驱动高功率LED相机闪光灯

作者：Christophe Vaucourt，德州仪器 (TI) 便携式电源系统工程师

拍照手机的质量正不断提高，其中包括更高的分辨率、更佳的焦距、功能增强的图像处理软件以及防抖动等特性。然而比较落后的一方面是在低光照环境中拍摄照片时的闪光灯电能。许多手机由于提供了一个低电流 LED 拍照闪光或快闪，因而性能大打折扣，就低光照条件下获得可接受图像质量的照片而言，这样的光能是远远不够的。

要想成为一种实用的快闪技术，光源就必须能够在一定的目标范围内提供足够的亮度（例如：>50lux @ 1m）。业界一流的高功率、高亮度白光 LED 技术可实现这一目标—— 每个芯片的驱动电流高达 1500mA。

功能整合的手机设备将越来越受市场的推崇，因此呈现出了对小型化、通用灵活性、外形尺寸以及上市时间的不断需求。为了满足这些需求，TI 推出了一系列易于设计、且优化的高功率 LED 闪光灯驱动器 (TPS61050/2/4)。这些器件具有不到 25mm2 的解决方案尺寸，并且能够为 LED 提供高达 5W 的电能。

图 1 TPS61050 应用概述

在采用单体锂离子 (Li-Ion) 电池的便携式应用中，白光 LED 两端压降与电流调节器两端净空电压 (headroom voltage) 的和可以低于或高于电池电压。这就是说 LED 驱动器拓扑应该能够处理降压和升压运行模式。

实施降压转换最简单的方法是利用一个线性低侧电流调节器。这种方法的优势在于成本低且高效率，因为 LED 正向电压通常会稍微低于额定的电池电压。

本文将解决 LED 相机闪光灯应用及相关的难题，其中包括：高功率 LED 驱动器架构、电池电流以及压降。

不管厂商、型号、尺寸或功率如何，所有的 LED 都是在恒流驱动时性能最佳。以流明为单位的光输出与电流成正比，因此 LED 厂商规定了其器件在规定正向电流 IF 时的诸多特性（例如：光度、色温等）。高功率 LED 会呈现出一个陡峭的 I-V 曲线，因此以恒定电压驱动 LED 可导致明显且几乎无法预计的正向电流变化。

TPS6105x 产品采用一个 2-MHz 恒定频率、电流模式脉宽调制 (PWM) 转换器生成驱动高功率 LED 所需的输出电压。该器件集成了一个基于 NMOS 开关的功率级和一个同步 NMOS 整流器。此外，该器件还实施了一个线性低侧电流调节器，以在电池电压高于二极管正向电压时控制 LED 电流。

图 2 TPS61050 功能结构图

出于简化和减少芯片面积占用的目的，我们使用了低侧电流检测电路，该电流检测电路基于一个设计旨在饱和区域运行的有源电流镜。该器件根据电流阱两端的压降将自动在线性降压模式和具有最低 250mV 检测电压的电感升压模式之间转换。

这种架构的优势在于在所有的 LED 电流和电池电压条件下其效率都非常高，因为可以将输入电压升压至 LED 正向电压与电流阱净空电压之和。

电流检测的挑战在于精确和高效率，这是两个相互冲突的方面。电流检测/调节电路两端的净空电压越低，节约的电能就越多，但是这是以噪声灵敏度为代价的。

图 3 典型的效率

由于拍照手机应用中 LED 闪光功能使用的不那么频繁，这样一来我们就有了使用电感功率级来实现其他功能的想法。TPS6105x 器件不仅可以起到稳压电流源的作用，而且还可起到标准升压稳压器的作用。电压模式运行既可通过软件命令完成，也可通过硬件信号 (ENVM) 完成。

当为系统中其他高功率器件供电时（如 LED 驱动器、免提音频功率放大器或其他任何需要电源电压高于电池电压的组件），为了适当同步转换器该增加的运行模式可能会非常有用。

图 4 白光 LED 闪光灯驱动器和辅助照明区电源

为了支持 LED 电流调节或输出电压调节，TPS6105x 器件实施了一种全新的多功能调节方案（请参见图 2），该方案实现了在两个控制环路间的无缝即时转换。

在效率计算中将要用到的输出功率关系为 PLED = VF x IF。LED 驱动效率（即电气 LED 功率与电池功率的比）等于：

图 5 效率与输入电流的关系

就一个给定的 LED 电流而言，正向电压会随着过程和温度的不同而不同。这就是说从电池功率到光输出的转换效率会发生变化而亮度却依然保持不变，这是因为亮度只取决于电流。

因此，效率并不是评估功耗的一个充分的参数指数 (figure of merit)。我们必须要考虑的是电池电流与 LED 亮度的关系，即 LED 电流。就一个给定的 LED 亮度而言，输出功率才是电池输出能量多少的真正标尺。

向电池施加一个大负载时，开路电池电压就会被压降扭曲，该压降是由于电池组内部阻抗引起的。电池阻抗很大程度上取决于下列参数：

• 内部电池阻抗。崭新的锂离子电池的阻抗为 c.a. 5070m。各个电池的阻抗是不尽相同的，根据生产批次的不同阻抗变化大约为 15%。
• 松弛效应。应用/去除脉冲负载后电池压始终在不停地变化。
• 温度。电池阻抗与温度有着密切的关系，温度每下降 10C 阻抗就会增加 50%。
• 充电状态。内部阻抗取决于充电状态 (SoC)，并在放电结束时内部阻抗增加。
• 保护电路。锂离子电池组具有与电池串联的背对背保护 MOSFET，其电阻范围为 c.a. 5070m。
• 连接器。通常电池组通过一对弹簧连接器（每个连接器都有 25m 的 DC 电阻）与系统相连接。
  

从电气角度来说，电池通常只是一个电压源，或者是一个与代表电池内部阻抗的电阻器串联的电压源。为了正确表述电池瞬态行为，我们应该使用一个等效电路，而非只是电阻。.

当电池完成充电或放电后，其开路电压就会发生变化。因此，从电气角度来看其可以被看作是一个具有可变电容值 (CO) 的电容器。

图 6 中，RA 和 RC 为相应阴极和阳极的总扩散、传导和电荷转移电阻。CA 和 CC 为表面电容。RSER 为包括电解物、电流集电器以及金属丝电阻在内的串联电阻。

图 6 电池等效电路

每个级都与其时间常数相关联，这会导致复杂的电气行为。

图 7 900mAh、锂离子电池瞬态响应与 SOC 和温度的关系

如图 7 所示，虽然电池电压对电流阶跃的响应被延迟了，但经过一段时间后，其开始接近具有一个串联电阻器的电容行为。电流终止以后，电池电压不会立即返回到无电流状态。相反，其会慢慢增加直到最后其达到等效电容器电压电平为止，这就是开路电压。

即使是在电池容量不足的情况下，高内部阻抗两端的压降也会导致系统达到其截止电压以及“低电池电量”指示器触发。结果，移动设备复位和/或停止工作。计算相机引擎截止电压和最大 LED 闪光电流电平时，我们应充分考虑这一因素。

在基于 TDMA 的系统中（如 GSM/GPRS 手机），RF 功率放大器 (PA) 也可从电池拉出高峰值电流。TPS61050 器件集成了一个通用 I/O 引脚 (GPIO)，该引脚既可以被配置为一个标准的逻辑输入/输出，也可以被配置为一个快闪掩码输入 (flash masking input) (Tx-MASK)。

这一消隐功能将 LED 从相机闪光变为了手电筒光，因而几乎瞬时降低了电池的峰值电流负载。该系统级特性通过避免两个高功率负载（PA 和快闪 LED）同时开启阻止了手机关机。

在手机应用中，我们通常规定相机引擎在一个低至 0C 或 -10C 的温度工作。为了实现稳定的系统运行，LED 快闪电流需要根据最大容许电池压降（即最高的电池阻抗，最低的环境温度）进行调节。

为了动态优化 LED 快闪电流（即光输出）与电池充电状态和温度的关系，我们可以考虑使用下列自调节程序。这种算法可以被嵌入到自动曝光白平衡或防红眼预闪算法中去。

LED 正向电压“催化”特性——在相机引擎生产测试时进行。

LED 正向电压 (VF) 的一阶近似可以由集成的 3 位 A/D 转换器完成。

就三次不同的快闪电流（200mA、500mA 以及 1000mA）而言，只执行三次短暂的快闪选通脉冲（10 分之几毫秒就足够了）。

这些数据有助于我们更精确地估计LED相比快闪电流真正的电气功率。

图 8 LED 正向电压近似

在一个高功率快闪选通脉冲中，电池电压通常会下降数百毫伏。就短时间高功率快闪选通脉冲而言，该电压下降受电池本身的电容（即松弛效应）影响不是很大，而是受其电池阻抗的影响。

图 9 脉冲 LED 运行时的图像捕获顺序

相机和/或基带引擎通常可以在快闪选通脉冲之前和快闪选通脉冲结束时对电池电压进行测量。凭借这一信息系统就可以计算出大概的电池阻抗，具体如下：

根据实际的 LED 电气特性、中频电池阻抗、充电状态以及温度信息，相机引擎软件可以动态地优化 LED 快闪电流以避免电池崩溃的危险。

Christophe Vaucourt 现任 TI（德国）系统工程师，他在 TI 工作超过 7 年，主要负责新产定义以及低功耗 DC/DC 转换器应用支持工作。加盟 TI 之前，他就职于 Alcatel 公司，任互联网屏幕电话设备电源设计师。他毕业于国立高等工业物理化学学院 (Ecole National Superieure de Physique de Strasbourg（法国）)，获电子工程理学士学位。

这芯片之前还看过，可惜大电流时间有点短

加上这些成本上去了；