可拍照手机的LED闪光灯实现方案

    如今“标准的可拍照手机能提供640×480像素分辨率以实现30万像素的图像大小。在2004年初，当时最先进的可拍照手机提供了1,600×1,200像素的图像――大约200万像素图像大小，而且还能拍摄视频短片及使用可插拔的存储卡，在某些产品中还集成了自动对焦和其它相机功能。某制造商宣布在2005年推出700万像素的可拍照手机。
    结果是如今可拍照手机被当成“正式的数码相机使用，并且消费者期望能够在低光照亮度的条件下拍摄高质量的照片，因此增加一个照明光源并且不会很快耗尽手机电池的需求开始出现。
    现在有两种数码相机闪光灯可供选择：氙气闪光灯管和白光LED。氙气闪光灯由于具有高亮度和白色光的特点，因而广泛用于胶卷相机和独立的数码相机。而大多数可拍照手机则选择了白光LED照明。表1比较了这两种闪光灯。
    氙气闪光灯与LED闪光灯的比较
    LED是电流驱动器件，其光输出由通过的正向电流决定。LED的频闪速度要快于任何其他光源，包括氙气闪光灯，它具有很短的上升时间，范围在10~100ns之间。现在白光LED的照明质量可与冷白色荧光灯媲美，色彩表现指数接近85。
    在多数情况下，LED的最大光输出受其能承受的最大平均正向电流限制，该最大平均电流主要取决于LED芯片/封装的功耗水平以及它所附着的散热片的散热性能。在闪光灯应用中，可以用占空比很小的脉冲电流来驱动LED。这使得在实际脉冲期间电流以及电流产生的光输出显著增加，同时仍然保持LED的平均电流水平和功耗在其安全额定值内。
    与氙气闪光灯相比，LED闪光灯具有更低的功耗，而且驱动电路所占空间很小。此外驱动LED闪光灯不会产生很大的电磁干扰(EMI)。这些优点促成了LED闪光灯在可拍照手机中的应用。而且同一个LED闪光灯还能用作连续的光源，这使得其可用于视频应用以及手电筒功能。图1展示了LED闪光灯是如何整合到可拍照手机中的。
    LED闪光灯如何集成到可拍照手机中
    为可拍照手机闪光灯应用选择LED
    尽管在闪光灯LED领域没有封装和电子上的标准，但是制造商为相机闪光灯应用定义了很多LED零组件。当要在可拍照手机中进行LED闪光灯设计时，需要考虑的准则是：
    1.光学特性；
    2.电子设计简易性和灵活性；
    3.脉冲调制功能；
    4.可以有效级联以得到更高光输出；
    5.散热考虑；
    6.制造和装配考虑。特别是LED模块与可拍照手机使用的制造工艺的兼容性。
    光学特性
    当前在可拍照手机中使用的大多数数码相机模块具有50~60°的视角，需要至少3到5勒克斯(Lux)的亮度以获得好的照片。因此，一个光照角度为50~80°的照相闪光灯是最佳选择。光照角度超过80°将造成一部分光线落到相机覆盖区域之外，从而降低LED光输出的利用率。相反，一个具有更小光照角度的闪光灯可能导致拍摄的照片边角出现暗区。
    现在市场上供应的大多数用于相机闪光灯的LED组件都具有很宽的照明角度。通过二级光学组件可以对该角度进行精细调整，然而这些光学组件有两个主要缺点。首先，由于转换效率的原因，二级光学组件将造成大约12%的光损耗；其次，使用二级光学组件增加了可拍照手机的成本、占用了额外的空间并使制造工艺与设计过程复杂化。
    就安华高科技制造的LED闪光灯模块来说，其弧形设计使LED发出的光集中，形成一个60°的朗伯(Lambertian)辐射模式，从而使得落在典型的相机视场内的光输出强度最大化。
    安华高科技公司的每一个闪光灯模块集成了3个InGaN LED裸片，这些裸片在模块内采用并行连接(HSMW-C830)或者串行连接(HSMW-C850)，每个模块只有阴极和阳极两个端子。这两种方式使用起来各有优缺点(表2)。
    串联LED和并联LED的比较
    易于级联和散热
    安华高科技在设计HSMW-C830和HSMW-C850时，使它们在机械和电子上能够级联。封装特意做得很薄，这样方便设计师将两个模块层叠使光输出倍增，这种组合方式占用空间最小。如果两个模块垂直层叠，其组合后的尺寸只有7.0×4.4mm2。
    大多数LED闪光灯模块采用共阳级方式将LED连在一起。闪光灯模块的串行级联需要驱动器能同时提供高电流和高电压，而将它们并行级联会造成潜在的光输出亮度变化的问题，这是因为在两个模块之间电流可能分配不均匀。HSMW-C850将所有三个芯片串行连接。如果将其级联，只需调节电压，而无需改变驱动电流，从而不会有两个模块接受的电流不同的问题。此外，市场上现有的升压转换器具有高适应电压低电流驱动的特点，而不是高电流驱动低适应电压，因为这样能节省整体功耗。
    LED闪光灯模块在工作期间可能会产生相当高的热量，因此在设计导入过程中必须考虑散热应对措施。大多数手机设计者由于受空间限制，更愿意采用柔性印刷电路板(这种电路板的散热性不好)，而不是FR4 PCB材料。安华高科技的闪光灯模块具有较低的封装热阻，可以有效地释放LED产生的热量。安华高科技公司的闪光灯可以在环境温度+55°C下，以80mA的电流连续5秒照明。
    电路设计
    移动电话中的锂离子电池是电压源，其输出电压随保持的能量大小而变化(通常在2.8~4.2V之间)。因为LED为电流驱动器件，其需要恒流源驱动以获得一致的光输出。电荷泵转换器和电压升压转换器是两种可行的适合于驱动LED闪光灯的DC/DC转换拓扑结构。
    闪光灯照明的必要时间长度由具体相机模块的特定要求决定。只要照明时间不短于模块的成像时间，就不会影响照相效果。一般而言，200~300ms的照明时间就足够了。安华高科技的闪光灯模块在脉宽时间短于200ms的情况下，驱动电流可以达到180mA，提供了10lux的亮度。在连续工作条件下，最大允许电流为80mA，产生大约为6lux的亮度。
    为HSMW-C830闪光灯模块，其并联LED用TPS60230电荷泵IC供电。
    使用电荷泵IC驱动并行连接的LED
    通过从ISET管脚连接一个外部电阻(10kΩ)到地(GND)，经过D1到D6管脚提供了约16mA的恒定电流。LED闪光灯吸收78mA的电流。需要两个1μF和两个0.47μF的外部电容。此外，由电流控制的电荷泵能确保低EMI干扰。
    使能管脚EN1和EN2用来对器件实现使能控制(提供78mA电流的1/3、2/3或全部)，或者将其设置为关断模式，如表3所示。
    使用TPS60230电荷泵IC的使能管脚控制LED电流
    在关断模式下，电荷泵、电流源和参考电压、振荡器和所有其它功能被关闭，消耗的电流降低到0.1μA。
    EN1和EN2上的逻辑电平将ISET管脚上的电压(VISET)设置到地(GND)。电流根据VISET可设置为26mA、52mA或者78mA，如下所示。当EN1=0、EN2=1的时候，则Eq1。
    这里，Eq2，因此Eq3。通过将D1连接到D5，这个器件提供的Eq4。
    EN1和EN2还可以用于脉宽调制(PWM)调低亮度。PWM信号可以加在EN1或EN2上，或者将两个管脚连接在一起来控制LED闪光灯的亮度。采用完全充满的电池时，这个电路可以获得大于85%的电源转换效率。
    显示了用TPS61040作为升压转换器来驱动并联LED。
    使用升压转换器IC驱动并行连接的LED
    通过在FB管脚和GND之间连接一个15Ω的外部电阻，根据反馈电压(VFB=1.233V)，该器件提供80mA的恒定电流。正向电流Eq5。
    该设计允许在输出上使用物理尺寸较小的外部器件(使用陶瓷电容代替钽电容)，这是由于TPS61040提供的开关频率高达1MHz。PWM控制管脚用来控制闪光灯LED的亮度。该电路可以获得85%的电源转换效率。
    通过改变R1和D3的值(见图4)，升压拓扑可以驱动串联的LED(安华高科技HSMW-C850)。
    使用升压转换器IC驱动串行连接的LED
    使用47Ω的接地电阻和1.233V的参考电压，该器件能提供26mA的电流。