針對高分辨率照相手機的LED閃光燈超級電容參考設計

　手機正在變成終極集大成便攜式消費電子平臺。它的性能包括：捕捉高質(zhì)量圖像、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)、清脆的音頻、更長(cháng)的通話(huà)時(shí)間、以及更長(cháng)的電池壽命。不過(guò)，一個(gè)主要的設計挑戰也正在浮現出來(lái)。為了適應高度復雜的移動(dòng)應用，手機電池仍然需要費很大的力氣才能提供足夠的峰值功率，這就推動(dòng)了可為高性能操作提供所需功率的電路的需求，這種電路可以在不過(guò)載電池的前提下在短時(shí)間內儲存大電流。

　　對高級照相手機制造商來(lái)說(shuō)，最重要的挑戰就是提供高亮度相機閃光燈所需的大峰值電流。隨著(zhù)照相手機的分辨率增長(cháng)到三百萬(wàn)像素及以上，產(chǎn)生高質(zhì)量圖像所需的光通量也已急劇提高。為了匹配數碼相機的照片質(zhì)量，必須以高達2A的電流驅動(dòng)led閃光燈，或將氙氣閃光管充電到330V以上。手機的其他應用（包括RF功放、GPS導航、互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)、音樂(lè )和視頻）也有可能超過(guò)電池電流的供應能力。

　　設計挑戰

　　照相手機在中度到低度光照條件下需要一個(gè)高亮度閃光燈來(lái)產(chǎn)生曝光充分的圖片。設計師可以選擇LED或氙氣閃光管，但它們兩者都有相應的挑戰。

　　大電流LED閃光燈需要4倍于電池提供的功率，才能產(chǎn)生高分辨率圖像所需的光亮度。為了克服功率限制問(wèn)題，一些照相手機已經(jīng)采用更長(cháng)的閃光曝光時(shí)間來(lái)補償光通量的不足，而這會(huì )導致圖片的模糊。

　　氙氣閃光管可提供很好的光照度，但它的閃光曝光時(shí)間很短，因此不能用于視頻捕捉/電影模式功能。它所需的電解儲存電容對纖薄型設計來(lái)說(shuō)體積太大、工作電壓很高，兩次閃光之間需要較長(cháng)時(shí)間才能充滿(mǎn)電，不能用于手機中其他需要峰值功率的應用。

　　解決為每個(gè)LED閃光燈提供1～2A驅動(dòng)電流問(wèn)題的方法之一是，用一個(gè)電容來(lái)儲存電流，并在不分流主電池的情況下快速供電。不過(guò)，如果采用傳統電容要儲存大電流，不是需要一個(gè)體積非常大的大容量電容，就是需要多個(gè)并聯(lián)起來(lái)的中等容量電容。對于空間受限的便攜式系統來(lái)說(shuō)，更為實(shí)用的解決方案是采用容值非常高的超級電容。通過(guò)使用一個(gè)超級電容，設計師可以為這些短持續間隔的事件提供所需的大電流，并在這些事件之間通過(guò)電池對它們再充電。為了支持電池，設計師可以增加一個(gè)很薄的超級電容，這可在不犧牲纖薄手機設計的情況下應對手機的峰值功率需求（如為拍照、音頻和視頻、無(wú)線(xiàn)傳輸和GPS結果閱讀提供閃光）。它也允許設計師通過(guò)僅滿(mǎn)足平均功耗而不是峰值功耗來(lái)最佳地調整電池和功率電路的大小，減少系統的占板面積。

　　設計一個(gè)超級電容

　　超級電容（SC）是什么？像任何電容一樣，一個(gè)超級電容基本上也是由兩塊并行的導電板構成的，中間隔以被稱(chēng)為電介質(zhì)的絕緣材料。電容的容值與導電板的面積成正比，與電介質(zhì)的厚度成反比。開(kāi)發(fā)超級電容的制造商通過(guò)采用多孔碳材料制造導電板以使得表面積最大，以及采用像分子那樣薄的電解液作為電介質(zhì)以將兩塊導電板之間距離減至最小，在最小化尺寸的情況下實(shí)現了更高的電容值。

　　采用這一方法，可以制造出容值為16mF～2.3F的電容。這些電容可等效為非常低的內部電阻或ESR（等效串聯(lián)電阻），這使得它們可在最小化輸出電壓的同時(shí)提供高峰值電流脈沖。通過(guò)以相對較小的外形尺寸提供非常高的電容值，這些超級電容降低了系統對PCB板面積的需求。它們可以制造成任何尺寸和形狀，而且可在數秒內完成再充電，可將電池壽命延長(cháng)5倍，并允許設計師采用更小、更輕和更廉價(jià)的電池。

　　固有挑戰

　　不過(guò)，這一低ESR在充電過(guò)程中為設計師帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題。在任一系統中，電容在最初使用前都是放空的。隨后，當電源電壓施加以后，超級電容看起來(lái)就像是一個(gè)低值電阻。如果該電流不被控制或限制，就會(huì )導致一個(gè)巨大的尖峰電流。因此，設計師必須實(shí)現某種尖峰電流限制措施，以確保電池不會(huì )馬上耗盡。任何這種類(lèi)型的電路通常還需要短路、過(guò)壓和過(guò)流保護。