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(shí)。

　　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(diǎn)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(fèi)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(shí)現(xiàn)方法，以及這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　閃光燈功能的實(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(shí)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(dú)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(dú)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”。