手机相机的LED闪光灯驱动电路
时间：04-13
来源：EDN
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每年市场上都要新增几百款手机，这些手机的基本功能都一样，那就是通信。手机的周边设计是增加手机附加功能、增加手机卖点以及新利润点的主要途径。不同手机的区别主要住于外围功能，譬如外观、屏幕颜色亮度、多媒体功能、蓝牙、照相机功能等。手机集成照相机功能是现在手机设计的必然趋势，手机相机的像素也越来越高。为获得更好的图像效果，手机相机的闪光灯功能也变得越来越重要。
目前的手机相机主要采用 LED闪光灯。闪灯用的LED只需要3.5～4.5V直流电压、120～250mA电流就可以发出2000～7500mcd的高亮度光。LED低压闪光灯电路简单、高效、省电，而且成本低、PCB面积小，特别适用于手机、数码相机和手持设备，很受手持影像产品市场的青睐。
LED闪光灯驱动控制正向电流方案
根据驱动电路的输出特性，LED闪光灯的驱动电路可分为恒压型和恒流型；按电路工作原理，可以分为升压电路和电荷泵电路。
LED是电流驱动型器件 ，其亮度与电流成比例关系。在恒压型驱动电路中，往往有一个电阻与LED串联，用来确定产生预期正向电流所需向LED提供的电压。这种方式有一个缺点，即LED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化，从而无法保证流过LED的电流等于预设值，也就无法确保LED的亮度恒定。
在恒流型驱动电路中，通过检测串联在LED上电阻的电压来保证流过LED的电流恒定。这种方式可以消除正向电压变化所导致的电流变化，因此可产生固定的LED亮度。
由于手机电池电压的工作范围一般为3.6V～4.2V，而LED的正向电压一般为3V～4V，所以存低电压输入、高电压输出的时候，必须采用升压电路将电压升高以驱动LED。闪光灯驱动一般采用两种方式升压，一种是采用电感作储能元件的升压电路，另一种是采用电容作储能元件的电荷泵。
升压电路采用电感作为储能元件，其优点是效率相对较高。图l给出了升压电路的原理图。
现在市场的LED闪光灯驱动控制器都集成了控制电路和升压开关管，但是电感和用于续流的肖特基二极管还是外接的，这增加了电路的复杂性、成本和PCB面积。此外，由于闪光灯驱功电路、LED、显示屏、手机天线一般位于手机上端，与手机的射频电路靠得很近，所以有效防止驱动电路电感的EMI干扰也是很重要的问题。
电荷泵采用电容作储能元件，电荷泵不需要外接电感，因此不存在电磁干扰的问题。此外，整个解决方案所占PCB的面积也较小，但相对来说效率较低。由于闪光灯工作时间非常短，持续时间一般为100～300ms，所以效率对电池使用时间的影响不是太大。
LED闪光灯驱动电路设计
Sipex公司的基于电荷泵工作模式的闪光灯驱动芯片，SP6686、SP6685和SP7685支持的闪光灯电流分别为400mA、700mA和1.2A。由于它们的开关频率高达2.4MHz，所以输入输出电容和电荷泵电容的容值都可以选择比业内其产品低。这三款产品都脚对脚兼容，仅仅是电流的最大值不同。下面以SP6685为例讨论这些产品的特性和应用，图2是SP6685的应用电路图。
Sipex闪光灯驱动器系列产品的外围电路非常简单，仅仅需要三个电容两个电阻，其中Rsense和RSET来设置闪光模式和常亮模式的LED电流。
1.SP6685的常亮模式：
SP6685为恒流型驱动芯片，在常亮模式下FB管脚的电压50Mv(典型值)，这样LED上的电流为:
ILED=50mV/Rsense
需要指出的是，由于FB的电压为50mA，所以即使通过满载200mA电流,Rsense消耗的功率为：
Rsense=50mV×200mA=0.01W
由此可见，仅用0603封装的SMD电阻就可以满足要求。但在恒压输出工作模式的驱动电路中，限流电阻必须选择较大的封装。LED的正向电压一般为3V∽4V，当输出电压为5V时，加在限流电阻上的电压为1V∽2V，假设闪光灯电流200mA,则限流电阻的功耗为：
PR=U×I=(1V∽2V)×0.2A=0.2W∽0.4W
这时必须采用4个1206封装的贴片电阻。相比采用一个0603电阻的SP6685，其PCB面积大大增加。
与恒压输出的电荷泵相比，SP6685具有效率方面的优势。电荷泵的效率η取决于输入电压Vin LED的正向电压Vf和升压倍数K(1X,1.5X,2X),其方程式为：
η=Vf / (Vin×k)
由于手机电池的工作范围3.6V∽4.2V，当输出电压为5V时，电荷泵必须工作在升压模式下，即K必须为或者2。而实际上，当输入电压高于LED正向电压Vf一定幅值时，电荷泵可以工作在1X模式下，这时的功率将大大超过1.5X和2X模式下的效率。
2.SP6685的闪光模式：
SP6685的闪光模式下的FB电压由RSET决定，计算公式如下：
VFB=(1.26V×RSET)×11.2kΩ
其中，1.26V是芯片内部参考电压，使内部限流电阻。这样，LED上的电流为：
ILED=VFB/Rsense
由于LED的电流不通过RSET，所以几乎不消耗功率，可以选择0603或者0402封装的电阻。在整个闪光灯驱动电路方案中，仅需要两个封装的电阻和三个0805封装的电阻，所需的PCB面积为5.4×3mm，具有业内最小体积。
综合所述，Sipex公司的闪光灯驱动系列产品具有很多优势，包括：采用电流控制模式，可以精确控制LED上的电流和亮度；外围器件最少，所需封装最小；开关频率最高，可以选择较小容值的滤波电容和电荷泵电容；
不需要电感，不会产生EMI干扰问题；可以工作在1X模式下并且反馈电压低至50mV，所以SP7685/6685/6686的效率在采用电荷泵模式的芯片中为最高；SP7685内置Timeout功能，在闪光模式下2.5秒后自动关机，从而保护LED，以免LED过热；提供业内最大驱动电流(达1.2A)，并有700mA、400mA不同等级的驱动芯片供选择。
目前的手机相机主要采用 LED闪光灯。闪灯用的LED只需要3.5～4.5V直流电压、120～250mA电流就可以发出2000～7500mcd的高亮度光。LED低压闪光灯电路简单、高效、省电，而且成本低、PCB面积小，特别适用于手机、数码相机和手持设备，很受手持影像产品市场的青睐。
LED闪光灯驱动控制正向电流方案
根据驱动电路的输出特性，LED闪光灯的驱动电路可分为恒压型和恒流型；按电路工作原理，可以分为升压电路和电荷泵电路。
LED是电流驱动型器件 ，其亮度与电流成比例关系。在恒压型驱动电路中，往往有一个电阻与LED串联，用来确定产生预期正向电流所需向LED提供的电压。这种方式有一个缺点，即LED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化，从而无法保证流过LED的电流等于预设值，也就无法确保LED的亮度恒定。
在恒流型驱动电路中，通过检测串联在LED上电阻的电压来保证流过LED的电流恒定。这种方式可以消除正向电压变化所导致的电流变化，因此可产生固定的LED亮度。
由于手机电池电压的工作范围一般为3.6V～4.2V，而LED的正向电压一般为3V～4V，所以存低电压输入、高电压输出的时候，必须采用升压电路将电压升高以驱动LED。闪光灯驱动一般采用两种方式升压，一种是采用电感作储能元件的升压电路，另一种是采用电容作储能元件的电荷泵。
升压电路采用电感作为储能元件，其优点是效率相对较高。图l给出了升压电路的原理图。
现在市场的LED闪光灯驱动控制器都集成了控制电路和升压开关管，但是电感和用于续流的肖特基二极管还是外接的，这增加了电路的复杂性、成本和PCB面积。此外，由于闪光灯驱功电路、LED、显示屏、手机天线一般位于手机上端，与手机的射频电路靠得很近，所以有效防止驱动电路电感的EMI干扰也是很重要的问题。
电荷泵采用电容作储能元件，电荷泵不需要外接电感，因此不存在电磁干扰的问题。此外，整个解决方案所占PCB的面积也较小，但相对来说效率较低。由于闪光灯工作时间非常短，持续时间一般为100～300ms，所以效率对电池使用时间的影响不是太大。
LED闪光灯驱动电路设计
Sipex公司的基于电荷泵工作模式的闪光灯驱动芯片，SP6686、SP6685和SP7685支持的闪光灯电流分别为400mA、700mA和1.2A。由于它们的开关频率高达2.4MHz，所以输入输出电容和电荷泵电容的容值都可以选择比业内其产品低。这三款产品都脚对脚兼容，仅仅是电流的最大值不同。下面以SP6685为例讨论这些产品的特性和应用，图2是SP6685的应用电路图。
Sipex闪光灯驱动器系列产品的外围电路非常简单，仅仅需要三个电容两个电阻，其中Rsense和RSET来设置闪光模式和常亮模式的LED电流。
1.SP6685的常亮模式：
SP6685为恒流型驱动芯片，在常亮模式下FB管脚的电压50Mv(典型值)，这样LED上的电流为:
ILED=50mV/Rsense
需要指出的是，由于FB的电压为50mA，所以即使通过满载200mA电流,Rsense消耗的功率为：
Rsense=50mV×200mA=0.01W
由此可见，仅用0603封装的SMD电阻就可以满足要求。但在恒压输出工作模式的驱动电路中，限流电阻必须选择较大的封装。LED的正向电压一般为3V∽4V，当输出电压为5V时，加在限流电阻上的电压为1V∽2V，假设闪光灯电流200mA,则限流电阻的功耗为：
PR=U×I=(1V∽2V)×0.2A=0.2W∽0.4W
这时必须采用4个1206封装的贴片电阻。相比采用一个0603电阻的SP6685，其PCB面积大大增加。
与恒压输出的电荷泵相比，SP6685具有效率方面的优势。电荷泵的效率η取决于输入电压Vin LED的正向电压Vf和升压倍数K(1X,1.5X,2X),其方程式为：
η=Vf / (Vin×k)
由于手机电池的工作范围3.6V∽4.2V，当输出电压为5V时，电荷泵必须工作在升压模式下，即K必须为或者2。而实际上，当输入电压高于LED正向电压Vf一定幅值时，电荷泵可以工作在1X模式下，这时的功率将大大超过1.5X和2X模式下的效率。
2.SP6685的闪光模式：
SP6685的闪光模式下的FB电压由RSET决定，计算公式如下：
VFB=(1.26V×RSET)×11.2kΩ
其中，1.26V是芯片内部参考电压，使内部限流电阻。这样，LED上的电流为：
ILED=VFB/Rsense
由于LED的电流不通过RSET，所以几乎不消耗功率，可以选择0603或者0402封装的电阻。在整个闪光灯驱动电路方案中，仅需要两个封装的电阻和三个0805封装的电阻，所需的PCB面积为5.4×3mm，具有业内最小体积。
综合所述，Sipex公司的闪光灯驱动系列产品具有很多优势，包括：采用电流控制模式，可以精确控制LED上的电流和亮度；外围器件最少，所需封装最小；开关频率最高，可以选择较小容值的滤波电容和电荷泵电容；
不需要电感，不会产生EMI干扰问题；可以工作在1X模式下并且反馈电压低至50mV，所以SP7685/6685/6686的效率在采用电荷泵模式的芯片中为最高；SP7685内置Timeout功能，在闪光模式下2.5秒后自动关机，从而保护LED，以免LED过热；提供业内最大驱动电流(达1.2A)，并有700mA、400mA不同等级的驱动芯片供选择。
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