用于便攜設備閃光燈與白光LED驅動(dòng)的智能直流/直流轉換器

　　引語(yǔ)

　　PDA、手機等便攜設備集成多種功能是最新的發(fā)展趨勢，而且這些設想目前已經(jīng)變成了現實(shí)。

　　今天，很難再找到一個(gè)只有接打電話(huà)功能的手機。通話(huà)功能是手機原始的“史前”目標。MP3/MP4播放器、有線(xiàn)互連（USB和USB-OTG）、無(wú)線(xiàn)互連（IrDA、藍牙和Wi-Fi）、GPS導航，以及最近推出的數字視頻廣播，這些都是手機配備的最新、最有吸引力的功能。

　　不過(guò)，一個(gè)能夠照相和召開(kāi)視頻電話(huà)會(huì )議的優(yōu)質(zhì)相機模塊才是今天每款手機最常見(jiàn)的功能。

　　相機模塊過(guò)去因為圖像分辨率不好，價(jià)值只比簡(jiǎn)單的玩具高點(diǎn)有限，但是，今天的相機模塊變得越來(lái)越復雜，圖像質(zhì)量接近了最先進(jìn)的數碼相機的水平。因為相機模塊在低光條件下拍照必需有光源，再加高分辨的相機需要大量的光通量和亮度，集成閃光燈功能在市場(chǎng)上取得了巨大的成功。手機早期裝備的閃光燈只能為消費者帶來(lái)“娛樂(lè )閃光”，因為這些閃光燈的拍照效果和沒(méi)有閃光燈一樣。為支持最新的高分辨率相機，激發(fā)最終用戶(hù)對最終效果的感知并滿(mǎn)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)現方法，以及這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　閃光燈功能的實(shí)現方法

　　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(gè)閃光燈的原型，該燈是由一個(gè)充滿(mǎn)氙氣的玻璃罩構成，陰極和陽(yáng)極全都浸入氙氣內，而點(diǎn)火電極與燈表面相連，沒(méi)有浸沒(méi)在氙氣內。

　　當氙氣的電阻抗值降到一個(gè)很低的數值時(shí)，一股強大的電流從陽(yáng)極流至陰極，產(chǎn)生很強的可見(jiàn)光。完成這項功能的是點(diǎn)火電極，它產(chǎn)生一個(gè)很高的峰值電壓（幾千伏），使氙氣被離子化，進(jìn)入低阻抗狀態(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(xiàn)很強，覆蓋面很容易擴展。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(wú)需彩色校正。另一方面，因為輸出光線(xiàn)需用很高的電能（在陽(yáng)極上需要幾百伏），所以把手機電池電壓提高到閃光燈所需電壓需要一些時(shí)間。

　　通常情況下，兩次連續閃光的間隔是1秒到5秒之間，時(shí)間長(cháng)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(gè)很好的照相解決方案，但不適合運動(dòng)圖像的攝像應用。

　　此外，氙氣閃光燈管以及相關(guān)的驅動(dòng)電子組件占用很大的空間，而手機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(gè)精確的成本昂貴的驅動(dòng)器設計，這些因素限制了閃光燈在手機上的應用。

　　正是因為這些原因，手機廠(chǎng)商都將通過(guò)白光LED獲取閃光燈光源。

　　LED能夠讓我們獲得連續的光源，因此，它適合在光線(xiàn)不好的環(huán)境下拍攝視頻電話(huà)會(huì )議，所需的驅動(dòng)電路也比閃光燈簡(jiǎn)單，成本比較低廉。

　　入門(mén)級相機手機通常配備百萬(wàn)像素以下的相機，閃光燈配置也使用亮度相對較低的標準白光LED。因此，多個(gè)標準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(méi)有任何用處。

　　標準LED的典型正向電壓是3.2V到4.5V，而供給LED的唯一電源是手機電池，通常鋰電充電時(shí)電壓在4.2V以上，放電電壓在2.8V~2.7V之間。

　　因此，驅動(dòng)標準LED需要使用一個(gè)升壓直流-直流轉換器或一個(gè)電荷泵（CP）。這兩種解決方案都要必須控制流過(guò)白光LED的正向電流，該電流強度與LED的發(fā)光強度成正比。下面對這兩種方法分別給予介紹。

　　升壓轉換器 (用于串聯(lián)LED)和電荷泵(用于并聯(lián)LED)

　　多個(gè)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(gè)升壓轉換器驅動(dòng)標準白光LED的典型應用電路，圖3則是改用電荷泵驅動(dòng)標準白光LED的應用電路。

　　有兩個(gè)參數影響設計方案的選擇，一個(gè)是LED正向電壓，另一個(gè)是手機電池的工作電壓。如前文所述，目前手機都使用一塊鋰電池，電池初始電壓4.2V，電量用盡時(shí)2.7V；而充當閃光功能的LED通常需要幾百毫安的驅動(dòng)電流，這個(gè)電流值轉換成正向電壓大約是3.3V~3.5V。溫度和制造工藝可能會(huì )大幅度改變這個(gè)數值，感應式升壓轉換器通常用于驅動(dòng)串聯(lián)的LED，它能夠生成充足的輸出電壓，供給這個(gè)被編程的驅動(dòng)電流。利用這種驅動(dòng)方法，因為無(wú)論正向電壓高低，所有的LED都能獲得相同的電流，又因為L(cháng)ED的亮度與流經(jīng)LED的正向電流成正比，所以L(fǎng)ED陣列的亮度非常均衡和諧。

　　另一方面，通過(guò)外接一個(gè)飛電容，電荷泵（CP）可以產(chǎn)生輸入電壓整數倍的輸出電壓，若要提高擴大倍數，需增加飛電容和整流器，因此，電荷泵的實(shí)際應用被限制在2倍。雖然有些電荷泵能夠提供分數倍輸出電壓(1.5倍)，但是需要兩個(gè)飛電容。

　　因為2倍是最方便的升壓倍數，考慮到LED典型的正向電壓，電荷泵方法主要用于驅動(dòng)并聯(lián)的白光LED。因為每個(gè)并聯(lián)支路的LED必須獨立控制，這必然會(huì )導致LED陣列之間出現輕微的亮度失諧，這種亮度失匹現象在電荷驅動(dòng)方法中是不可避免的。

　　與整數倍電荷泵驅動(dòng)方法相比，升壓轉換器的能效更高，而且在電池放電范圍曲線(xiàn)上幾乎是平坦的。改用分數倍數電荷泵雖然可以提高性能，但是在能效和平坦度上其遠不如升壓器的設計。因為在升壓轉換器設計中，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(xiàn)。這在設計上是一個(gè)很重要的優(yōu)勢，例如，如果LED的數量發(fā)生了變化，或者單獨安裝在一個(gè)相機閃光模塊上，升壓轉換器設計很容易適應這種變化，而電荷泵PCB必須完全重新設計。

　　另一方面，當考慮到兩個(gè)解決方案的占位面積時(shí)，雖然升壓轉換器設計的引腳數量少，準許使用比電荷泵設計更小的封裝，但是升壓轉換器因為需要電感器，而導致占PCB板的總體面積變大、變厚。另外，與電荷泵設計中的飛電容對比，外接電感器成本昂貴。

　　最后，升壓轉換器的噪聲通常比電荷泵設計高，因此，限制或避免不同組件之間的干擾，需要更精確的設計。不過(guò)，無(wú)論選擇哪一種驅動(dòng)拓撲，標準白光LED都幾乎只能夠產(chǎn)生一個(gè)“推銷(xiāo)性閃光燈”。