可拍照手機(jī)的LED閃光燈實(shí)現(xiàn)方案

時(shí)間：2012-03-19 16:25:02

關(guān)鍵字： LED閃光燈管腳器件

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[導(dǎo)讀]如今照相手機(jī)被作為正式的數(shù)碼相機(jī)使用，使用者希望在低照度情況下也能拍攝出高質(zhì)量的照片，因而照相手機(jī)中需要增加一個(gè)照明光源。白光LED作為相機(jī)閃光燈在照相手機(jī)中應(yīng)用廣泛。本文詳細(xì)討論了在照相手機(jī)中設(shè)計(jì)白光L

如今照相手機(jī)被作為正式的數(shù)碼相機(jī)使用，使用者希望在低照度情況下也能拍攝出高質(zhì)量的照片，因而照相手機(jī)中需要增加一個(gè)照明光源。白光LED作為相機(jī)閃光燈在照相手機(jī)中應(yīng)用廣泛。本文詳細(xì)討論了在照相手機(jī)中設(shè)計(jì)白光LED時(shí)的各種考慮因素。文章描述了白光LED驅(qū)動(dòng)電路的串聯(lián)和并聯(lián)工作模式，并以安華高科技的HSMW-C830/C850閃光燈模塊為例討論了具體的電路設(shè)計(jì)方法。

如今“標(biāo)準(zhǔn)的”可拍照手機(jī)能提供640×480像素分辨率以實(shí)現(xiàn)30萬(wàn)像素的圖像大小。在2004年初，當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的可拍照手機(jī)提供了1,600×1,200像素的圖像——大約200萬(wàn)像素圖像大小，而且還能拍攝視頻短片及使用可插拔的存儲(chǔ)卡，在某些產(chǎn)品中還集成了自動(dòng)對(duì)焦和其它相機(jī)功能。某制造商宣布在2005年推出700萬(wàn)像素的可拍照手機(jī)。

結(jié)果是如今可拍照手機(jī)被當(dāng)成“正式的”數(shù)碼相機(jī)使用，并且消費(fèi)者期望能夠在低光照亮度的條件下拍攝高質(zhì)量的照片，因此增加一個(gè)照明光源并且不會(huì)很快耗盡手機(jī)電池的需求開(kāi)始出現(xiàn)。

現(xiàn)在有兩種數(shù)碼相機(jī)閃光燈可供選擇：氙氣閃光燈管和白光LED。氙氣閃光燈由于具有高亮度和白色光的特點(diǎn)，因而廣泛用于膠卷相機(jī)和獨(dú)立的數(shù)碼相機(jī)。而大多數(shù)可拍照手機(jī)則選擇了白光LED照明。表1比較了這兩種閃光燈。

表1：氙氣閃光燈與LED閃光燈的比較

LED是電流驅(qū)動(dòng)器件，其光輸出由通過(guò)的正向電流決定。LED的頻閃速度要快于任何其他光源，包括氙氣閃光燈，它具有很短的上升時(shí)間，范圍在10~100ns之間?，F(xiàn)在白光LED的照明質(zhì)量可與冷白色熒光燈媲美，色彩表現(xiàn)指數(shù)接近85。

在多數(shù)情況下，LED的最大光輸出受其能承受的最大平均正向電流限制，該最大平均電流主要取決于LED芯片/封裝的功耗水平以及它所附著的散熱片的散熱性能。在閃光燈應(yīng)用中，可以用占空比很小的脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。這使得在實(shí)際脈沖期間電流以及電流產(chǎn)生的光輸出顯著增加，同時(shí)仍然保持LED的平均電流水平和功耗在其安全額定值內(nèi)。

與氙氣閃光燈相比，LED閃光燈具有更低的功耗，而且驅(qū)動(dòng)電路所占空間很小。此外驅(qū)動(dòng)LED閃光燈不會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾(EMI)。這些優(yōu)點(diǎn)促成了LED閃光燈在可拍照手機(jī)中的應(yīng)用。而且同一個(gè)LED閃光燈還能用作連續(xù)的光源，這使得其可用于視頻應(yīng)用以及手電筒功能。

為可拍照手機(jī)閃光燈應(yīng)用選擇LED

盡管在閃光燈LED領(lǐng)域沒(méi)有封裝和電子上的標(biāo)準(zhǔn)，但是制造商為相機(jī)閃光燈應(yīng)用定義了很多LED零組件。當(dāng)要在可拍照手機(jī)中進(jìn)行LED閃光燈設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的準(zhǔn)則是：

1. 光學(xué)特性；

2. 電子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易性和靈活性；

3. 脈沖調(diào)制功能；

4. 可以有效級(jí)聯(lián)以得到更高光輸出；

5. 散熱考慮；

6. 制造和裝配考慮。特別是LED模塊與可拍照手機(jī)使用的制造工藝的兼容性。

光學(xué)特性

當(dāng)前在可拍照手機(jī)中使用的大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)模塊具有50~60°的視角，需要至少3到5勒克斯(Lux)的亮度以獲得好的照片。因此，一個(gè)光照角度為50~80°的照相閃光燈是最佳選擇。光照角度超過(guò)80°將造成一部分光線落到相機(jī)覆蓋區(qū)域之外，從而降低LED光輸出的利用率。相反，一個(gè)具有更小光照角度的閃光燈可能導(dǎo)致拍攝的照片邊角出現(xiàn)暗區(qū)。

現(xiàn)在市場(chǎng)上供應(yīng)的大多數(shù)用于相機(jī)閃光燈的LED組件都具有很寬的照明角度。通過(guò)二級(jí)光學(xué)組件可以對(duì)該角度進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，然而這些光學(xué)組件有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。首先，由于轉(zhuǎn)換效率的原因，二級(jí)光學(xué)組件將造成大約12%的光損耗；其次，使用二級(jí)光學(xué)組件增加了可拍照手機(jī)的成本、占用了額外的空間并使制造工藝與設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜化。

就安華高科技制造的LED閃光燈模塊來(lái)說(shuō)，其弧形設(shè)計(jì)使LED發(fā)出的光集中，形成一個(gè)60°的朗伯(Lambertian)輻射模式，從而使得落在典型的相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)的光輸出強(qiáng)度最大化。

安華高科技公司的每一個(gè)閃光燈模塊集成了3個(gè)InGaN LED裸片，這些裸片在模塊內(nèi)采用并行連接(HSMW-C830)或者串行連接(HSMW-C850)，每個(gè)模塊只有陰極和陽(yáng)極兩個(gè)端子。這兩種方式使用起來(lái)各有優(yōu)缺點(diǎn)(表2)。

表2：串聯(lián)LED和并聯(lián)LED的比較

易于級(jí)聯(lián)和散熱

安華高科技在設(shè)計(jì)HSMW-C830和HSMW-C850時(shí)，使它們?cè)跈C(jī)械和電子上能夠級(jí)聯(lián)。封裝特意做得很薄，這樣方便設(shè)計(jì)師將兩個(gè)模塊層疊使光輸出倍增，這種組合方式占用空間最小。如果兩個(gè)模塊垂直層疊，其組合后的尺寸只有7.0×4.4mm2。

大多數(shù)LED閃光燈模塊采用共陽(yáng)級(jí)方式將LED連在一起。閃光燈模塊的串行級(jí)聯(lián)需要驅(qū)動(dòng)器能同時(shí)提供高電流和高電壓，而將它們并行級(jí)聯(lián)會(huì)造成潛在的光輸出亮度變化的問(wèn)題，這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)模塊之間電流可能分配不均勻。HSMW-C850將所有三個(gè)芯片串行連接。如果將其級(jí)聯(lián)，只需調(diào)節(jié)電壓，而無(wú)需改變驅(qū)動(dòng)電流，從而不會(huì)有兩個(gè)模塊接受的電流不同的問(wèn)題。此外，市場(chǎng)上現(xiàn)有的升壓轉(zhuǎn)換器具有高適應(yīng)電壓低電流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，而不是高電流驅(qū)動(dòng)低適應(yīng)電壓，因?yàn)檫@樣能節(jié)省整體功耗。

LED閃光燈模塊在工作期間可能會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的熱量，因此在設(shè)計(jì)導(dǎo)入過(guò)程中必須考慮散熱應(yīng)對(duì)措施。大多數(shù)手機(jī)設(shè)計(jì)者由于受空間限制，更愿意采用柔性印刷電路板(這種電路板的散熱性不好)，而不是FR4 PCB材料。安華高科技的閃光燈模塊具有較低的封裝熱阻，可以有效地釋放LED產(chǎn)生的熱量。安華高科技公司的閃光燈可以在環(huán)境溫度+55°C下，以80mA的電流連續(xù)5秒照明。

電路設(shè)計(jì)

移動(dòng)電話中的鋰離子電池是電壓源，其輸出電壓隨保持的能量大小而變化(通常在2.8~4.2V之間)。因?yàn)長(zhǎng)ED為電流驅(qū)動(dòng)器件，其需要恒流源驅(qū)動(dòng)以獲得一致的光輸出。電荷泵轉(zhuǎn)換器和電壓升壓轉(zhuǎn)換器是兩種可行的適合于驅(qū)動(dòng)LED閃光燈的DC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

閃光燈照明的必要時(shí)間長(zhǎng)度由具體相機(jī)模塊的特定要求決定。只要照明時(shí)間不短于模塊的成像時(shí)間，就不會(huì)影響照相效果。一般而言，200~300ms的照明時(shí)間就足夠了。安華高科技的閃光燈模塊在脈寬時(shí)間短于200ms的情況下，驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到180mA，提供了10lux的亮度。在連續(xù)工作條件下，最大允許電流為80mA，產(chǎn)生大約為6lux的亮度。

圖2為HSMW-C830閃光燈模塊，其并聯(lián)LED用TPS60230電荷泵IC供電。

圖2：使用電荷泵IC驅(qū)動(dòng)并行連接的LED

通過(guò)從ISET管腳連接一個(gè)外部電阻(10kΩ)到地(GND)，經(jīng)過(guò)D1到D6管腳提供了約16mA的恒定電流。LED閃光燈吸收78mA的電流。需要兩個(gè)1μF和兩個(gè)0.47μF的外部電容。此外，由電流控制的電荷泵能確保低EMI干擾。

使能管腳EN1和EN2用來(lái)對(duì)器件實(shí)現(xiàn)使能控制(提供78mA電流的1/3、2/3或全部)，或者將其設(shè)置為關(guān)斷模式，如表3所示。

表3：使用TPS60230電荷泵IC的使能管腳控制LED電流

在關(guān)斷模式下，電荷泵、電流源和參考電壓、振蕩器和所有其它功能被關(guān)閉，消耗的電流降低到0.1μA。

EN1和EN2上的邏輯電平將ISET管腳上的電壓(VISET)設(shè)置到地(GND)。電流根據(jù)VISET可設(shè)置為26mA、52mA或者78mA，如下所示。當(dāng)EN1=0、EN2=1的時(shí)候，則Eq1。

這里，Eq2，因此Eq3。通過(guò)將D1連接到D5，這個(gè)器件提供的Eq4。

EN1和EN2還可以用于脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)低亮度。PWM信號(hào)可以加在EN1或EN2上，或者將兩個(gè)管腳連接在一起來(lái)控制LED閃光燈的亮度。采用完全充滿的電池時(shí)，這個(gè)電路可以獲得大于85%的電源轉(zhuǎn)換效率。

圖3顯示了用TPS61040作為升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED。

圖3：使用升壓轉(zhuǎn)換器IC驅(qū)動(dòng)并行連接的LED

通過(guò)在FB管腳和GND之間連接一個(gè)15Ω的外部電阻，根據(jù)反饋電壓(VFB=1.233V)，該器件提供80mA的恒定電流。正向電流Eq5。