移動(dòng)設(shè)備閃光 LED驅(qū)動(dòng)芯片：克服空間和功率的限制

 智能手機(jī)已經(jīng)成為性能卓越的設(shè)備，盡管首款“照相手機(jī)”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(jī)制造商帶來(lái)了無(wú)限商機(jī)。但是到目前為止，盡管它能實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)相匹配的極高畫(huà)面品質(zhì)，但LED閃光燈仍然較難應(yīng)用到智能手機(jī)模塊中，其主要障礙是閃光驅(qū)動(dòng)電路難以滿足手機(jī)制造商對(duì)尺寸、成本和效率的要求。

閃光驅(qū)動(dòng)電路的種類(lèi)

手機(jī)內(nèi)的相機(jī)其實(shí)是一個(gè)照相機(jī)模塊，包含了鏡頭、機(jī)械元件、自動(dòng)對(duì)焦線圈和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(jī)模塊或手機(jī)的主PCB中。

目前市場(chǎng)上共有四種不同類(lèi)型的閃光驅(qū)動(dòng)芯片：電容LED驅(qū)動(dòng)、電感式LED驅(qū)動(dòng)、氙氣閃光驅(qū)動(dòng)和超級(jí)電容LED驅(qū)動(dòng)。閃光LED具有4.0V-3.3V的電壓要求，因此閃光LED驅(qū)動(dòng)電路必須穩(wěn)定手機(jī)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(qū)動(dòng)芯片能夠提供約700mA的閃光電流。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)芯片由于易于設(shè)計(jì)，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(yīng)用于單LED設(shè)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輸出;此外，該驅(qū)動(dòng)芯片效率較低。阻礙電容驅(qū)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(dǎo)致效率低下并產(chǎn)生熱量。許多使用充電泵的閃光LED驅(qū)動(dòng)芯片供應(yīng)商都提供DFN和QFN封裝，以實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)芯片AS3685與最高2000mA的電感式芯片AS3648效率對(duì)比圖

因此，手機(jī)設(shè)計(jì)師開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向電感式LED驅(qū)動(dòng)芯片，以此彌補(bǔ)電容驅(qū)動(dòng)芯片本身的缺陷。電感式驅(qū)動(dòng)芯片可以產(chǎn)生高達(dá)2A的電流，并可以驅(qū)動(dòng)雙LED，效率更高。雙LED設(shè)計(jì)可提供更高的光線輸出，當(dāng)然也會(huì)比單LED設(shè)計(jì)占用更多空間以及產(chǎn)生更高的成本。

電感式驅(qū)動(dòng)芯片的操作在本質(zhì)上比電容驅(qū)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(shì)。另一方面，由于電感式驅(qū)動(dòng)芯片必須容納相對(duì)體積較大的電感器，因此它的體積較大。

電感式驅(qū)動(dòng)芯片效率高低取決于電感器的損耗、直流轉(zhuǎn)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(qū)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(jī)設(shè)計(jì)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(shì)。

其他兩種類(lèi)型，氙氣和超級(jí)電容閃光驅(qū)動(dòng)器，更適合攝像頭位于中心位置的智能手機(jī)。氙氣燈泡提供短而明亮的光脈沖，從而實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)模塊對(duì)單薄的智能手機(jī)外形顯得過(guò)于龐大，且對(duì)材料預(yù)算而言也過(guò)于昂貴。

改善電感式LED驅(qū)動(dòng)芯片

圖片質(zhì)量的高低為智能手機(jī)廠商提供了明確的產(chǎn)品分化手段。這意味著各廠商將爭(zhēng)相使用小巧、高效的閃光LED驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)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(yùn)行的功能。奧地利微電子的兩款新電感式閃光驅(qū)動(dòng)芯片AS3647/8能較好地滿足這些測(cè)試要求。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)閃光LED系統(tǒng)——以O(shè)sram OSLUX LUW FQ6N為例

圖2顯示了閃光LED驅(qū)動(dòng)芯片如何被應(yīng)用在移動(dòng)環(huán)境下。ISP發(fā)出的頻閃信號(hào)觸發(fā)閃光驅(qū)動(dòng)芯片。TX掩蔽(TX Mask)信號(hào)是一種保護(hù)性的信號(hào)，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(dǎo)致手機(jī)重啟，這會(huì)令人十分不快。因此，一旦產(chǎn)生TX脈沖，驅(qū)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(qū)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(qū)動(dòng)芯片AS3647框圖

電感式驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電流調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(shì)。這反過(guò)來(lái)將有助于提高效率，實(shí)現(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低功耗也意味著較少的多余熱消散。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，將提供更高的光線輸出。

智能手機(jī)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(qū)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(zhuǎn)換器，因此直流轉(zhuǎn)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(dāng)局部放電后，電池電壓會(huì)下降，這時(shí)就需要升壓轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)芯片的直流轉(zhuǎn)換器被接通以此調(diào)節(jié)電壓，保證能夠以特定的電流驅(qū)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(qū)動(dòng)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提供高強(qiáng)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(yīng)用中使用。

AS3647和AS3648都采用2.2mmx 1.5mm的晶圓級(jí)芯片規(guī)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(duì)閃光驅(qū)動(dòng)芯片是一種獨(dú)一無(wú)二的封裝，因?yàn)椴辉傩枰⒖?，能使極快速且輕松地完成PCB的布局。 而芯片的直流轉(zhuǎn)換器也經(jīng)過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)用以進(jìn)一步節(jié)省空間。該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器內(nèi)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(qū)動(dòng)芯片的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其可實(shí)現(xiàn)的附加功能。高清視頻拍攝功能目前是智能手機(jī)的賣(mài)點(diǎn)，手指輕點(diǎn)兩下，用戶就可以將自己的視頻上傳到Y(jié)ouTube或Facebook上與朋友分享。高效的手電筒功能可以使用戶在黑暗中拍攝視頻。而LED驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)高效率的直流轉(zhuǎn)換器是確保手電筒功能不過(guò)度耗費(fèi)電池所必不可少的。

總結(jié)

通過(guò)使用電感式拓?fù)?，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(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)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(qū)動(dòng)芯片：AS3636

圖4和圖5都在奧地利微電子閃光實(shí)驗(yàn)室受控的條件下進(jìn)行拍攝(適馬DP1相機(jī)，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(xiàn)與氙氣閃光燈類(lèi)似的光線輸出和圖像質(zhì)量。