閃光燈LED驅動(dòng)器的設計原理及特性

本文將介紹一種系統層閃光燈LED驅動(dòng)器設計，以及能夠確保系統安全運行和集成的一些特性。

高效的相機閃光燈LED驅動(dòng)

高分辨率相機在最低光照環(huán)境下，要求有高亮度的閃光來(lái)完成照相?？蛻?hù)要求提供一種閃光燈解決方案作為手機的標準功能。安裝閃光燈的移動(dòng)電話(huà)已經(jīng)成為一種有吸引力的賣(mài)點(diǎn)。這種特性需要高光通量，從而給高效LED驅動(dòng)器系統設計帶來(lái)了挑戰。

系統設計

移動(dòng)電話(huà)中閃光燈LED的高正向電壓和電流以及給定的電池電壓，讓升壓轉換器成為最佳的解決方案。驅動(dòng)大電流時(shí)，基于電感的升壓轉換器呈現出令人滿(mǎn)意的效率。LED必須為電流驅動(dòng)，因為正向電壓不僅僅隨溫度而變化，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%。

將閃光燈LED與一個(gè)電流檢測電阻串聯(lián)，然后通過(guò)一個(gè)升壓轉換器來(lái)驅動(dòng)，這是一種簡(jiǎn)單的方法。

對升壓調節器的輸出電壓進(jìn)行控制，以匹配通過(guò)外部電阻檢測的設定LED電流。不幸的是，這樣做會(huì )讓設計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。外部電流檢測電阻帶有高功耗，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，從而為持續的電影照明提供驅動(dòng)。另一方面，如果電流增加，則電流檢測電阻的壓降升高，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內部電流檢測電阻進(jìn)行調節，具體調節情況取決于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信號。

電流阱不僅僅檢測LED電流，通過(guò)動(dòng)態(tài)調節電阻，其還可以對LED電流進(jìn)行調節。所產(chǎn)生的電流阱壓降作為動(dòng)態(tài)調節升壓轉換器輸出電壓所需的信息，旨在任何電流電平下都能夠將功耗控制在一個(gè)可接收的最低限度。

圖3:有源電流檢測與電阻式電流檢測比較

圖3顯示了使用一個(gè)1Ω電阻檢測電流和使用一個(gè)調節至400mv壓降的有源電流檢測方法之間的比較情況。受益于低功耗，有源電流檢測方法明顯有助于更高的系統效率。

從電池擠壓出光通量

過(guò)去，RF PA從移動(dòng)電話(huà)電池吸取最高的脈沖電流。隨著(zhù)過(guò)去5年間多功能手機的發(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，如果要驅動(dòng)1.5A的 LED電流，從電池吸取的電流可高達3A，這是因為升壓轉換器的電壓比。如此高的電流會(huì )使電池電壓急劇下降。欠壓閾值檢測機制會(huì )防止系統在這種情況下出現故障。在閃光燈開(kāi)啟時(shí)由于低電池電壓電話(huà)會(huì )徹底關(guān)機，這是一種非常糟糕的用戶(hù)體驗。常用的解決方案是在低電池電壓狀態(tài)時(shí)讓相機軟件關(guān)閉閃光燈，相比之下不使用閃光的用戶(hù)體驗還不至于太壞。PMIC提供的緩慢電池電壓信息刷新率、電池溫度和老化效應以及更嚴重的不準確性放寬了安全的界限。

如果閃光燈驅動(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)受控轉換率升高LED電流，并在上升期間持續監控電池電壓可以實(shí)現這一目標。

TI擁有一種監控電池電壓的閃光燈驅動(dòng)器技術(shù)。要獲得穩定的LED電流波形并且避免過(guò)多的電池壓降，閃光燈驅動(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)，要對輸入電壓進(jìn)行監控。如果輸入電壓降至某個(gè)設定閾值以下，則器件即刻停止讓LED電流進(jìn)一步上升至該設定閾值，并將閃光燈電流保持在實(shí)際電平，參見(jiàn)圖5。

圖4:電池壓降監控

因此，可以保證安全界限非常小，并且手機不會(huì )關(guān)機。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。

安全系統集成

驅動(dòng)高脈沖電流時(shí)，聚光燈為安全無(wú)故障運行。移動(dòng)電話(huà)廠(chǎng)商迫切要求一種無(wú)縫系統集成解決方案。因此這就要求一種特性集，而不僅僅是標準安全運行特性，例如：電感電流限制、欠壓保護等。TPS61310閃光燈LED驅動(dòng)器擁有這種特性集，可以用于這種高要求的運行。

LED故障檢測

不僅僅在生產(chǎn)過(guò)程中，在器件運行期間也必須檢測到LED短路，以避免出現危險狀態(tài)。檢測這種狀態(tài)的一種方法是強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試LED，因此終端用戶(hù)不會(huì )察覺(jué)到亮度。但是這種方法有一些缺點(diǎn)：LED廠(chǎng)商通常不會(huì )測試亞照明范圍。由于生產(chǎn)的工藝差異，不僅在LED類(lèi)型之間即使在單個(gè)LED類(lèi)型中都存在巨大的不準確性差異。這可能會(huì )帶來(lái)漏檢測某個(gè)短路LED，或者偽錯誤檢測。TPS61310則不一樣。如果一個(gè)或者多個(gè)LED工作時(shí)出現短路狀態(tài)，低側電流阱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)期間的測試設備，或者反映給工作中的相機引擎。利用類(lèi)似方法，也可以對開(kāi)路狀態(tài)進(jìn)行檢測。

過(guò)溫檢測

一種吸引人的移動(dòng)電話(huà)產(chǎn)品設計在某些情況下卻并不符合最佳熱設計要求。高功耗閃光燈LED具備有限的允許脈沖處理能力。如果電話(huà)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，從而導致85℃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。為了消除散熱設計和功能/誘人設計急需之間的差距，TPS61310允許使用一個(gè)NTC檢測電阻測定一個(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(kāi)/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功能。

TPS61310芯片溫度也同樣受到監控。除了標準的熱關(guān)機功能以外，TPS61310還可以向相機引擎提供早期預警功能，以避免熱關(guān)機功能被意外觸發(fā)，從而為器件冷卻提供空間。