移動(dòng)設備閃光 LED驅動(dòng)芯片：克服空間和功率的限制

智能手機已經(jīng)成為性能卓越的設備，盡管首款“照相手機”誕生至今已有多年，但是在黑暗中拍照片所使用的閃光功能時(shí)至今日仍然發(fā)展緩慢，沒(méi)有取得很大的進(jìn)展。近期，隨著(zhù)功率LED的發(fā)展，其鮮明的亮度和小巧的體積似乎為智能手機制造商帶來(lái)了無(wú)限商機。但是到目前為止，盡管它能實(shí)現與智能手機相匹配的極高畫(huà)面品質(zhì)，但LED閃光燈仍然較難應用到智能手機模塊中，其主要障礙是閃光驅動(dòng)電路難以滿(mǎn)足手機制造商對尺寸、成本和效率的要求。

閃光驅動(dòng)電路的種類(lèi)

手機內的相機其實(shí)是一個(gè)照相機模塊，包含了鏡頭、機械元件、自動(dòng)對焦線(xiàn)圈和CMOS傳感器本身。圖像傳感處理器（Image Sensor Processor,ISP）可能被放置在相機模塊或手機的主PCB中。

目前市場(chǎng)上共有四種不同類(lèi)型的閃光驅動(dòng)芯片：電容LED驅動(dòng)、電感式LED驅動(dòng)、氙氣閃光驅動(dòng)和超級電容LED驅動(dòng)。閃光LED具有4.0V-3.3V的電壓要求，因此閃光LED驅動(dòng)電路必須穩定手機電池的電壓，使其波動(dòng)范圍在4.2V-3.3V之間（電壓波動(dòng)取決于電池的充電狀態(tài)）。

電容LED驅動(dòng)芯片能夠提供約700mA的閃光電流。這類(lèi)驅動(dòng)芯片由于易于設計，且體積小巧、價(jià)格便宜，因而非常普及。但此類(lèi)產(chǎn)品有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：雖然他們最適合應用于單LED設備，但是受700mA電流限制的影響，無(wú)法為高品質(zhì)的圖像捕捉提供足夠的光線(xiàn)輸出；此外，該驅動(dòng)芯片效率較低。阻礙電容驅動(dòng)芯片的原因是其充電泵只能增加1.5或2倍的電池電壓（見(jiàn)圖1）。不需要的超出電壓必須消散，這會(huì )導致效率低下并產(chǎn)生熱量。許多使用充電泵的閃光LED驅動(dòng)芯片供應商都提供DFN和QFN封裝，以實(shí)現更好的熱管理，但這并不能解決根本問(wèn)題。

圖1：奧地利微電子700mA電容LED驅動(dòng)芯片AS3685與最高2000mA的電感式芯片AS3648效率對比圖

因此，手機設計師開(kāi)始將目光轉向電感式LED驅動(dòng)芯片，以此彌補電容驅動(dòng)芯片本身的缺陷。電感式驅動(dòng)芯片可以產(chǎn)生高達2A的電流，并可以驅動(dòng)雙LED，效率更高。雙LED設計可提供更高的光線(xiàn)輸出，當然也會(huì )比單LED設計占用更多空間以及產(chǎn)生更高的成本。

電感式驅動(dòng)芯片的操作在本質(zhì)上比電容驅動(dòng)芯片具有更高效率，在電流消耗和熱管理方面提供更多優(yōu)勢。另一方面，由于電感式驅動(dòng)芯片必須容納相對體積較大的電感器，因此它的體積較大。

電感式驅動(dòng)芯片效率高低取決于電感器的損耗、直流轉換器中PMOS和NMOS的電阻值以及電流池或電流源的壓降。有些閃光LED驅動(dòng)芯片包含高端電流源，若LED的陰極直接接地可以提供更好的散熱效果，但這在一些手機設計中是無(wú)法實(shí)現的。NMOS的低端電流池具有低電阻和較小晶體管尺寸的優(yōu)勢。

其他兩種類(lèi)型，氙氣和超級電容閃光驅動(dòng)器，更適合攝像頭位于中心位置的智能手機。氙氣燈泡提供短而明亮的光脈沖，從而實(shí)現非常高的圖像品質(zhì)以及清晰的畫(huà)面。然而在實(shí)踐中，氙氣燈泡和驅動(dòng)模塊對單薄的智能手機外形顯得過(guò)于龐大，且對材料預算而言也過(guò)于昂貴。

改善電感式LED驅動(dòng)芯片

圖片質(zhì)量的高低為智能手機廠(chǎng)商提供了明確的產(chǎn)品分化手段。這意味著(zhù)各廠(chǎng)商將爭相使用小巧、高效的閃光LED驅動(dòng)芯片實(shí)現高亮度輸出，該芯片同時(shí)還需具有確保在各種情況下均可安全運行的功能。奧地利微電子的兩款新電感式閃光驅動(dòng)芯片AS3647/8能較好地滿(mǎn)足這些測試要求。

圖2：標準閃光LED系統——以Osram OSLUX LUW FQ6N為例

圖2顯示了閃光LED驅動(dòng)芯片如何被應用在移動(dòng)環(huán)境下。ISP發(fā)出的頻閃信號觸發(fā)閃光驅動(dòng)芯片。TX掩蔽（TX Mask）信號是一種保護性的信號，其功能是防止產(chǎn)生高電流，同時(shí)作為功率放大器。它能導致手機重啟，這會(huì )令人十分不快。因此，一旦產(chǎn)生TX脈沖，驅動(dòng)芯片將減少閃光電流以避免電池超載。

圖3.1：采用小型WL-CSP 13封裝的電感式2A閃光驅動(dòng)芯片AS3647框圖

圖3.2：采用小型WL-CSP 13封裝的電感式2A閃光驅動(dòng)芯片AS3647框圖

電感式驅動(dòng)芯片設計的關(guān)鍵是電流調節器，需要具有低恒流輸出電壓。（恒定電流是功率LED操作的基本要求。）這種電流調節器可以是高端PMOS電流源或低端NMOS電流池；后者擁有低恒流輸出電壓，比PMOS電流源更具優(yōu)勢。這反過(guò)來(lái)將有助于提高效率，實(shí)現更小芯片尺寸，并降低成本。

奧地利微電子采用低端電流池的決定是至關(guān)重要的：拓撲結構的低功耗也意味著(zhù)較少的多余熱消散。這就使奧地利微電子能采用更小的封裝，與采用高端電流源拓撲結構相比，將提供更高的光線(xiàn)輸出。

智能手機的電池輸出電壓在放電周期中會(huì )逐漸下降。完全充電時(shí)，足夠高的電池電壓可驅動(dòng)LED閃光燈而無(wú)需提升電流池電壓。在這種情況下，電源通過(guò)PMOS上不斷開(kāi)合的開(kāi)關(guān)流經(jīng)直流轉換器，因此直流轉換器的輸出電壓會(huì )接近電池的電壓。而電流池將增加其電阻直至LED閃光燈取得特定的電流，而多余的電流將作為熱量被消耗掉。

當局部放電后，電池電壓會(huì )下降，這時(shí)就需要升壓轉換。驅動(dòng)芯片的直流轉換器被接通以此調節電壓，保證能夠以特定的電流驅動(dòng)LED和電流池。電池電壓越低，從電池中吸收的電流就越高。

電感式驅動(dòng)器的拓撲結構能夠提供高強度閃光燈所需的高電流。奧地利微電子已經(jīng)證明，該技術(shù)能夠采用特殊封裝形式并使其適合在空間和功率受限的應用中使用。

AS3647和AS3648都采用2.2mmx 1.5mm的晶圓級芯片規模封裝（Wafer Level Chip Scale package），13個(gè)引腳以菱形陣列排列，如圖3所示。這對閃光驅動(dòng)芯片是一種獨一無(wú)二的封裝，因為不再需要微孔，能使極快速且輕松地完成PCB的布局。 而芯片的直流轉換器也經(jīng)過(guò)獨特設計用以進(jìn)一步節省空間。該轉換器具有4MHz的工作頻率，能產(chǎn)生較低的輸入和輸出紋波，這也使奧地利微電子能選用小尺寸的電感器。

直流轉換器內NMOS和PMOS晶體管非常低的電阻值將幫助提升效率。采用高功率LED閃光驅動(dòng)芯片的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其可實(shí)現的附加功能。高清視頻拍攝功能目前是智能手機的賣(mài)點(diǎn)，手指輕點(diǎn)兩下，用戶(hù)就可以將自己的視頻上傳到YouTube或Facebook上與朋友分享。高效的手電筒功能可以使用戶(hù)在黑暗中拍攝視頻。而LED驅動(dòng)芯片內高效率的直流轉換器是確保手電筒功能不過(guò)度耗費電池所必不可少的。

總結

通過(guò)使用電感式拓撲，奧地利微電子的器件能夠提供高輸出功率（AS3647：1.6A單LED；AS3648：2.0A雙LED），而封裝也足夠小，可用于標準智能手機中。在圖4中，可以看到拍攝的高品質(zhì)圖像畫(huà)面。

圖4：使用奧地利微電子AS3648和2個(gè)Osram OSLUX LUW FQ6N LED燈拍攝的圖像。閃光電流：2x1安;閃光時(shí)間：75毫秒。

圖5：使用Perkin Elmer公司320V氙氣閃光燈拍攝的圖像。驅動(dòng)芯片：AS3636

圖4和圖5都在奧地利微電子閃光實(shí)驗室受控的條件下進(jìn)行拍攝（適馬DP1相機，ISO200，曝光時(shí)間75毫秒）。這些照片顯示，2A LED閃光燈可以實(shí)現與氙氣閃光燈類(lèi)似的光線(xiàn)輸出和圖像質(zhì)量。