智能型DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)大功率白光LED閃光燈

1、智能型DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)大功率白光LED閃光燈FrancescoMACINA、ElgaMARETTO（本文原載于零組件雜志；作者任職于意法半導(dǎo)體MPA線性與接口產(chǎn)品部門）摘要：移動(dòng)電話、PDA與一般的可攜式設(shè)備都必須在小尺寸的限制中滿足持續(xù)增加的功能需求。整合了影像與視訊的相機(jī)正成為可攜式產(chǎn)品最流行的功能需求。而支持相機(jī)的閃光燈功能則是決定效能與功耗的關(guān)鍵。本文將探討如何提升閃光燈功能，并展示一完整的設(shè)計(jì)方案，以說明如何驅(qū)動(dòng)大功率白光LED。閃光燈可攜式裝置的功能整合，例如結(jié) Francesco MACINA、Elga MARETTO （本文原載于零組件雜志；作者任職于意法半導(dǎo)體MPA線性與

2、接口產(chǎn)品部門）摘要：移動(dòng)電話、PDA與一般的可攜式設(shè)備都必須在小尺寸的限制中滿足持續(xù)增加的功能需求。整合了影像與視訊的相機(jī)正成為可攜式產(chǎn)品最流行的功能需求。而支持相機(jī)的閃光燈功能則是決定效能與功耗的關(guān)鍵。本文將探討如何提升閃光燈功能，并展示一完整的設(shè)計(jì)方案，以說明如何驅(qū)動(dòng)大功率白光LED。閃光燈可攜式裝置的功能整合，例如結(jié)合PDA與行動(dòng)電話等等功能，是當(dāng)前正在發(fā)生的最新趨勢。時(shí)至今日，若無法為原本僅能用于接收及發(fā)話的行動(dòng)電話以及一些“史前時(shí)代”的終端裝置添加新功能的話，則整合將是非常難以達(dá)成的目標(biāo)。這包括MP3/MP4播放器；有線（USB與USB-OTG）；紅外線（IrDA）、藍(lán)芽、Wi-Fi

3、、GPS等無線連接；以及最近熱門的數(shù)字視訊廣播等，都是最新的行動(dòng)電話所內(nèi)建的主要、且極具吸引力的功能。然而，目前每一種最新款的手機(jī)，幾乎都已內(nèi)建了大多數(shù)的通用功能，例如可獲取靜態(tài)影像或搭載視訊電話通話功能的高質(zhì)量攝影相機(jī)模塊。過去，由于相機(jī)模塊的影像分辨率相當(dāng)?shù)停虼怂?jīng)常被當(dāng)作簡單的玩具，但現(xiàn)在，相機(jī)模塊的精密度大幅提升，在影像分辨率上已直逼最先進(jìn)的數(shù)字相機(jī)。由于相機(jī)模塊需要能夠在低照明環(huán)境下操作的光源，加上最新的高分辨率相機(jī)需要更高的流明與亮度，因此，內(nèi)建的閃光燈功能提供了重要功能，并推動(dòng)了整體相機(jī)模塊的應(yīng)用。早期內(nèi)建在行動(dòng)電話中的閃光燈僅僅提供娛樂型閃光燈功能，因?yàn)樗鼈兲峁┑呐臄z結(jié)果幾乎

4、與沒有閃光燈相同。為了支持最新的高分辨率相機(jī)，讓最終產(chǎn)品能吸引并滿足終端用戶的需求，其照明功能必須獲得更佳的決定性攝影效能。本文接著將探討兩種實(shí)現(xiàn)閃光燈的不同方法。實(shí)現(xiàn)閃光燈功能目前閃光燈照明共有兩種選擇：(1)閃光燈；(2)LEDs。(圖一)為一個(gè)閃光燈模型。其燈炮是由一個(gè)充滿氙氣的玻璃外殼構(gòu)成。當(dāng)電極被觸發(fā)時(shí)，其正極與負(fù)極都會(huì)注滿氣體，而非連接到燈泡表面。當(dāng)氙氣的電氣阻抗降到極低值的時(shí)候，由大量電流產(chǎn)生的可見光會(huì)從正極流向負(fù)極?？赏高^觸發(fā)電極來實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能。該功能提供了高達(dá)千伏的高電壓峰值，從而將氙氣離子化，并使其成為低阻抗?fàn)顟B(tài)。 (圖一)閃光燈模塊此閃光燈具備高質(zhì)量影像效能所需的杰出特性

5、。其輸出的光照非常密集，而且很容易擴(kuò)散到廣大區(qū)域中。此外，由于閃光燈的色溫大約為55006000K，這與自然光的溫度非常接近，因此無需做任何色彩校正。另一方面，由于輸出的光照牽涉到非常高的能級（energy level），在正極上通常需要數(shù)百伏特，因此需要一些時(shí)間來升高電池電壓，以符合行動(dòng)電話的供電需求。連續(xù)兩次時(shí)間范圍為15秒的閃光功能，所需之標(biāo)準(zhǔn)充電時(shí)間是依照輸入功率、電容值、充電電路特性與所需能源等項(xiàng)目而定。閃光燈的照度可能僅僅是能讓閃光燈成為靜態(tài)影像閃光燈良好解決方案的脈沖，但并不適合視訊應(yīng)用。此外，由于氙氣閃光燈管及其附加的驅(qū)動(dòng)電路對具有空間限制的行動(dòng)電話來說，是相當(dāng)占空間的；同時(shí)，

6、由于觸發(fā)氙氣需要更高且更危險(xiǎn)的電壓，以提供足夠的能源總量來輸出光照，因此必須使用一個(gè)精確但昂貴的設(shè)計(jì)，這些因素都限制了閃光燈在行動(dòng)電話中的應(yīng)用。針對上述原因，行動(dòng)電話制造商逐漸轉(zhuǎn)向采用白光LED做為閃光燈的光源。LED可提供連續(xù)光照，因此相當(dāng)適合在低照明條件下做為視訊電話的閃光燈光源，另外，LED所需的驅(qū)動(dòng)電路也相當(dāng)簡單，而且較閃光燈泡便宜許多。入門級的照相手機(jī)分辨率通常在次百萬（sub-Mega）畫素范圍內(nèi)，這些手機(jī)通常內(nèi)建照明能力相對較低的標(biāo)準(zhǔn)白光LED。正因?yàn)槿绱耍瑹o論是串聯(lián)或是并聯(lián)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)白光LED，都必須提供能獲取影像的最低限度光源，否則所拍攝的影像會(huì)幾乎看不見而無法使用。標(biāo)準(zhǔn)的白

7、光LED具備從3.2V4.5V的標(biāo)準(zhǔn)前向電壓，而驅(qū)動(dòng)它們的單一電源通常在充飽電時(shí)電壓范圍會(huì)達(dá)到4.2V；而在放電時(shí)則會(huì)降低至2.8V2.7V的鋰離子電池。標(biāo)準(zhǔn)的白光LED通常使用步進(jìn)式（升壓）DC-DC轉(zhuǎn)換器或電荷幫浦（Charge Pump）來驅(qū)動(dòng)。兩種解決方案都必須控制穿過LED的前向電流，而此一前向電流與照明強(qiáng)度成正比。本文接著將同時(shí)探討上述兩種方法。步進(jìn)式升壓轉(zhuǎn)換器及電荷幫浦多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)白光LED（通常不會(huì)少于四個(gè)）是以串聯(lián)方式連接，以提供閃光燈功能所需的總光照量。(圖二)展示了采用標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)式轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)LED的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路；而(圖三)則使用了電荷幫浦電路。 (圖二)用于驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)白光LED

8、的步進(jìn)（升壓）轉(zhuǎn)換器電路 (圖三)用于驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)白光LED的電荷幫浦轉(zhuǎn)換器電路兩種參數(shù)會(huì)影響設(shè)計(jì)方案的選擇：電池操作電壓與LED前向電壓。如同前面提到的，今天的行動(dòng)電話采用單一鋰電池供電，電壓范圍為初始的4.2V到結(jié)束時(shí)的2.7V，而用于閃光燈的標(biāo)準(zhǔn)白光LED，其驅(qū)動(dòng)電流范圍通常在數(shù)百mA之間，轉(zhuǎn)換為LED前向電壓后，大約是3.33.5V。但溫度與制程變異也許會(huì)對這些值造成相當(dāng)大的變化。電感式步進(jìn)（step-up；SU）轉(zhuǎn)換器通常用于驅(qū)動(dòng)，它能產(chǎn)生高到足以供給編程電流的輸出電壓，而LED的連接方式最好是串聯(lián)而非并聯(lián)。透過采用這些方法，LED的亮度會(huì)與前向電流成正比，同時(shí)無論前向電壓是多少，所有的

9、LED都能接收到相同電流，因此其匹配度非常好。另一方面，電荷幫浦（CP）會(huì)使用一個(gè)外部飛馳電容（flying capacitor）產(chǎn)生輸入電壓的整數(shù)倍數(shù)。為獲得更多相乘結(jié)果，必須使用額外的飛馳電容與整流器，因此會(huì)將實(shí)際CP的使用限制在2X。一些CP可提供少量倍數(shù)（1.5X）的輸入電壓，但需要使用兩個(gè)飛馳電容。由于2X是適合使用的最大乘法因子，加上考慮到標(biāo)準(zhǔn)前向電壓，CP通常用來驅(qū)動(dòng)使用并聯(lián)支線的白光LED。每個(gè)支線上的電流都可獨(dú)立控制，這將在LED中導(dǎo)致輕微但不可避免的亮度失配。與整數(shù)型CP相比，使用SU轉(zhuǎn)換器的電子效率較高，在整個(gè)電池放電范圍內(nèi)也幾乎是平坦的。CP的分?jǐn)?shù)會(huì)改善CP效率，但它的

10、值與平坦度仍與SU設(shè)計(jì)相距甚遠(yuǎn)。此外，由于采用SU的LED是以串聯(lián)方式連接，因此在SU控制器與LED間只需兩條PCB布線。就設(shè)計(jì)靈活度而言，這是相當(dāng)大的優(yōu)勢。假設(shè)LED的數(shù)量改變，或是這些LED被安裝在各個(gè)相機(jī)閃光燈模塊中，SU也能很容易地適應(yīng)這些變化，而CP的PCB則必須從新設(shè)計(jì)。此外，就兩種解決方案的PCB面積而言，即使更低腳位總數(shù)的SU封裝比CP更小，但由于SU必須使用電感，因此其總PCB面積及厚度都較大。另一方面，這個(gè)外部電感通常較CP所使用的外部飛馳電容更為昂貴。最后，SU轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)噪音也較CP高，在精確的設(shè)計(jì)中，通常必須避免或限制不同區(qū)段間的干擾。然而，凡是LED驅(qū)動(dòng)器拓樸電路，

11、都會(huì)選擇標(biāo)準(zhǔn)白光LED，因?yàn)樗殉蔀槲ㄒ坏氖袌鰬?yīng)用焦點(diǎn)。改善白光LED技術(shù)，以及努力使其滿足市場上更高分辨率相機(jī)需要更佳閃光燈效能的需求，正驅(qū)使部份LED制造商不斷研發(fā)更新的大功率白光LED，以應(yīng)對行動(dòng)電話閃光燈市場的需求，這些解決方案不僅提供了實(shí)用的閃光燈功能與更佳光譜效能，同時(shí)其最主要的作用是取代各式各樣的白光LED。 (圖四)不同閃光燈條件下拍攝的圖像結(jié)果隨著LED閃光燈市場朝大電流方向發(fā)展，CP已難以提供對LED供電時(shí)所需的更大總數(shù)電流，即使它們能夠提供，其整體電氣效能也非常低。此外，由于SU僅能提供較輸入電壓高的輸出電壓，因此無法容納大功率白光LED的前向電壓（考慮所有變動(dòng)條件，標(biāo)準(zhǔn)

12、值約在3.2到4.8V），以及鋰離子電池的寬廣輸入電壓范圍。由于這些原因，許多IC制造商正被要求提供能驅(qū)動(dòng)先進(jìn)大功率LED的全新解決方案。根據(jù)這些需求，市場上也開發(fā)出新的雙模架構(gòu)DC-DC轉(zhuǎn)換器。以下將介紹采用此種雙模架構(gòu)DC-DC轉(zhuǎn)換器的完整相機(jī)閃光燈設(shè)計(jì)。相機(jī)閃光燈設(shè)計(jì)雙模、升/降壓的高頻（1.8MHz）DC-DC轉(zhuǎn)換器，能對單一大功率白光LED供電。如果透過LED的電壓與外部設(shè)定值不同，無論其前向電壓或電池電壓為何，其內(nèi)建的四開關(guān)架構(gòu)配置都能讓DC-DC轉(zhuǎn)換器從降壓模式轉(zhuǎn)換到升壓或降壓-升壓模式，以控制通過LED的前向電流。(圖四)展示了該轉(zhuǎn)換器的不同操作方法，而(圖五)是驅(qū)動(dòng)單一大功率

13、白光LED的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用方案。 (圖五)降壓升壓操作 (圖六)采用STCF02驅(qū)動(dòng)器IC的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用方案電感的選擇由于DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為1.8MHz，因此推薦使用一個(gè)采用高頻核心材料的電感。此外，這個(gè)電感必須具備極低的DCR，以降低傳導(dǎo)損失并在無飽和狀態(tài)下承受峰值電流?；驹瓌t是，1030的全負(fù)載電流是良好的峰值-峰值電感電流（IL）設(shè)計(jì)選項(xiàng)。針對白光LED閃光燈應(yīng)用，則建議采用4.7H的電感值。輸入電容選擇輸入電容對轉(zhuǎn)換器來說代表著低阻抗電壓源，它能協(xié)助過濾脈沖輸入電流（降壓模式）。輸入電容與操作時(shí)的AC電流相等，依照一般的經(jīng)驗(yàn)法則，額定電壓必須高至1.5 VIN（MAX），以應(yīng)對也許會(huì)

14、在瞬變時(shí)發(fā)生的電壓峰值。電壓峰值大部份肇因于等效串聯(lián)電阻（ESR）與等效串聯(lián)電感（ESL），因此必須使用低ESR的陶瓷電容與精確的PCB布局。這意味著輸入濾波電容必須盡可能靠近DC-DC轉(zhuǎn)換器的接腳進(jìn)行連接，以降低PCB布線長度和因此而產(chǎn)生的寄生ESR及ESL。在本設(shè)計(jì)中則采用了一個(gè)10F的SMD陶瓷輸入電容。輸出電容選擇輸出電容必須在負(fù)載瞬變期間內(nèi)提供降壓能源儲(chǔ)存功能，而且必須在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，于電容的充電與放電期間中，透過限制輸出漣波電壓來改善穩(wěn)定狀態(tài)效能。下式提供了穩(wěn)定狀態(tài)下的輸入電壓鏈波（VO）： (公式一)此處的CO、FSW與IO分別代表了輸出電容值、轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率以及輸出電流值。

15、再次強(qiáng)調(diào)，ESR電容必須盡可能低，因此強(qiáng)烈建議使用陶瓷電容，以實(shí)現(xiàn)精確的PCB設(shè)計(jì)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中采用的是4.7F的SMD陶瓷電容。反饋回路補(bǔ)償DC-DC轉(zhuǎn)換器整合了一個(gè)已經(jīng)過補(bǔ)償?shù)腻e(cuò)誤放大器，其頻寬設(shè)定為2.5kHz，這個(gè)值可做為使用外部補(bǔ)償電容的選項(xiàng)。然而，若外部LC濾波器的電極與零值導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，則所有的相位與增益邊沿的波特圖（bode plots）必須使用一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常需要針對補(bǔ)償系統(tǒng)按順序設(shè)計(jì)，如此當(dāng)通過0dB以及相位邊沿為45時(shí)，斜率才會(huì)在-20dB/decade之處。透過LC濾波器導(dǎo)入的雙極值如下所示： (公式二)考慮到由電容器等效串聯(lián)電阻所導(dǎo)入的零值后，可

16、獲得下式： (公式三)此處的RESR是輸出電容的ESR。在升壓模式下，系統(tǒng)會(huì)具有右半面零點(diǎn)（right half plane zero），而這會(huì)導(dǎo)致額外的相位遲滯。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，則必須考慮右半面零點(diǎn)，其值如下式所示： (公式四) (圖七)DC-DC轉(zhuǎn)換器的錯(cuò)誤放大器(圖七)顯示了錯(cuò)誤放大器的內(nèi)部架構(gòu)，在設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)時(shí)，就會(huì)用到這個(gè)架構(gòu)。Z1與Z2的阻抗如下所示： (公式五)由于DC-DC轉(zhuǎn)換器在此設(shè)計(jì)中是做為穩(wěn)定的外部組件之用，因此不必再使用外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。PowerFlashLED本設(shè)計(jì)可使用一個(gè)前向電壓為2.5V3.5V的高效率白光LED?？紤]到各種變化條件，LED的前向電壓范圍必須

17、包含容限、溫度與前向電流。在DC-DC轉(zhuǎn)換器的電流設(shè)計(jì)部份，采用了PWF1 Luxeon閃光燈用LED系列。蕭特基二極管為了在內(nèi)部開關(guān)轉(zhuǎn)換期間改善整體系統(tǒng)效率，建議使用一個(gè)外部蕭特基二極管。在本設(shè)計(jì)中，采用了額定值為1A的二極管。設(shè)定閃光燈電流根據(jù)下列方程式，轉(zhuǎn)換器的閃光燈電流可透過一個(gè)外部電阻（RFLASH）設(shè)定： (公式六)其中：160mA是內(nèi)部參考電壓，而RFLASH則是外部電阻。該參考電壓值必須在電氣損失（IFLASHRFLASH代表功率損失），與操音抑制水平中進(jìn)行折衷（由于多余的內(nèi)部比較器可能被觸發(fā)，因此低參考值可能會(huì)很危險(xiǎn)）。可選擇RFLASH0.27，以獲得IFLASH60mA的

18、結(jié)果。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，一個(gè)SMD厚膜電阻是不錯(cuò)的選擇。由于具有兩個(gè)額外的電流，因此LED的光源強(qiáng)度是可改變的，可選擇中階閃光燈與Torch模式。中階閃光燈模式通常被用來減少紅眼（red-eye）效應(yīng)或用于自動(dòng)對焦。在主要閃光燈之前的一次或多次中階閃光燈照射，將協(xié)助減少人眼視網(wǎng)膜對閃光燈的瞬間反射影響；同時(shí)，為了讓相機(jī)執(zhí)行所需的自動(dòng)對焦調(diào)整功能并避免過熱，LED閃光燈也能以比閃光燈更低的電流被激發(fā)。(圖八)為中階閃光燈電流設(shè)定曲線圖，中階區(qū)域中的直線可用下式計(jì)算： (公式七)此處的RMF是外部電阻。而RMF8200則可用來將中階閃光燈電流設(shè)定為300mA。而Torch模式則可用于影像電話或用于周圍環(huán)境的簡單照明。 (圖八)中階閃光燈電流 Vs. RMF（作為IFLASH的百分比）Torch模式的電流電平可用以下相關(guān)程序設(shè)定： (公式八)250mA的torch電流是可編程的，因此必須設(shè)定RTORCH0.37。偵測LED溫度若LED增加的溫度超越其最大可容許的接