驱动高功率 LED 相机闪光灯

引言

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。

LED 相机闪光灯驱动器拓扑

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。

LED 电源、电池电流以及电压下降

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. 50~