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利用白光LED作為照相手機的閃光燈

更新时间: 2019-03-25
阅读量:230

近來新上市的所有高階行動電話幾乎都內建百萬畫素相機,為了讓消費者在較昏暗的環境下拍照,它們需要提供額外的閃光燈功能,但手機製造商卻對數位相機所使用的標準閃光燈興趣缺缺,因為這些解決方案通常都極佔空間,無法滿足行動電話最重視的精巧造型要求。最近出現的高功率LED過去多半用於汽車照明,但它們也能做為手機閃光燈的絕佳解決方案,由於它們很容易整合至小型封裝,又不需要高電壓驅動,故能做為體積和成本都很小的完整閃光燈解決方案。除此之外,只要將LED電流降低,使它們擁有更長的工作時間,這些LED還能當成手電筒或棚燈 (movie light)使用。為了產生所要求的白色光源,廠商通常會使用白光LED,然而它們卻要3.6 V至3.8 V的順向電壓才能提供所需電流,所以無法由一顆鋰離子電池直接供電 – 但行動電話通常卻只有一顆電池。

LED發光特性通常會受到半導體材料特性的極大影響,所以不同材料成分的LED特性也會有所差異。LED發光強度通常與其電流有關,發光強度和LED電流的比值則是生產過程中可能改變的主要參數之一,因此LED多半會根據電流與發光強度的比值事先分類,不同等級LED的順向電壓也可能不同。要以LED做為光源照明所欲拍攝的場景,就必須在影像感測器啟動的同時產生光脈衝,為了將系統功耗和所產生的熱量減至最少,LED的導通時間應儘量縮短,因此LED的動作必須與影像感測器同步。光脈衝時間通常為100毫秒或更長,實際值則視LED的發光能力以及影像感測器與閃光燈的搭配方式而定,這表示有兩個問題必須解決: LED電流的控制以及光脈衝和影像感測器的同步。 

設計人員首先想到的或許是直接控制LED電流的簡單電路,這種方法在使用不同供應商的不同LED時確能提供很大彈性。穩流功能需要量測電流的大小,而最簡單和成本最低的LED電流量測方法是讓LED串聯一顆感測電阻 (shunt resistor),此時轉換器所須提供的總輸出電壓就等於二極體順向電壓加上感測電阻兩端的電壓降。為了簡化電路和降低成本,選擇感測電阻時最好讓其電壓降等於轉換器的回授電壓;除此之外,為了將功耗減至最少,感測電阻兩端的電壓降應越小越好,因為更高的電壓只會讓功耗增加。由於二極體順向電壓及感測電阻電壓降之和通常會高於行動電話的電池電壓,因此必須使用升壓轉換器為其提供電源。在我們的範例中,假設轉換器的回授電壓為500 mV,那麼總輸出電壓就必須在4.1 V和4.3 V之間。圖1就是這類電路的可能設計方式之一。 

設計人員首先想到的或許是直接控制LED電流的簡單電路,這種方法在使用不同供應商的不同LED時確能提供很大彈性。穩流功能需要量測電流的大小,而最簡單和成本最低的LED電流量測方法是讓LED串聯一顆感測電阻 (shunt resistor),此時轉換器所須提供的總輸出電壓就等於二極體順向電壓加上感測電阻兩端的電壓降。為了簡化電路和降低成本,選擇感測電阻時最好讓其電壓降等於轉換器的回授電壓;除此之外,為了將功耗減至最少,感測電阻兩端的電壓降應越小越好,因為更高的電壓只會讓功耗增加。由於二極體順向電壓及感測電阻電壓降之和通常會高於行動電話的電池電壓,因此必須使用升壓轉換器為其提供電源。在我們的範例中,假設轉換器的回授電壓為500 mV,那麼總輸出電壓就必須在4.1 V和4.3 V之間。圖1就是這類電路的可能設計方式之一。 

升壓轉換器僅能提供5 V之類的固定穩壓輸出,而且它會在閃光燈觸發前先行啟動,電流則是由LED串聯的電阻控制。另外如圖所示,此電路還能利用額外的開關元件來控制閃光燈的開啟,透過這顆FET的閘極,閃光燈啟動幾乎不會有任何延遲。圖4是它們的波形,其頻道安排方式和訊號都與圖2相同,從這些波形圖很容易看出LED電流的上升速度更快,輸入電流的負載效應也減至最小。 

由於輸出電容的電壓已經很高,LED會立刻導通電流,接著輸出電壓會略為下降,這是因為升壓轉換器的反應時間較慢,至於電壓下降的幅度當然與輸出電容的電容值有關。此電路的另一項優點是它能提供穩壓輸出給電路其它零件,讓它們也能使用比電池電壓還高的電源。

這種方法的一項重大缺點是它並未提供穩流功能。由於LED順向電壓的改變會直接造成電流改變,而隨著生產作業的進行,LED的順向電壓可能會有很大差異,因此設計人員可能必須根據每一批LED的順向電壓來調整其串聯電阻的大小。

解決此問題的另一種方法是選擇順向電壓和順向電流特性都相同的LED,但這必然會增加成本。 

此架構包含穩流和過電壓保護,這些功能都是由較複雜的回授分壓電路提供。這個電阻分壓電路會連接至LED所串聯的感測電阻,並做為此電路的電壓感測組件。只要採用適當的設計,它就能限制電路的最大輸出電壓,使其不超過轉換器和連接電路所能容許的最大電壓。感測電阻的電阻值遠小於回授分壓電路的電阻值,所以它幾乎不會對電阻分壓電路的分壓結果造成任何影響。每當感測電阻上有較大的電流通過時,回授分壓電路就會出現偏移電壓,使得轉換器的輸出電壓降低。透過這種方法,只要二極體和感測電阻的電壓降總值小於電阻分壓電路所設定的電壓,此電路就能調節LED的電流。

若感測電阻的電阻值只能允許很小的電流通過LED,那麼啟動時間就會慢於前面所述的簡單電流控制型架構。若將感測電阻並聯一顆阻抗很小的電阻,並由FET負責切換,我們就能立即增加所設定的LED電流值。如果這個切換動作是在升壓轉換器的輸出電壓升高後才進行,那麼從按下閃光燈按鈕到LED發出閃光為止,整個過程的延遲時間會變得更短。利用LED電流較小的模式,例如升壓轉換器啟動後所支援的手電筒和棚燈模式,設計人員不需額外成本就能為產品增加更多功能。這個改良電路的啟動波形如圖6所示,其中的訊號安排方式和圖2以及圖4完全相同,從圖中很容易看出輸入電流和閃光燈觸發器的延遲時間都受到非常良好的控制。 


虽然此架構可以控制電流和電壓,但是電流控制的精確度卻不如第一個例子的簡單電流控制架構。上述範例所使用的TPS61020在這些電路裡的工作情形都很良好,它還能提供低於輸入電壓的穩壓輸出,因此就算LED和感測電阻的電壓值總和小於輸入電壓,這顆元件仍很適合這些架構;除此之外,當效率超過現有產品的新型LED於未來出現時,設計人員仍能繼續使用這個電路。