- 詳解針對(duì)移動(dòng)電話的閃光燈LED驅(qū)動(dòng)器
- 從電池中擠壓出最佳的光通量
- 利用TPS61310電影照明/閃光燈驅(qū)動(dòng)器
LED 已經(jīng)成為移動(dòng)電話中電影照明和相機(jī)閃光燈的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。對(duì)于更高畫(huà)質(zhì)和更高分辨率的需求,要求更亮的閃光燈 LED 解決方案。所面臨的挑戰(zhàn)是如何通過(guò)實(shí)現(xiàn)最高效率的解決方案來(lái)從電池中擠壓出最佳的光通量。這樣一來(lái),從電池吸收大電流的運(yùn)行,要求具備許多省電運(yùn)行特性以及一種穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文將介紹一種系統(tǒng)層閃光燈 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì),以及能夠確保系統(tǒng)安全運(yùn)行和集成的一些特性。
高效的相機(jī)閃光燈 LED 驅(qū)動(dòng)
高分辨率相機(jī)在最低光照環(huán)境下,要求有高亮度的閃光來(lái)完成照相??蛻粢筇峁┮环N閃光燈解決方案作為手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功能。安裝閃光燈的移動(dòng)電話已經(jīng)成為一種有吸引力的賣點(diǎn)。這種特性需要高光通量,從而給高效 LED 驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
移動(dòng)電話中閃光燈 LED 的高正向電壓和電流以及給定的電池電壓,讓升壓轉(zhuǎn)換器成為最佳的解決方案。驅(qū)動(dòng)大電流時(shí),基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)出令人滿意的效率。LED 必須為電流驅(qū)動(dòng),因?yàn)檎螂妷翰粌H僅隨溫度而變化,而且也有其自身的差異。正向電壓的這種變化源自于其生產(chǎn)過(guò)程,其變化范圍為 ±20%,請(qǐng)參見(jiàn)圖 1。
圖2使用外部電流檢測(cè)電阻的簡(jiǎn)單LED 驅(qū)動(dòng)方法
對(duì)升壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓進(jìn)行控制,以匹配通過(guò)外部電阻檢測(cè)的設(shè)定 LED 電流。不幸的是,這樣做會(huì)讓設(shè)計(jì)人員背離要從電池提供的有限電能中擠壓出最高光通量的目標(biāo)。外部電流檢測(cè)電阻帶有高功耗,其大小受到控制,目的是在低電流狀態(tài)下也可以提供可用的裕量電壓,從而為持續(xù)的電影照明提供驅(qū)動(dòng)。另一方面,如果電流增加,則電流檢測(cè)電阻的壓降升高,帶來(lái)大量的功耗。另外,具有理想功耗額定值的高精度電阻較昂貴,且會(huì)增加解決方案的體積,從而每條 LED 通道都要求一個(gè)電阻。
因此,更好的解決方案是一個(gè)集成在 LED 驅(qū)動(dòng)器中的有源電流阱或者電流源,如圖 3 所示。我們可使用一種壓降和由此產(chǎn)生的功耗都得到降低的方法對(duì)內(nèi)部電流檢測(cè)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié),具體調(diào)節(jié)情況取決于 LED 電流的大小。如果為低 LED 電流,則壓降可以維持足夠的高以獲得精確的檢測(cè)信號(hào)。
圖3使用自適應(yīng)電流阱和檢測(cè)的改進(jìn)型LED 驅(qū)動(dòng)方案
電流阱不僅僅檢測(cè) LED 電流,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電阻,其還可以對(duì) LED 電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。所產(chǎn)生的電流阱壓降作為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓所需的信息,旨在任何電流電平下都能夠?qū)⒐目刂圃谝粋€(gè)可接收的最低限度。
圖4有源電流檢測(cè)與電阻式電流檢測(cè)比較
圖 4 顯示了使用一個(gè) 1Ω 電阻檢測(cè)電流和使用一個(gè)調(diào)節(jié)至 400mv 壓降的有源電流檢測(cè)方法之間的比較情況。受益于低功耗,有源電流檢測(cè)方法明顯有助于更高的系統(tǒng)效率。
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從電池?cái)D壓出光通量
過(guò)去,RF PA 從移動(dòng)電話電池吸取最高的脈沖電流。隨著過(guò)去 5 年間多功能手機(jī)的發(fā)展,處理器供電和本文重點(diǎn)介紹的閃光燈 LED 供電吸取了最高的電流。例如,如果要驅(qū)動(dòng) 1.5A 的 LED 電流,從電池吸取的電流可高達(dá) 3A,這是因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器的電壓比。如此高的電流會(huì)使電池電壓急劇下降。欠壓閾值檢測(cè)機(jī)制會(huì)防止系統(tǒng)在這種情況下出現(xiàn)故障。在閃光燈開(kāi)啟時(shí)由于低電池電壓電話會(huì)徹底關(guān)機(jī),這是一種非常糟糕的用戶體驗(yàn)。常用的解決方案是在低電池電壓狀態(tài)時(shí)讓相機(jī)軟件關(guān)閉閃光燈,相比之下不使用閃光的用戶體驗(yàn)還不至于太壞。PMIC 提供的緩慢電池電壓信息刷新率、電池溫度和老化效應(yīng)以及更嚴(yán)重的不準(zhǔn)確性放寬了安全的界限。
如果閃光燈驅(qū)動(dòng)器本身能夠防止電池電壓下降過(guò)多,那么就可以保持較小的安全界限。通過(guò)使用一個(gè)受控轉(zhuǎn)換率升高 LED 電流,并在上升期間持續(xù)監(jiān)控電池電壓可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
TI 擁有一種監(jiān)控電池電壓的閃光燈驅(qū)動(dòng)器技術(shù)。要獲得穩(wěn)定的 LED 電流波形并且避免過(guò)多的電池壓降,閃光燈驅(qū)動(dòng)器要主動(dòng)控制 LED 電流上升/下降順序。在上升階段(上升斜率為 25mA/12µs),要對(duì)輸入電壓進(jìn)行監(jiān)控。如果輸入電壓降至某個(gè)設(shè)定閾值以下,則器件即刻停止讓 LED 電流進(jìn)一步上升至該設(shè)定閾值,并將閃光燈電流保持在實(shí)際電平,參見(jiàn)圖 5。
圖5電池壓降監(jiān)控
安全系統(tǒng)集成
驅(qū)動(dòng)高脈沖電流時(shí),聚光燈為安全無(wú)故障運(yùn)行。移動(dòng)電話廠商迫切要求一種無(wú)縫系統(tǒng)集成解決方案。因此這就要求一種特性集,而不僅僅是標(biāo)準(zhǔn)安全運(yùn)行特性,例如:電感電流限制、欠壓保護(hù)等。TPS61310 閃光燈 LED 驅(qū)動(dòng)器擁有這種特性集,可以用于這種高要求的運(yùn)行。
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LED故障檢測(cè)
不僅僅在生產(chǎn)過(guò)程中,在器件運(yùn)行期間也必須檢測(cè)到 LED 短路,以避免出現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)。檢測(cè)這種狀態(tài)的一種方法是強(qiáng)制幾毫安的電流正向流動(dòng)。這種電流可以在亞照明范圍測(cè)試 LED,因此終端用戶不會(huì)察覺(jué)到亮度。但是這種方法有一些缺點(diǎn):LED 廠商通常不會(huì)測(cè)試亞照明范圍。由于生產(chǎn)的工藝差異,不僅在 LED 類型之間即使在單個(gè) LED 類型中都存在巨大的不準(zhǔn)確性差異。這可能會(huì)帶來(lái)漏檢測(cè)某個(gè)短路 LED,或者偽錯(cuò)誤檢測(cè)。TPS61310 則不一樣。如果一個(gè)或者多個(gè) LED 工作時(shí)出現(xiàn)短路狀態(tài),低側(cè)電流阱 LED1、LED2、LED3 便按照視頻照明模式或者閃光燈模式各自的設(shè)定,限制最大輸出電流,增加其輸入電阻來(lái)防止吸取電流過(guò)多。另外,這一過(guò)程受到監(jiān)控,并且通過(guò) I2C 接口將短路 LED 狀態(tài)反映給生產(chǎn)期間的測(cè)試設(shè)備,或者反映給工作中的相機(jī)引擎。利用類似方法,也可以對(duì)開(kāi)路狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。
過(guò)溫檢測(cè)
一種吸引人的移動(dòng)電話產(chǎn)品設(shè)計(jì)在某些情況下卻并不符合最佳熱設(shè)計(jì)要求。高功耗閃光燈 LED 具備有限的允許脈沖處理能力。如果電話暴露在高溫下,和/或由于前面的閃光操作 LED 溫度上升,電容式熱敏電阻可能會(huì)無(wú)法處理 LED 功率損耗,從而導(dǎo)致 85°C 以上高溫下發(fā)光效率的不可逆下降,使用壽命縮短,甚至熄滅。為了消除散熱設(shè)計(jì)和功能/誘人設(shè)計(jì)急需之間的差距,TPS61310 允許使用一個(gè) NTC 檢測(cè)電阻測(cè)定一個(gè)或多個(gè) LED 溫度。如果超出關(guān)鍵溫度,則通過(guò)軟件降低 LED 開(kāi)/關(guān)時(shí)間脈沖比,從而讓 LED 可以在閃光燈工作間隙冷卻下來(lái)。這種特性也可以用作手指燙傷保護(hù)功能。
TPS61310 芯片溫度也同樣受到監(jiān)控。除了標(biāo)準(zhǔn)的熱關(guān)機(jī)功能以外,TPS61310還可以向相機(jī)引擎提供早期預(yù)警功能,以避免熱關(guān)機(jī)功能被意外觸發(fā),從而為器件冷卻提供空間。
TPS61310電影照明/閃光燈驅(qū)動(dòng)器
TPS61310 能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè) 1.5A 的單、雙或者三閃光燈 LED 應(yīng)用。諸如電池電壓監(jiān)控、省電運(yùn)行功能、可靠 LED 短路檢測(cè)的專有特性讓其成為閃光燈驅(qū)動(dòng)和電影照明的簡(jiǎn)單集成解決方案。通過(guò)高速 I2C I/F 實(shí)現(xiàn)可編程以后,器件擁有最高的跨平臺(tái)設(shè)計(jì)靈活性。作為一種選項(xiàng),專用邏輯輸入可用于零延遲觸發(fā)。2x2mm2 芯片級(jí)封裝以及無(wú)需通過(guò)外部組件編程設(shè)定電流或閃光燈導(dǎo)通時(shí)間帶來(lái)了極小的解決方案體積。
本文是針對(duì)移動(dòng)電話的閃光燈LED驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)方案而討論的,本文介紹了系統(tǒng)層閃光燈 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案,以及其能夠確保系統(tǒng)安全運(yùn)行和集成的一些特性。通過(guò)本文,我們認(rèn)識(shí)到一種新的技術(shù)知識(shí),那就是移動(dòng)電話的閃光燈LED驅(qū)動(dòng)器,對(duì)于這方面的應(yīng)用,我們生活中層出不窮,細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)知識(shí)的價(jià)值所在。