超級電容器解決高分辨率相機的LED閃光電源問題

傳統(tǒng)的LED閃光驅動器采用電流控制模式的升壓轉換器(見圖1)。做為一個實例，考慮通過2個并聯LED驅動1A(每個LED)的情況，用強均勻光在2米內大約產生201ux。升壓轉換器的輸出電壓等于LED正向電壓加跨接在電流感測電阻器上的電壓。最大正向電壓為4.8V，假定跨接在電流感測電阻器上的電壓為200mV，則升壓轉換器輸出電壓為5V。假定相機電池電壓為3.3V(有負載)、升壓轉換器效率為85%，在此情況下，電池電流應該是5V/3.3V/85%×2A=3.6A，這超過了一般移動電話電池的能力。

替代方案是用氙閃光，但這需要：(1)蓄電電容器，這對移動電話形狀因數來講，其體積是相當大的；(2)高電壓，這會引起電路和安全問題。而用LED閃光，同樣的LED電路可以用在視頻Capture/Torch功能的較低電流中。

為了克服功率限制，一些相機電源采用長閃光曝光時間來補充無光條件，因此，增加總的光能量，但會導致圖像模糊。

設計方案

有兩種方案能提供足夠的LED閃光功率，消除無光條件下暗和模糊圖像。具有高C值(1F或更大)和低ESR(小于100mΩ)的CAP-XX超級電容器能支持電池工作，并提供LED所需的脈沖功率，而這種薄的(1~3mm)棱柱形形狀因數的電容器。適合于空間受限制的應用(如相機手機)。

方案1：超級電容器放置在升壓轉換器或電荷泵的輸出

圖2示出CAP-XX的低成本電流限制電荷泵預充電超級電容器到5.5V左右。一旦充電超級電容器，使電流開關提供高電流閃光脈沖，其能量和功率來自超級電容器，而不是電池和電荷泵。在閃光脈沖期間，電荷泵可以使能或禁止。電荷泵使電流限制到300mA左右。在Torch模式，電荷泵保持低能，而電池和電荷泵可以提供小于電荷泵電流限制的恒定電流。

在參考設計中，選擇最大功率光亮LED(Lumileds LXCL-PWF1)，可以處理1A峰值脈沖電流(小于200ms)。電路中，要驅動4個PWF1每個900mA。

下面簡述圖3所示的電路。當首先加上電源時，Fash/Torch選擇必須是低態(tài)或浮置，這樣U1的引腳5(EN)通過R6拉到高態(tài)。根據超級電容器的數值，在超級電容器以0V到充滿電前需要等10~15秒。在超級電容器處于0V時，有一個大的侵入電流，直到它充電到電壓≥Vim為止，在電荷泵輸出像是短路。R11加到電路上，用于限制起動侵入電流，使其小于750mA。

注意，SP6685僅用于充電超級電容器，所以它總是處于Torch模式(引腳4，Flsh連接到Gnd)。

一旦超級電容器被充電，選擇Flash或Torch模式。當此信號為高態(tài)(Flash模式)時，M2導通，設置U2(MIC2545)的電流設置電流器R9//R10。此設置LED閃光電流。

當使能輸入(U2引腳1)保持高態(tài)時LED導通。由于超級電容器電容值非常大，所以，閃光脈沖僅以相當小的量(通常小于1V)放電超級電容器。這意味著在閃光照像之間重新充電的時間是短的。通常2秒左右。增加D6以防止超級電容放電，U1關斷時通過U1到電池。

超級電容器C和ESR選擇如下：

對于150ms閃光脈沖，總LED電流以(ILED)為3.6A。

從數據手冊知道：0.9A額定LED正向電壓為3.75V，允許到4.2V。

從數據手冊知道，Rdson電組小于50mΩ，所以，跨接在MIC2545電流開關上的壓降小于180mV。

因此，在閃光脈沖結束時，超級電容上最小電壓必須是≥4.2V+0.18V=4.38V≥4.4V。

電荷泵電壓Vout設置到5.3V，因此，在超級電容器上所允許的總壓降是：Va=5.3V-4.4V=0.9V。

超級電容器壓降：Vd=ILED×(ESR +PWFLASH/C)。

C≥ILED×PWFLASH/(Vd-ILED×ESR)。

在該實例中，C≥2A×0.15s/(0.9V-2A×ESR)。

假定超級電容器ESR=100m Ω，則

C≥2A×0.15s/(0.9V-2A×0.1Ω)=0.43F。

CAP-XXGS206(0.55F，50mΩ)滿足止要求。

注意，在電路中用兩個超級電容器來實現所必須的5.5V最大額定電壓。

CAP-XX超級電容器具有非常小的漏電流(一般小于1mA)。然而，當用兩個超級電容器串聯時，需要元件平衡電路來保證兩個元件間任何不同的漏電流不引起中點值電壓偏移，使其中一個元件處于過壓狀態(tài)。最簡單的元件平衡電路是一對平衡電阻器(見圖2和圖3)。對于蜂窩電話相機閃光實現，超級電容器在閃光脈沖前將被充電到5V以上，電阻器的合適值是2.2KΩ。這將使總漏電加平衡電路，電流大約為80mA。對于良好的電池待機時間，此值是比較大的。可能改善的方法是：(1)當電話不處于待機模式時斷開電荷泵，這意味著當電話處于待機狀態(tài)時，不存在超級電容器和平衡電路漏電流消耗；(2)用一個有源平衡電路(采用高阻抗低電流運放)，一個參考設計可使總電流小于2mA。

電荷泵的選擇不是關鍵性的。本電路選擇小尺寸的SP6685。注意，大多數電荷泵的軟啟動功能在輸出不適合處理超級電容器，這是因為放電的超級電容器短路幾秒，直到超級電容器電壓接近電荷泵輸出電壓為止。最簡單的方案是在電荷泵的輸入增加一個電流限制電阻器(圖3中的R11)。

方案2：超級電容器與電池串聯

此方案實現電路示于圖4。超級電容器是與電池的正極串聯。這種配置的優(yōu)點是：

只需要單個超級電容器。

體積是方案一所需雙超級電容器的1半，而且成本較低。

由于超級電容器+Ve端電壓總是≥電池電壓，所以沒有超級電容器侵入電流。

由于只有單個元件，所以不需要平衡電路。

這種配置的缺點是：電池電流等于閃光電流(方案1中電池電流等于超級電容器充電電流，在LED閃光期間它可以是零)。

這種配置比電流控制升壓轉換器或電荷泵直接驅動閃光LED的“標準”拓撲能給出更高的LED電流(在給定電池電流下)?？紤]以70%效率電荷泵驅動LED(LED電流為1A)，假定LED最大正向電壓4.8V、電池電壓欠負載下為3.3V，則不用超級電容器時，電池電流為：1A×4.8V/3.3V/70%=2A，這遠遠大于電池提供的電流值。采用方案2，電池電流僅為1A，得到100%改進。

圖4所示電路的工作狀態(tài)類似方案1，當第一次加電時，Flash/Torch選擇必須是低態(tài)或浮置，這樣使U1使能。根據超級電容器值的大小，在超級電容器從電池電壓(跨接在超級電容器上的0V)完全充電到V10d起始值(5.1V或跨接在超級電容器上的1.2V)之前需要等3~6秒。在充電期間限制峰值電池電流到300mA左右。隨著超級電容器充電快速降低，方案2中的電荷泵工作情況與方案1中的情況是不相同的，因為總是Vout≥Vin，而且電荷泵從來沒有把超級電容視為短路。像方案1那樣，電荷泵U1僅用來充電超級電容器，所以，它總是處于Torch模式(引腳4Flsh連接到Gnd)。

一旦電容器被充電，選擇Flash或Torch模式。當此信號為高態(tài)(Flash模式)時，M2導通，為U2(MIC2545)設置電阻器(Q9，R10)。此設置LED電流為2A左右。Flash/Torch高態(tài)也使M1導通，斷開電荷泵(U1/引腳5為低態(tài))。方案2能做到這樣，因為電池通過超級電容器為LED提供電流。保持電荷泵的使能，能使電池以小于100%效率提供比LED電流大的電流。
像方案1那樣，閃光脈沖僅以相當小的量放電超級電容器，所以閃光照像之間重新充電超級電容器的時間是短的，通常此時間短于LED所需閃光到冷卻之間2秒時間。

超級電容器C和ESR選擇如下：

需要250ms閃光脈沖、0.8A驅動每個LXC1-PWF1 LED，0.8A電流時正向電壓為3.7V(允許到4.1V)。

因此，