小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]如今，愈來愈多的手機(jī)、MP4、PDA等數(shù)碼產(chǎn)品帶有拍照功能，隨著百萬(wàn)像素?cái)z像頭應(yīng)用的普及，用戶對(duì)照相及攝像的效果與質(zhì)量要求也逐漸提高。為了在環(huán)境亮度較暗的情況下，仍能獲得較好的拍攝質(zhì)量，部分手機(jī)、MP4、PDA產(chǎn)
如今，愈來愈多的手機(jī)、MP4、PDA等數(shù)碼產(chǎn)品帶有拍照功能，隨著百萬(wàn)像素?cái)z像頭應(yīng)用的普及，用戶對(duì)照相及攝像的效果與質(zhì)量要求也逐漸提高。為了在環(huán)境亮度較暗的情況下，仍能獲得較好的拍攝質(zhì)量，部分手機(jī)、MP4、PDA產(chǎn)品中已經(jīng)添加了閃光燈。有了閃光燈，才能真正不受環(huán)境的限制，“想拍就拍”；同時(shí)閃光燈還能當(dāng)作手電筒使用，在必要的時(shí)候用作應(yīng)急照明。帶有閃光燈的這類產(chǎn)品，更像“數(shù)碼相機(jī)”，因此受到了用戶的普遍歡迎。
小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)要求
鑒于種種原因，市場(chǎng)上大部分手機(jī)、MP4、PDA等產(chǎn)品中的閃光燈是用低亮度、低成本的LED來實(shí)現(xiàn)。這類閃光燈內(nèi)部通常是由幾個(gè)白光LED燈芯組成，有的直接在內(nèi)部并接或串接，只提供2個(gè)連接引腳；有的提供6個(gè)引腳讓用戶在外部自由配置成串聯(lián)或并聯(lián)形式。由于串聯(lián)連接閃光燈需要基于電感的Boost升壓芯片來驅(qū)動(dòng)，電感體積過大以及EMI干擾較嚴(yán)重使其很難在手持設(shè)備中使用，故目前手持設(shè)備應(yīng)用中大多使用并聯(lián)連接的閃光燈。
圖1 幾種典型的閃光燈管芯連接方式
受制于目前LED的工藝水平和價(jià)格，手持設(shè)備應(yīng)用中的閃光燈通常只允許每顆30mA左右的持續(xù)電流和不超過100mA的峰值電流（廠家對(duì)峰值電流的持續(xù)時(shí)間和頻率有嚴(yán)格要求）。由于通過電流較小，閃光時(shí)亮度較低（約為5000mcd），這顯然達(dá)不到專業(yè)相機(jī)閃光燈（多采用氙氣燈）的要求，但因?yàn)長(zhǎng)ED閃光燈成本低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，目前仍然是手持設(shè)備的主要選擇。
實(shí)現(xiàn)閃光燈功能，需要添加一片閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片。不僅要求其能將燈點(diǎn)亮，還要能靈活地設(shè)定工作電流，同時(shí)又要能在Torch模式或Flash模式中方便切換。工作在Torch模式時(shí)，閃光燈持續(xù)發(fā)光，用作手電筒照明或拍攝短片時(shí)背景照明，也可用作黑暗環(huán)境下拍照前的預(yù)閃。而工作在Flash模式時(shí)，則用作拍照時(shí)短時(shí)間閃光，加大曝光量。閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片是否可以靈活的設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流以及方便地進(jìn)行模式切換決定了該芯片的易用性。
傳統(tǒng)解決方案面積大，效率低
在通過較大電流時(shí)，閃光燈管的正向壓降VF（4～4.5V）通常要高于鋰電池的電壓，所以并聯(lián)閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片大都采用Charge Pump升壓技術(shù)，將電池電壓升到一個(gè)較高值來驅(qū)動(dòng)LED。在傳統(tǒng)解決方案中，普遍使用一種恒壓輸出的Charge Pump芯片來驅(qū)動(dòng)小電流閃光燈。如圖2為某典型產(chǎn)品的應(yīng)用方案。該芯片輸出恒定的電壓（4.5V或5V），通過RB限流電阻設(shè)定Torch模式下的電流；而在Flash模式時(shí)，將Flash Gate（N溝的MOSFET）閉合，RB與RF兩個(gè)限流電阻并聯(lián)，等效電阻值降低，導(dǎo)致流過LED燈的電流明顯增大，亮度增加，發(fā)生“閃光”。
圖2 傳統(tǒng)小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
圖2中的解決方案有兩個(gè)明顯缺點(diǎn)：
1，芯片工作在固定2倍升壓模式，恒壓輸出，效率很低。
2．由于Torch和Flash模式下通過LED燈電流較大，限流電阻需要使用0603或0805的封裝，F(xiàn)lash Gate一般也要使用SOT23的封裝。這不僅增加了電路面積，也增加方案成本。
一些改進(jìn)的產(chǎn)品采用了分?jǐn)?shù)電荷泵工作模式，稍微提高了一些轉(zhuǎn)換效率，但依舊使用恒壓輸出，需要外置限流電阻和MOS開關(guān)，仍然無(wú)法克服上述缺點(diǎn)。
CP2130的新型閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
市場(chǎng)上一些專用的閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片可以很好的解決上述問題，但這類產(chǎn)品通常都是專為高達(dá)500mA甚至安培級(jí)電流的閃光燈應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，芯片價(jià)格很高，這使得很多客戶不得不繼續(xù)使用傳統(tǒng)的解決方案。
啟攀微電子（Chiphomer）針對(duì)小電流閃光燈的應(yīng)用現(xiàn)狀，開發(fā)的新產(chǎn)品CP2130，給出了一種全新的閃光燈驅(qū)動(dòng)方案，有效的解決了方案易用性和成本的矛盾。
CP2130是一種1倍，1.5倍自適應(yīng)模式切換的電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)芯片，可支持多達(dá)5顆LED燈的應(yīng)用，支持寬頻率范圍的PWM調(diào)光，驅(qū)動(dòng)電流由ISET腳的RSET電阻設(shè)定，采用小體積（3mm x 3mm）的QFN16封裝。基于Smart Mirror專利技術(shù)，可為各LED通道提供超精確電流匹配。驅(qū)動(dòng)2.8inch LCD背光的典型應(yīng)用方案見圖3。
圖3 CP2130背光驅(qū)動(dòng)方案
CP2130特別設(shè)計(jì)的電流驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)同時(shí)可以滿足小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)需求。其可以保證提供持續(xù)輸出150mA，峰值輸出300mA的驅(qū)動(dòng)能力，滿足了目前大部分手機(jī)、MP4、PDA等產(chǎn)品的小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)需求。典型應(yīng)用圖見圖4。
圖4 CP2130小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
在圖4方案中，EN信號(hào)作為芯片使能。當(dāng)EN為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入Shutdown模式，漏電流極低。當(dāng)EN為高電平時(shí)，芯片處于工作狀態(tài)。GPIO-FLASH用于Torch和Flash模式的選擇切換。
當(dāng)GPIO_FLASH設(shè)定為高阻態(tài)（或者設(shè)定為輸入端口時(shí)），ISET端電阻僅為RSET，此時(shí)設(shè)定在較小的驅(qū)動(dòng)電流上，芯片工作在Torch模式。而當(dāng)GPIO_FLASH輸出低電平時(shí)，ISET端等效電阻為RADJ和RSET兩電阻的并聯(lián)，等效電阻值變小，此時(shí)設(shè)定在較大的驅(qū)動(dòng)電流上，芯片進(jìn)入Flash模式?？梢?，使用GPIO_FLASH的IO信號(hào)可方便的在Torch模式和Flash模式之間切換。
以80mA @ Torch，250mA @ Flash的典型應(yīng)用為例，兩電阻可按如下規(guī)則選擇：當(dāng)輸出80mA時(shí)，5個(gè)輸出并接，相當(dāng)于每路輸出16mA，通過公式1易得RSET為10KΩ； 當(dāng)需要輸出250mA時(shí)，相當(dāng)于每路輸出50mA，通過公式1易得等效RSET為3.1KΩ（實(shí)際RSET與RADJ的并聯(lián)值）；此時(shí)，可推算出RADJ約4.5KΩ，取鄰近的標(biāo)稱電阻即可。
也可以將GPIO_FLASH直接輸出高電平來進(jìn)入Torch模式，輸出低電平進(jìn)入Flash模式。此時(shí)IO控制比較簡(jiǎn)單，但要通過公式2來計(jì)算RSET與RADJ的電阻值，相對(duì)復(fù)雜一些。
公式1和公式2中RSET為ISET引腳端對(duì)地等效電阻值，ILED為設(shè)定的CP2130每路輸出電流值。公式2中各電阻的單位為KΩ，VIO為GPIO_FLASH的IO電壓，單位為V，如低電平為0V，高電平為2.8V。
需要指出的是，用于控制模式切換的GPIO端口內(nèi)部應(yīng)沒有上拉或下拉電阻，否則會(huì)造成實(shí)際電流與按上述公式計(jì)算電流的偏差。用戶可以選擇沒有上拉或下拉電阻的端口，或者選用可以將上拉或下拉電阻關(guān)
閉的端口來進(jìn)行模式切換。
比較圖4中的CP2130驅(qū)動(dòng)方案和圖2中的傳統(tǒng)的解決方案，容易看出：
1．CP2130是自適應(yīng)模式切換的電荷泵，是電流輸出型器件，平均效率高。
2．CP2130外圍僅需幾個(gè)0402封裝的普通電阻電容來設(shè)定和調(diào)節(jié)閃光燈電流，方案板上面積小，實(shí)現(xiàn)成本低。
實(shí)際應(yīng)用的問題
實(shí)際應(yīng)用中閃光燈組件及其聚光鏡的安放對(duì)亮度和效果有一定影響，應(yīng)該綜合廠家的建議和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形，合理設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)注意應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)際散熱情況，散熱不良將導(dǎo)致閃光燈溫度過高，影響壽命。通常應(yīng)對(duì)整機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行老化試驗(yàn)，測(cè)試閃光燈在閃光持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（比如200～300ms）時(shí)，連續(xù)工作（比如閃爍5千次，1萬(wàn)次）情況下是否安全。
另外了解到在有些產(chǎn)品中，將閃光燈通過MOSFET負(fù)載開關(guān)直接連接在電池上，從鋰電池上直接取電來驅(qū)動(dòng)閃光燈。這種方式是很不可取的。由于鋰電池電壓變化范圍很大，這將導(dǎo)致閃光燈亮度差異嚴(yán)重，在電池電壓較低時(shí)，閃光亮度急劇退化。而在電池電壓較高時(shí)，效率低，特別浪費(fèi)電能。因此，一定要選用一塊閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片來管理閃光燈。
小結(jié)
啟攀微電子（Chiphomer）長(zhǎng)久以來，一直致力于開發(fā)滿足客戶真實(shí)需求的產(chǎn)品。其推出了一系列LED驅(qū)動(dòng)芯片，支持各種LED燈連接方式，滿足不同的應(yīng)用需求。
CP2130作為一款并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)芯片，不僅能勝任背光驅(qū)動(dòng)，更能滿足小電流閃光燈的應(yīng)用需求，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，板上面積小，成本低，相比傳統(tǒng)的恒壓輸出驅(qū)動(dòng)解決方案有很大優(yōu)勢(shì)，特別適用作手持設(shè)備的小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)。
小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)要求
鑒于種種原因，市場(chǎng)上大部分手機(jī)、MP4、PDA等產(chǎn)品中的閃光燈是用低亮度、低成本的LED來實(shí)現(xiàn)。這類閃光燈內(nèi)部通常是由幾個(gè)白光LED燈芯組成，有的直接在內(nèi)部并接或串接，只提供2個(gè)連接引腳；有的提供6個(gè)引腳讓用戶在外部自由配置成串聯(lián)或并聯(lián)形式。由于串聯(lián)連接閃光燈需要基于電感的Boost升壓芯片來驅(qū)動(dòng)，電感體積過大以及EMI干擾較嚴(yán)重使其很難在手持設(shè)備中使用，故目前手持設(shè)備應(yīng)用中大多使用并聯(lián)連接的閃光燈。
圖1 幾種典型的閃光燈管芯連接方式
受制于目前LED的工藝水平和價(jià)格，手持設(shè)備應(yīng)用中的閃光燈通常只允許每顆30mA左右的持續(xù)電流和不超過100mA的峰值電流（廠家對(duì)峰值電流的持續(xù)時(shí)間和頻率有嚴(yán)格要求）。由于通過電流較小，閃光時(shí)亮度較低（約為5000mcd），這顯然達(dá)不到專業(yè)相機(jī)閃光燈（多采用氙氣燈）的要求，但因?yàn)長(zhǎng)ED閃光燈成本低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，目前仍然是手持設(shè)備的主要選擇。
實(shí)現(xiàn)閃光燈功能，需要添加一片閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片。不僅要求其能將燈點(diǎn)亮，還要能靈活地設(shè)定工作電流，同時(shí)又要能在Torch模式或Flash模式中方便切換。工作在Torch模式時(shí)，閃光燈持續(xù)發(fā)光，用作手電筒照明或拍攝短片時(shí)背景照明，也可用作黑暗環(huán)境下拍照前的預(yù)閃。而工作在Flash模式時(shí)，則用作拍照時(shí)短時(shí)間閃光，加大曝光量。閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片是否可以靈活的設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流以及方便地進(jìn)行模式切換決定了該芯片的易用性。
傳統(tǒng)解決方案面積大，效率低
在通過較大電流時(shí)，閃光燈管的正向壓降VF（4～4.5V）通常要高于鋰電池的電壓，所以并聯(lián)閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片大都采用Charge Pump升壓技術(shù)，將電池電壓升到一個(gè)較高值來驅(qū)動(dòng)LED。在傳統(tǒng)解決方案中，普遍使用一種恒壓輸出的Charge Pump芯片來驅(qū)動(dòng)小電流閃光燈。如圖2為某典型產(chǎn)品的應(yīng)用方案。該芯片輸出恒定的電壓（4.5V或5V），通過RB限流電阻設(shè)定Torch模式下的電流；而在Flash模式時(shí)，將Flash Gate（N溝的MOSFET）閉合，RB與RF兩個(gè)限流電阻并聯(lián)，等效電阻值降低，導(dǎo)致流過LED燈的電流明顯增大，亮度增加，發(fā)生“閃光”。
圖2 傳統(tǒng)小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
圖2中的解決方案有兩個(gè)明顯缺點(diǎn)：
1，芯片工作在固定2倍升壓模式，恒壓輸出，效率很低。
2．由于Torch和Flash模式下通過LED燈電流較大，限流電阻需要使用0603或0805的封裝，F(xiàn)lash Gate一般也要使用SOT23的封裝。這不僅增加了電路面積，也增加方案成本。
一些改進(jìn)的產(chǎn)品采用了分?jǐn)?shù)電荷泵工作模式，稍微提高了一些轉(zhuǎn)換效率，但依舊使用恒壓輸出，需要外置限流電阻和MOS開關(guān)，仍然無(wú)法克服上述缺點(diǎn)。
CP2130的新型閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
市場(chǎng)上一些專用的閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片可以很好的解決上述問題，但這類產(chǎn)品通常都是專為高達(dá)500mA甚至安培級(jí)電流的閃光燈應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，芯片價(jià)格很高，這使得很多客戶不得不繼續(xù)使用傳統(tǒng)的解決方案。
啟攀微電子（Chiphomer）針對(duì)小電流閃光燈的應(yīng)用現(xiàn)狀，開發(fā)的新產(chǎn)品CP2130，給出了一種全新的閃光燈驅(qū)動(dòng)方案，有效的解決了方案易用性和成本的矛盾。
CP2130是一種1倍，1.5倍自適應(yīng)模式切換的電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)芯片，可支持多達(dá)5顆LED燈的應(yīng)用，支持寬頻率范圍的PWM調(diào)光，驅(qū)動(dòng)電流由ISET腳的RSET電阻設(shè)定，采用小體積（3mm x 3mm）的QFN16封裝。基于Smart Mirror專利技術(shù)，可為各LED通道提供超精確電流匹配。驅(qū)動(dòng)2.8inch LCD背光的典型應(yīng)用方案見圖3。
圖3 CP2130背光驅(qū)動(dòng)方案
CP2130特別設(shè)計(jì)的電流驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)同時(shí)可以滿足小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)需求。其可以保證提供持續(xù)輸出150mA，峰值輸出300mA的驅(qū)動(dòng)能力，滿足了目前大部分手機(jī)、MP4、PDA等產(chǎn)品的小電流閃光燈的驅(qū)動(dòng)需求。典型應(yīng)用圖見圖4。
圖4 CP2130小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)方案
在圖4方案中，EN信號(hào)作為芯片使能。當(dāng)EN為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入Shutdown模式，漏電流極低。當(dāng)EN為高電平時(shí)，芯片處于工作狀態(tài)。GPIO-FLASH用于Torch和Flash模式的選擇切換。
當(dāng)GPIO_FLASH設(shè)定為高阻態(tài)（或者設(shè)定為輸入端口時(shí)），ISET端電阻僅為RSET，此時(shí)設(shè)定在較小的驅(qū)動(dòng)電流上，芯片工作在Torch模式。而當(dāng)GPIO_FLASH輸出低電平時(shí)，ISET端等效電阻為RADJ和RSET兩電阻的并聯(lián)，等效電阻值變小，此時(shí)設(shè)定在較大的驅(qū)動(dòng)電流上，芯片進(jìn)入Flash模式?？梢?，使用GPIO_FLASH的IO信號(hào)可方便的在Torch模式和Flash模式之間切換。
以80mA @ Torch，250mA @ Flash的典型應(yīng)用為例，兩電阻可按如下規(guī)則選擇：當(dāng)輸出80mA時(shí)，5個(gè)輸出并接，相當(dāng)于每路輸出16mA，通過公式1易得RSET為10KΩ； 當(dāng)需要輸出250mA時(shí)，相當(dāng)于每路輸出50mA，通過公式1易得等效RSET為3.1KΩ（實(shí)際RSET與RADJ的并聯(lián)值）；此時(shí)，可推算出RADJ約4.5KΩ，取鄰近的標(biāo)稱電阻即可。
也可以將GPIO_FLASH直接輸出高電平來進(jìn)入Torch模式，輸出低電平進(jìn)入Flash模式。此時(shí)IO控制比較簡(jiǎn)單，但要通過公式2來計(jì)算RSET與RADJ的電阻值，相對(duì)復(fù)雜一些。
公式1和公式2中RSET為ISET引腳端對(duì)地等效電阻值，ILED為設(shè)定的CP2130每路輸出電流值。公式2中各電阻的單位為KΩ，VIO為GPIO_FLASH的IO電壓，單位為V，如低電平為0V，高電平為2.8V。
需要指出的是，用于控制模式切換的GPIO端口內(nèi)部應(yīng)沒有上拉或下拉電阻，否則會(huì)造成實(shí)際電流與按上述公式計(jì)算電流的偏差。用戶可以選擇沒有上拉或下拉電阻的端口，或者選用可以將上拉或下拉電阻關(guān)
閉的端口來進(jìn)行模式切換。
比較圖4中的CP2130驅(qū)動(dòng)方案和圖2中的傳統(tǒng)的解決方案，容易看出：
1．CP2130是自適應(yīng)模式切換的電荷泵，是電流輸出型器件，平均效率高。
2．CP2130外圍僅需幾個(gè)0402封裝的普通電阻電容來設(shè)定和調(diào)節(jié)閃光燈電流，方案板上面積小，實(shí)現(xiàn)成本低。
實(shí)際應(yīng)用的問題
實(shí)際應(yīng)用中閃光燈組件及其聚光鏡的安放對(duì)亮度和效果有一定影響，應(yīng)該綜合廠家的建議和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形，合理設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)注意應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)際散熱情況，散熱不良將導(dǎo)致閃光燈溫度過高，影響壽命。通常應(yīng)對(duì)整機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行老化試驗(yàn)，測(cè)試閃光燈在閃光持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（比如200～300ms）時(shí)，連續(xù)工作（比如閃爍5千次，1萬(wàn)次）情況下是否安全。
另外了解到在有些產(chǎn)品中，將閃光燈通過MOSFET負(fù)載開關(guān)直接連接在電池上，從鋰電池上直接取電來驅(qū)動(dòng)閃光燈。這種方式是很不可取的。由于鋰電池電壓變化范圍很大，這將導(dǎo)致閃光燈亮度差異嚴(yán)重，在電池電壓較低時(shí)，閃光亮度急劇退化。而在電池電壓較高時(shí)，效率低，特別浪費(fèi)電能。因此，一定要選用一塊閃光燈驅(qū)動(dòng)芯片來管理閃光燈。
小結(jié)
啟攀微電子（Chiphomer）長(zhǎng)久以來，一直致力于開發(fā)滿足客戶真實(shí)需求的產(chǎn)品。其推出了一系列LED驅(qū)動(dòng)芯片，支持各種LED燈連接方式，滿足不同的應(yīng)用需求。
CP2130作為一款并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)芯片，不僅能勝任背光驅(qū)動(dòng)，更能滿足小電流閃光燈的應(yīng)用需求，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，板上面積小，成本低，相比傳統(tǒng)的恒壓輸出驅(qū)動(dòng)解決方案有很大優(yōu)勢(shì)，特別適用作手持設(shè)備的小電流閃光燈驅(qū)動(dòng)。
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