顯示了使用一個(gè) 1Ω 電阻檢測(cè)電流和使用一個(gè)調(diào)節(jié)至 400mv 壓降的有源電流檢測(cè)方法之間的比較情況。受益于低功耗，有源電流檢測(cè)方法明顯有助于更高的系統(tǒng)效率。

從電池?cái)D壓出光通量

過(guò)去，RF PA 從移動(dòng)電話電池吸取最高的脈沖電流。隨著過(guò)去 5 年間多功能手機(jī)的發(fā)展，處理器供電和本文重點(diǎn)介紹的閃光燈 LED 供電吸取了最高的電流。例如，如果要驅(qū)動(dòng) 1.5A 的 LED 電流，從電池吸取的電流可高達(dá) 3A，這是因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器的電壓比。如此高的電流會(huì)使電池電壓急劇下降。欠壓閾值檢測(cè)機(jī)制會(huì)防止系統(tǒng)在這種情況下出現(xiàn)故障。在閃光燈開啟時(shí)由于低電池電壓電話會(huì)徹底關(guān)機(jī)，這是一種非常糟糕的用戶體驗(yàn)。常用的解決方案是在低電池電壓狀態(tài)時(shí)讓相機(jī)軟件關(guān)閉閃光燈，相比之下不使用閃光的用戶體驗(yàn)還不至于太壞。PMIC　提供的緩慢電池電壓信息刷新率、電池溫度和老化效應(yīng)以及更嚴(yán)重的不準(zhǔn)確性放寬了安全的界限。

如果閃光燈驅(qū)動(dòng)器本身能夠防止電池電壓下降過(guò)多，那么就可以保持較小的安全界限。通過(guò)使用一個(gè)受控轉(zhuǎn)換率升高 LED 電流，并在上升期間持續(xù)監(jiān)控電池電壓可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

TI 擁有一種監(jiān)控電池電壓的閃光燈驅(qū)動(dòng)器技術(shù)。要獲得穩(wěn)定的 LED 電流波形并且避免過(guò)多的電池壓降，閃光燈驅(qū)動(dòng)器要主動(dòng)控制 LED 電流上升/下降順序。在上升階段（上升斜率為 25mA/12μs），要對(duì)輸入電壓進(jìn)行監(jiān)控。如果輸入電壓降至某個(gè)設(shè)定閾值以下，則器件即刻停止讓 LED 電流進(jìn)一步上升至該設(shè)定閾值，并將閃光燈電流保持在實(shí)際電平，參見圖 5。

圖 5 電池壓降監(jiān)控

因此，可以保證安全界限非常小，并且手機(jī)不會(huì)關(guān)機(jī)。電池周期中的不可逆電池壓降得到避免，并且增加了電池總體工作時(shí)間。

安全系統(tǒng)集成

驅(qū)動(dòng)高脈沖電流時(shí)，聚光燈為安全無(wú)故障運(yùn)行。移動(dòng)電話廠商迫切要求一種無(wú)縫系統(tǒng)集成解決方案。因此這就要求一種特性集，而不僅僅是標(biāo)準(zhǔn)安全運(yùn)行特性，例如：電感電流限制、欠壓保護(hù)等。TPS61310 閃光燈 LED 驅(qū)動(dòng)器擁有這種特性集，可以用于這種高要求的運(yùn)行。

LED故障檢測(cè)

不僅僅在生產(chǎn)過(guò)程中，在器件運(yùn)行期間也必須檢測(cè)到 LED 短路，以避免出現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)。檢測(cè)這種狀態(tài)的一種方法是強(qiáng)制幾毫安的電流正向流動(dòng)。這種電流可以在亞照明范圍測(cè)試 LED，因此終端用戶不會(huì)察覺到亮度。但是這種方法有一些缺點(diǎn)：LED 廠商通常不會(huì)測(cè)試亞照明范圍。由于生產(chǎn)的工藝差異，不僅在 LED 類型之間即使在單個(gè) LED 類型中都存在巨大的不準(zhǔn)確性差異。這可能會(huì)帶來(lái)漏檢測(cè)某個(gè)短路 LED，或者偽錯(cuò)誤檢測(cè)。TPS61310 則不一樣。如果一個(gè)或者多個(gè) LED 工作時(shí)出現(xiàn)短路狀態(tài)，低側(cè)電流阱 LED1、LED2、LED3 便按照視頻照明模式或者閃光燈模式各自的設(shè)定，限制最大輸出電流，增加其輸入電阻來(lái)防止吸取電流過(guò)多。另外，這一過(guò)程受到監(jiān)控，并且通過(guò) I2C 接口將短路 LED 狀態(tài)反映給生產(chǎn)期間的測(cè)試設(shè)備，或者反映給工作中的相機(jī)引擎。利用類似方法，也可以對(duì)開路狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

過(guò)溫檢測(cè)

一種吸引人的移動(dòng)電話產(chǎn)品設(shè)計(jì)在某些情況下卻并不符合最佳熱設(shè)計(jì)要求。高功耗閃光燈 LED 具備有限的允許脈沖處理能力。如果電話暴露在高溫下，和/或由于前面的閃光操作 LED 溫度上升，電容式熱敏電阻可能會(huì)無(wú)法處理 LED 功率損耗，從而導(dǎo)致 85°C 以上高溫下發(fā)光效率的不可逆下降，使用壽命縮短，甚至熄滅。為了消除散熱設(shè)計(jì)和功能/誘人設(shè)計(jì)急需之間的差距，TPS61310 允許使用一個(gè) NTC 檢測(cè)電阻測(cè)定一個(gè)或多個(gè) LED 溫度。如果超出關(guān)鍵溫度，則通過(guò)軟件降低 LED 開/關(guān)時(shí)間脈沖比，從而讓 LED 可以在閃光燈工作間隙冷卻下來(lái)。這種特性也可以用作手指燙傷保護(hù)功能。

TPS61310 芯片溫度也同樣受到監(jiān)控。除了標(biāo)準(zhǔn)的熱關(guān)機(jī)功能以外，TPS61310還可以向相機(jī)引擎提供早期預(yù)警功能，以避免熱關(guān)機(jī)功能被意外觸發(fā)，從而為器件冷卻提供空間。

TPS61310電影照明/閃光燈驅(qū)動(dòng)器

TPS61310 能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè) 1.5A 的單、雙或者三閃光燈 LED 應(yīng)用。諸如電池電壓監(jiān)控、省電運(yùn)行功能、可靠 LED 短路檢測(cè)的專有特性讓其成為閃光燈驅(qū)動(dòng)和電影照明的簡(jiǎn)單集成解決方案。通過(guò)高速 I2C I/F 實(shí)現(xiàn)可編程以后，器件擁有最高的跨平臺(tái)設(shè)計(jì)靈活性。作為一種選項(xiàng)，專用邏輯輸入可用于零延遲觸發(fā)。2x2mm2 芯片級(jí)封裝以及無(wú)需通過(guò)外部組件編程設(shè)定電流或閃光燈導(dǎo)通時(shí)間帶來(lái)了極小的解決方案體積。