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智能型DC-DC转换器驱动大功率白光LED闪光灯

导读: 移动电话、PDA与一般的可携式设备都必须在小尺寸的限制中满足持续增加的功能需求。整合了影像与视讯的相机正成为可携式产品最流行的功能需求。而支持相机的闪光灯功能则是决定效能与功耗的关键。本文将探讨如何提升闪光灯功能,并展示一完整的设计方案,以说明如何驱动大功率白光LED。

                                                Francesco MACINA、Elga MARETTO 
                            (本文原载于零组件杂志;作者任职于意法半导体MPA线性与接口产品部门)
摘要:移动电话、PDA与一般的可携式设备都必须在小尺寸的限制中满足持续增加的功能需求。整合了影像与视讯的相机正成为可携式产品最流行的功能需求。而支持相机的闪光灯功能则是决定效能与功耗的关键。本文将探讨如何提升闪光灯功能,并展示一完整的设计方案,以说明如何驱动大功率白光LED

 闪光灯

可携式装置的功能整合,例如结合PDA与行动电话等等功能,是当前正在发生的最新趋势。时至今日,若无法为原本仅能用于接收及发话的行动电话以及一些“史前时代”的终端装置添加新功能的话,则整合将是非常难以达成的目标。这包括MP3/MP4播放器;有线(USB与USB-OTG);红外线(IrDA)、蓝芽、Wi-Fi、GPS等无线连接;以及最近热门的数字视讯广播等,都是最新的行动电话所内建的主要、且极具吸引力的功能。

然而,目前每一种最新款的手机,几乎都已内建了大多数的通用功能,例如可获取静态影像或搭载视讯电话通话功能的高质量摄影相机模块。过去,由于相机模块的影像分辨率相当低,因此它经常被当作简单的玩具,但现在,相机模块的精密度大幅提升,在影像分辨率上已直逼最先进的数字相机。由于相机模块需要能够在低照明环境下操作的光源,加上最新的高分辨率相机需要更高的流明与亮度,因此,内建的闪光灯功能提供了重要功能,并推动了整体相机模块的应用。

早期内建在行动电话中的闪光灯仅仅提供娱乐型闪光灯功能,因为它们提供的拍摄结果几乎与没有闪光灯相同。为了支持最新的高分辨率相机,让最终产品能吸引并满足终端用户的需求,其照明功能必须获得更佳的决定性摄影效能。本文接着将探讨两种实现闪光灯的不同方法。
 
 实现闪光灯功能

目前闪光灯照明共有两种选择:
(1)闪光灯;
(2)LEDs。

(图一)为一个闪光灯模型。其灯炮是由一个充满氙气的玻璃外壳构成。当电极被触发时,其正极与负极都会注满气体,而非连接到灯泡表面。

当氙气的电气阻抗降到极低值的时候,由大量电流产生的可见光会从正极流向负极。可透过触发电极来实现这项功能。该功能提供了高达千伏的高电压峰值,从而将氙气离子化,并使其成为低阻抗状态。 

                 
                                                        (图一) 闪光灯模块 

此闪光灯具备高质量影像效能所需的杰出特性。其输出的光照非常密集,而且很容易扩散到广大区域中。此外,由于闪光灯的色温大约为5500~6000°K,这与自然光的温度非常接近,因此无需做任何色彩校正。

另一方面,由于输出的光照牵涉到非常高的能级(energy level),在正极上通常需要数百伏特,因此需要一些时间来升高电池电压,以符合行动电话的供电需求。

连续两次时间范围为1~5秒的闪光功能,所需之标准充电时间是依照输入功率、电容值、充电电路特性与所需能源等项目而定。闪光灯的照度可能仅仅是能让闪光灯成为静态影像闪光灯良好解决方案的脉冲,但并不适合视讯应用。

此外,由于氙气闪光灯管及其附加的驱动电路对具有空间限制的行动电话来说,是相当占空间的;同时,由于触发氙气需要更高且更危险的电压,以提供足够的能源总量来输出光照,因此必须使用一个精确但昂贵的设计,这些因素都限制了闪光灯在行动电话中的应用。

针对上述原因,行动电话制造商逐渐转向采用白光LED做为闪光灯的光源。

LED可提供连续光照,因此相当适合在低照明条件下做为视讯电话的闪光灯光源,另外,LED所需的驱动电路也相当简单,而且较闪光灯泡便宜许多。

入门级的照相手机分辨率通常在次百万(sub-Mega)画素范围内,这些手机通常内建照明能力相对较低的标准白光LED。正因为如此,无论是串联或是并联的多个标准白光LED,都必须提供能获取影像的最低限度光源,否则所拍摄的影像会几乎看不见而无法使用。

标准的白光LED具备从3.2V~4.5V的标准前向电压,而驱动它们的单一电源通常在充饱电时电压范围会达到4.2V;而在放电时则会降低至2.8V~2.7V的锂离子电池。

标准的白光LED通常使用步进式(升压)DC-DC转换器或电荷帮浦(Charge Pump)来驱动。两种解决方案都必须控制穿过LED的前向电流,而此一前向电流与照明强度成正比。本文接着将同时探讨上述两种方法。

■步进式升压转换器及电荷帮浦多个标准白光LED(通常不会少于四个)是以串联方式连接,以提供闪光灯功能所需的总光照量。(图二)展示了采用标准步进式转换器来驱动LED的标准应用电路;而(图三)则使用了电荷帮浦电路。
               

                 (图二) 用于驱动标准白光LED的步进(升压)转换器电路
                  
                               (图三) 用于驱动标准白光LED的电荷帮浦转换器电路 

两种参数会影响设计方案的选择:电池操作电压与LED前向电压。如同前面提到的,今天的行动电话采用单一锂电池供电,电压范围为初始的4.2V到结束时的2.7V,而用于闪光灯的标准白光LED,其驱动电流范围通常在数百mA之间,转换为LED前向电压后,大约是3.3~3.5V。但温度与制程变异也许会对这些值造成相当大的变化。电感式步进(step-up;SU)转换器通常用于驱动,它能产生高到足以供给编程电流的输出电压,而LED的连接方式最好是串联而非并联。透过采用这些方法,LED的亮度会与前向电流成正比,同时无论前向电压是多少,所有的LED都能接收到相同电流,因此其匹配度非常好。

另一方面,电荷帮浦(CP)会使用一个外部飞驰电容(flying capacitor)产生输入电压的整数倍数。为获得更多相乘结果,必须使用额外的飞驰电容与整流器,因此会将实际CP的使用限制在2X。一些CP可提供少量倍数(1.5X)的输入电压,但需要使用两个飞驰电容。

由于2X是适合使用的最大乘法因子,加上考虑到标准前向电压,CP通常用来驱动使用并联支线的白光LED。每个支线上的电流都可独立控制,这将在LED中导致轻微但不可避免的亮度失配。

与整数型CP相比,使用SU转换器的电子效率较高,在整个电池放电范围内也几乎是平坦的。CP的分数会改善CP效率,但它的值与平坦度仍与SU设计相距甚远。此外,由于采用SU的LED是以串联方式连接,因此在SU控制器与LED间只需两条PCB布线。就设计灵活度而言,这是相当大的优势。假设LED的数量改变,或是这些LED被安装在各个相机闪光灯模块中,SU也能很容易地适应这些变化,而CP的PCB则必须从新设计。

此外,就两种解决方案的PCB面积而言,即使更低脚位总数的SU封装比CP更小,但由于SU必须使用电感,因此其总PCB面积及厚度都较大。另一方面,这个外部电感通常较CP所使用的外部飞驰电容更为昂贵。

最后,SU转换器的标准噪音也较CP高,在精确的设计中,通常必须避免或限制不同区段间的干扰。然而,凡是LED驱动器拓朴电路,都会选择标准白光LED,因为它已成为唯一的市场应用焦点。改善白光LED技术,以及努力使其满足市场上更高分辨率相机需要更佳闪光灯效能的需求,正驱使部份LED制造商不断研发更新的大功率白光LED,以应对行动电话闪光灯市场的需求,这些解决方案不仅提供了实用的闪光灯功能与更佳光谱效能,同时其最主要的作用是取代各式各样的白光LED。
               
                              (图四) 不同闪光灯条件下拍摄的图像结果 

随着LED闪光灯市场朝大电流方向发展,CP已难以提供对LED供电时所需的更大总数电流,即使它们能够提供,其整体电气效能也非常低。

此外,由于SU仅能提供较输入电压高的输出电压,因此无法容纳大功率白光LED的前向电压(考虑所有变动条件,标准值约在3.2到4.8V),以及锂离子电池的宽广输入电压范围。

由于这些原因,许多IC制造商正被要求提供能驱动先进大功率LED的全新解决方案。根据这些需求,市场上也开发出新的双模架构DC-DC转换器。以下将介绍采用此种双模架构DC-DC转换器的完整相机闪光灯设计。
 
 相机闪光灯设计

双模、升/降压的高频(1.8MHz)DC-DC转换器,能对单一大功率白光LED供电。如果透过LED的电压与外部设定值不同,无论其前向电压或电池电压为何,其内建的四开关架构配置都能让DC-DC转换器从降压模式转换到升压或降压-升压模式,以控制通过LED的前向电流。(图四)展示了该转换器的不同操作方法,而(图五)是驱动单一大功率白光LED的标准应用方案。 

                  
                                                               (图五) 降压–升压操作 
                  
                                     (图六) 采用STCF02驱动器IC的标准应用方案 

■电感的选择
由于DC-DC转换器的开关频率为1.8MHz,因此推荐使用一个采用高频核心材料的电感。此外,这个电感必须具备极低的DCR,以降低传导损失并在无饱和状态下承受峰值电流。基本原则是,10%~30%的全负载电流是良好的峰值-峰值电感电流(ΔIL)设计选项。针对白光LED闪光灯应用,则建议采用4.7μH的电感值。

■输入电容选择
输入电容对转换器来说代表着低阻抗电压源,它能协助过滤脉冲输入电流(降压模式)。
输入电容与操作时的AC电流相等,依照一般的经验法则,额定电压必须高至1.5 VIN(MAX),以应对也许会在瞬变时发生的电压峰值。
电压峰值大部份肇因于等效串联电阻(ESR)与等效串联电感(ESL),因此必须使用低ESR的陶瓷电容与精确的PCB布局。这意味着输入滤波电容必须尽可能靠近DC-DC转换器的接脚进行连接,以降低PCB布线长度和因此而产生的寄生ESR及ESL。在本设计中则采用了一个10μF的SMD陶瓷输入电容。

■输出电容选择
输出电容必须在负载瞬变期间内提供降压能源储存功能,而且必须在每个开关周期内,于电容的充电与放电期间中,透过限制输出涟波电压来改善稳定状态效能。下式提供了稳定状态下的输入电压链波(ΔVO):
     
                                         (公式一) 

此处的CO、FSW与IO分别代表了输出电容值、转换器的开关频率以及输出电流值。
再次强调,ESR电容必须尽可能低,因此强烈建议使用陶瓷电容,以实现精确的PCB设计。在这个设计中采用的是4.7μF的SMD陶瓷电容。

■反馈回路补偿

DC-DC转换器整合了一个已经过补偿的错误放大器,其频宽设定为2.5kHz,这个值可做为使用外部补偿电容的选项。然而,若外部LC滤波器的电极与零值导致系统不稳定,则所有的相位与增益边沿的波特图(bode plots)必须使用一个适当的补偿电路。外部补偿网络经常需要针对补偿系统按顺序设计,如此当通过0dB以及相位边沿为45°时,斜率才会在-20dB/decade之处。透过LC滤波器导入的双极值如下所示:

         
                                      (公式二) 
考虑到由电容器等效串联电阻所导入的零值后,可获得下式:

        
                                       (公式三) 
此处的RESR是输出电容的ESR。在升压模式下,系统会具有右半面零点(right half plane zero),而这会导致额外的相位迟滞。当系统稳定时,则必须考虑右半面零点,其值如下式所示: 

        
                                        (公式四)  
      
                                               (图七) DC-DC转换器的错误放大器 

(图七)显示了错误放大器的内部架构,在设计一个补偿网络选项时,就会用到这个架构。
Z1与Z2的阻抗如下所示: 
      
                                         (公式五) 
由于DC-DC转换器在此设计中是做为稳定的外部组件之用,因此不必再使用外部补偿网络。

■Power Flash LED
本设计可使用一个前向电压为2.5V~3.5V的高效率白光LED。考虑到各种变化条件,LED的前向电压范围必须包含容限、温度与前向电流。在DC-DC转换器的电流设计部份,采用了PWF1 Luxeon闪光灯用LED系列。

■萧特基二极管
为了在内部开关转换期间改善整体系统效率,建议使用一个外部萧特基二极管。在本设计中,采用了额定值为1A的二极管。

■设定闪光灯电流
根据下列方程式,转换器的闪光灯电流可透过一个外部电阻(RFLASH)设定:
           
                           (公式六) 
其中:160mA是内部参考电压,而RFLASH则是外部电阻。
该参考电压值必须在电气损失(IFLASHRFLASH代表功率损失),与操音抑制水平中进行折衷(由于多余的内部比较器可能被触发,因此低参考值可能会很危险)。可选择RFLASH=0.27Ω,以获得IFLASH=60mA的结果。在这个设计中,一个SMD厚膜电阻是不错的选择。

由于具有两个额外的电流,因此LED的光源强度是可改变的,可选择中阶闪光灯与Torch模式。中阶闪光灯模式通常被用来减少红眼(red-eye)效应或用于自动对焦。在主要闪光灯之前的一次或多次中阶闪光灯照射,将协助减少人眼视网膜对闪光灯的瞬间反射影响;同时,为了让相机执行所需的自动对焦调整功能并避免过热,LED闪光灯也能以比闪光灯更低的电流被激发。(图八)为中阶闪光灯电流设定曲线图,中阶区域中的直线可用下式计算:
        
                                     (公式七) 

此处的RMF是外部电阻。而RMF=8200Ω则可用来将中阶闪光灯电流设定为300mA。而Torch模式则可用于影像电话或用于周围环境的简单照明。
       
       (图八) 中阶闪光灯电流 Vs. RMF(作为IFLASH的百分比) 

Torch模式的电流电平可用以下相关程序设定: 
        
                                         (公式八) 
250mA的torch电流是可编程的,因此必须设定RTORCH=0.37Ω。

■侦测LED温度若LED增加的温度超越其最大可容许的接点温度,则用于连接DC-DC转换器的外部负温度系数(NTC)可能会侦测到这个状况并立即关断驱动器,以避免系统损坏或出现过热情况。
          
                                (图九) LED温度侦测与NTC电阻 

过温触发点可透过下式来设定:  
            
                                          (公式九) 
上式中的EXTVREF是外部稳定电压源,Rx与RNTC(T)分别为代表着取决于电阻的常数与温度。由于所选择LED的最大接点温度为85℃,为保证安全边缘,75℃的比较器触发点可运用RX=10KΩ来设定,而NTC则具备一个14KΩ@75℃的电阻。此处选择了村田(Murata)公司的NCP18WF104J03RB电阻(100kΩ@25℃)。

■致能(ENABLE)接脚三个逻辑输入讯号能在五种操作模式之间进行选择:
(1)关闭(静止电流少于1μA);
(2)关闭、NTC感测功能开启;
(3)Torch模式;
(4)中阶闪光灯;
(5)闪光灯模式。 
              
                                (图十) DC-DC转换器的效率与电池输入电压关系图 

■实验结果以上建议的组件都能实现电气效应的量测。(图九)显示了此一设计的实验结果。
在整个锂离子电池寿命期间内,其效率是完全固定的,同时保证了其效率值不会低于85%。对电池供电装置来说,这是相当重要的特性,因为它能节省功率,并协助延长电池使用时间。(表一)概括展示了上述条件: 
               

 结语

本文描述了一种创新的DC-DC转换器架构设计,这种架构可在可携式应用中,用于驱动提升闪光灯功能的最新一代大功率白光LED。实验结果显示在实际应用中,DC-DC转换器具有非常优异的效能表现。

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