驅動高功率 LED 相機閃光燈

作者：Christophe Vaucourt，德州儀器 (TI) 便攜式電源系統工程師

引言

拍照手機的質量正不斷提高，其中包括更高的分辨率、更佳的焦距、功能增強的圖像處理軟件以及防抖動等特性。然而比較落后的一方面是在低光照環境中拍攝照片時的閃光燈電能。許多手機由于提供了一個低電流 LED 拍照閃光或快閃，因而性能大打折扣，就低光照條件下獲得可接受圖像質量的照片而言，這樣的光能是遠遠不夠的。

要想成為一種實用的快閃技術，光源就必須能夠在一定的目標范圍內提供足夠的亮度（例如：>50lux @ 1m）。業界一流的高功率、高亮度白光 LED 技術可實現這一目標—— 每個芯片的驅動電流高達 1500mA。

功能整合的手機設備將越來越受市場的推崇，因此呈現出了對小型化、通用靈活性、外形尺寸以及上市時間的不斷需求。為了滿足這些需求，TI 推出了一系列易于設計、且優化的高功率 LED 閃光燈驅動器 (TPS61050/2/4)。這些器件具有不到 25mm2 的解決方案尺寸，并且能夠為 LED 提供高達 5W 的電能。

圖 1 TPS61050 應用概述

在采用單體鋰離子 (Li-Ion) 電池的便攜式應用中，白光 LED 兩端壓降與電流調節器兩端凈空電壓 (headroom voltage) 的和可以低于或高于電池電壓。這就是說 LED 驅動器拓撲應該能夠處理降壓和升壓運行模式。

實施降壓轉換較簡單的方法是利用一個線性低側電流調節器。這種方法的優勢在于成本低且高效率，因為 LED 正向電壓通常會稍微低于額定的電池電壓。

本文將解決 LED 相機閃光燈應用及相關的難題，其中包括：高功率 LED 驅動器架構、電池電流以及壓降。

LED 相機閃光燈驅動器拓撲

不管廠商、型號、尺寸或功率如何，所有的 LED 都是在恒流驅動時性能較佳。以流明為單位的光輸出與電流成正比，因此 LED 廠商規定了其器件在規定正向電流 IF 時的諸多特性（例如：光度、色溫等）。高功率 LED 會呈現出一個陡峭的 I-V 曲線，因此以恒定電壓驅動 LED 可導致明顯且幾乎無法預計的正向電流變化。

TPS6105x 產品采用一個 2-MHz 恒定頻率、電流模式脈寬調制 (PWM) 轉換器生成驅動高功率 LED 所需的輸出電壓。該器件集成了一個基于 NMOS 開關的功率級和一個同步 NMOS 整流器。此外，該器件還實施了一個線性低側電流調節器，以在電池電壓高于二極管正向電壓時控制 LED 電流。

圖 2 TPS61050 功能結構圖

出于簡化和減少芯片面積占用的目的，我們使用了低側電流檢測電路，該電流檢測電路基于一個設計旨在飽和區域運行的有源電流鏡。該器件根據電流阱兩端的壓降將自動在線性降壓模式和具有較低 250mV 檢測電壓的電感升壓模式之間轉換。

這種架構的優勢在于在所有的 LED 電流和電池電壓條件下其效率都非常高，因為可以將輸入電壓升壓至 LED 正向電壓與電流阱凈空電壓之和。

電流檢測的挑戰在于精確和高效率，這是兩個相互沖突的方面。電流檢測/調節電路兩端的凈空電壓越低，節約的電能就越多，但是這是以噪聲靈敏度為代價的。

圖 3 典型的效率

由于拍照手機應用中 LED 閃光功能使用的不那么頻繁，這樣一來我們就有了使用電感功率級來實現其他功能的想法。TPS6105x 器件不僅可以起到穩壓電流源的作用，而且還可起到標準升壓穩壓器的作用。電壓模式運行既可通過軟件命令完成，也可通過硬件信號 (ENVM) 完成。

當為系統中其他高功率器件供電時（如 LED 驅動器、免提音頻功率放大器或其他任何需要電源電壓高于電池電壓的組件），為了適當同步轉換器該增加的運行模式可能會非常有用。

圖 4 白光 LED 閃光燈驅動器和輔助照明區電源

為了支持 LED 電流調節或輸出電壓調節，TPS6105x 器件實施了一種全新的多功能調節方案（請參見圖 2），該方案實現了在兩個控制環路間的無縫即時轉換。

LED 電源、電池電流以及電壓下降

在效率計算中將要用到的輸出功率關系為 PLED = VF x IF。LED 驅動效率（即電氣 LED 功率與電池功率的比）等于：

圖 5 效率與輸入電流的關系

就一個給定的 LED 電流而言，正向電壓會隨著過程和溫度的不同而不同。這就是說從電池功率到光輸出的轉換效率會發生變化而亮度卻依然保持不變，這是因為亮度只取決于電流。

因此，效率并不是評估功耗的一個充分的參數指數 (figure of merit)。我們必須要考慮的是電池電流與 LED 亮度的關系，即 LED 電流。就一個給定的 LED 亮度而言，輸出功率才是電池輸出能量多少的真正標尺。

向電池施加一個大負載時，開路電池電壓就會被壓降扭曲，該壓降是由于電池組內部阻抗引起的。電池阻抗很大程度上取決于下列參數：

• 內部電池阻抗。嶄新的鋰離子電池的阻抗為 c.a. 50~70m?。各個電池的阻抗是不盡相同的，根據生產批次的不同阻抗變化大約為 15%。
• 松弛效應。應用/去除脈沖負載后電池壓始終在不停地變化。
• 溫度。電池阻抗與溫度有著密切的關系，溫度每下降 10?C 阻抗就會增加 50%。
• 充電狀態。內部阻抗取決于充電狀態 (SoC)，并在放電結束時內部阻抗增加。
• 保護電路。鋰離子電池組具有與電池串聯的背對背保護 MOSFET，其電阻范圍為 c.a. 50~70m?。
• 連接器。通常電池組通過一對彈簧連接器（每個連接器都有 25m? 的 DC 電阻）與系統相連接。

從電氣角度來說，電池通常只是一個電壓源，或者是一個與代表電池內部阻抗的電阻器串聯的電壓源。為了正確表述電池瞬態行為，我們應該使用一個等效電路，而非只是電阻。.

當電池完成充電或放電后，其開路電壓就會發生變化。因此，從電氣角度來看其可以被看作是一個具有可變電容值 (CO) 的電容器。

圖 6 中，RA 和 RC 為相應陰極和陽極的總擴散、傳導和電荷轉移電阻。CA 和 CC 為表面電容。RSER 為包括電解物、電流集電器以及金屬絲電阻在內的串聯電阻。

圖 6 電池等效電路

每個級都與其時間常數相關聯，這會導致復雜的電氣行為。

圖 7 900mAh、鋰離子電池瞬態響應與 SOC 和溫度的關系

如圖 7 所示，雖然電池電壓對電流階躍的響應被延遲了，但經過一段時間后，其開始接近具有一個串聯電阻器的電容行為。電流終止以后，電池電壓不會立即返回到無電流狀態。相反，其會慢慢增加直到較后其達到等效電容器電壓電平為止，這就是開路電壓。

即使是在電池容量不足的情況下，高內部阻抗兩端的壓降也會導致系統達到其截止電壓以及“低電池電量”指示器觸發。結果，移動設備復位和/或停止工作。計算相機引擎截止電壓和較大 LED 閃光電流電平時，我們應充分考慮這一因素。

在基于 TDMA 的系統中（如 GSM/GPRS 手機），RF 功率放大器 (PA) 也可從電池拉出高峰值電流。TPS61050 器件集成了一個通用 I/O 引腳 (GPIO)，該引腳既可以被配置為一個標準的邏輯輸入/輸出，也可以被配置為一個快閃掩碼輸入 (flash masking input) (Tx-MASK)。

這一消隱功能將 LED 從相機閃光變為了手電筒光，因而幾乎瞬時降低了電池的峰值電流負載。該系統級特性通過避免兩個高功率負載（PA 和快閃 LED）同時開啟阻止了手機關機。

LED 快閃電流電平優化

在手機應用中，我們通常規定相機引擎在一個低至 0?C 或 -10?C 的溫度工作。為了實現穩定的系統運行，LED 快閃電流需要根據較大容許電池壓降（即較高的電池阻抗，較低的環境溫度）進行調節。

為了動態優化 LED 快閃電流（即光輸出）與電池充電狀態和溫度的關系，我們可以考慮使用下列自調節程序。這種算法可以被嵌入到自動曝光白平衡或防紅眼預閃算法中去。

LED 正向電壓“催化”特性——在相機引擎生產測試時進行。

LED 正向電壓 (VF) 的一階近似可以由集成的 3 位 A/D 轉換器完成。

就三次不同的快閃電流（200mA、500mA 以及 1000mA）而言，只執行三次短暫的快閃選通脈沖（10 分之幾毫秒就足夠了）。

這些數據有助于我們更精確地估計LED相比快閃電流真正的電氣功率。

圖 8 LED 正向電壓近似

估計電池阻抗的預閃光功能

在一個高功率快閃選通脈沖中，電池電壓通常會下降數百毫伏。就短時間高功率快閃選通脈沖而言，該電壓下降受電池本身的電容（即松弛效應）影響不是很大，而是受其電池阻抗的影響。

圖 9 脈沖 LED 運行時的圖像捕獲順序

相機和/或基帶引擎通常可以在快閃選通脈沖之前和快閃選通脈沖結束時對電池電壓進行測量。憑借這一信息系統就可以計算出大概的電池阻抗，具體如下：

根據實際的 LED 電氣特性、中頻電池阻抗、充電狀態以及溫度

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