如何選擇白光LED閃燈驅(qū)動器

在手機市場中，將高像素的圖像處理器整合至手機當中已差不多成為了標準配備方式。隨著這些圖像處理器的分辨率日益提高，業(yè)界亦提高對高亮度閃光燈的需求。氙氣閃光燈泡向來都是數(shù)字照相機的主要照明選擇，但對于移動手機市場來說，在電路板上可供用來安置非電話功能組件的空間實在有限，以致體積較大的氙氣燈方案顯得不切實際。幸好手機制造商最近在高功率白光二極管上有重大的技術(shù)突破，現(xiàn)今白光LED閃燈二極管的制造商已經(jīng)推出了光輸出超過70流明的產(chǎn)品，并且可應付超過或相當于1A的脈沖電流。但這些技術(shù)突破也為設計人員帶來了很多有待解決的問題，包括有多少的電路板空間可以用？有什么與閃燈有關的功能需要增加？閃燈驅(qū)動器可用多少功率？需要多少流明才能拍攝漂亮的照片？只要能解答上述問題，設計人員在選擇閃燈LED驅(qū)動器時便能更加得心應手。

解決方案的尺寸

手機設計人員需要面對的第一個問題是，究竟有多少的電路板空間可讓照相機閃燈運用？在LED閃燈驅(qū)動器領域中，最普遍的兩種升壓技術(shù)是開關電容器升壓(電荷幫浦)和電感式升壓。在這兩種升壓拓樸中，開關電容器的方案一般比較細小，而大部份的開關電容器均由四個陶瓷電容器和兩個外部電阻器組成。針對這些應用所建議的電容值為4.7μF，而電壓的額定值為10V(有助降低直流偏置損耗)。這些電容器采用0603外型尺寸，大部份的電容器制造商均能提供此類產(chǎn)品。采用開關電容器的閃燈驅(qū)動器之整體方案尺寸一般約為25mm2。例如，采用芯片級封裝的美國國家半導體LM2758，其整體方案尺寸少于15mm2。此外，開關電容器解決方案還有一個優(yōu)點，就是極為纖薄。一般視閃燈驅(qū)動器的封裝方式，電容器通常都是整個方案中最高的組件。

電感式閃燈驅(qū)動器的方案尺寸一般比開關電容驅(qū)動器的為大，一個典型的電感式閃燈LED驅(qū)動器方案大概占用35mm2～40mm2的電路板面積。電感驅(qū)動器一般需要兩個電容器(輸入和輸出)，它們的平均電容值為10μF，外型尺寸為0805。電感式升壓需要具備整流的部份以處理峰值電感器電流和輸出電壓。在同步升壓拓樸中，閃燈集成電路通常整合有一個通路FET(典型為一個PFET)，而這種整合通常會使到集成電路的封裝尺寸比異步解決方案的更大。在異步拓樸中，通路部份是以蕭特基二極管(schottky diode)的形式實現(xiàn)。與采用開關電容器的升壓比較，電感式升壓所多占的空間主要來自電感器本身。對于那些閃燈電流接近1A的應用，其所需的電感器一般為2.2μH～4.7μF，以及飽和電流必須大于1.5A。然而，這些電感器的尺寸一般都不會少于3mmX 3mm，并且通常都是整個解決方案中最高的組件，1.2mm也是很平常的高度。

功能特色

一旦決定了閃燈驅(qū)動器的拓樸結(jié)構(gòu)，另一個要面對的問題是設計所需的功能特色。首先需考慮的功能特色是控制接口的類型?；镜拈W燈驅(qū)動器一般擁有兩根控制接腳，以執(zhí)行3～4種不同的操作模式（例如是關機、提示燈、手電筒和閃燈）。假如設計人員不需以動態(tài)形式去調(diào)整亮度，這些簡單的控制部件便足可應付。相反地，如果系統(tǒng)要求比較高度的控制，大部份的閃燈電路都包含有某類的串行控制接口。其中一種最普遍的串行接口是內(nèi)置集成電路(Inter-Integrated Circuit interface, I2C)。I2C或I2C兼容接口不單可控制基本的開/關功能，而且還可讓用戶動態(tài)地設定手電筒和閃燈的亮度。此外，假如設計包含有閃燈保險計時、電感器電流限制或過壓保護級等功能的話，也可透過I2C接口進行配置。另外，當微控制器/微處理器的通用輸入/輸出(GPIO)線路不太足夠時，這些串行接口便顯得更為重要。

不少LED驅(qū)動器包括美國國家半導體的LM3553都提供有額外的控制接腳，以進一步協(xié)助設計人員解決系統(tǒng)層級的問題。今天的典型圖像處理器均擁有一根外部閃光燈(strobe/flash)接腳以提示系統(tǒng)正在拍攝照片。此一閃光燈信號可以透過閃燈啟動(enable)接腳直接連系到多個LED閃燈驅(qū)動器，這種圖像處理器與LED驅(qū)動器之間的直接連接可以消除所有出現(xiàn)在兩個部件之間的延遲，這些延遲一般都是由控制器或軟件的限制所引致。

在系統(tǒng)層級問題方面，現(xiàn)今手機系統(tǒng)需要管理通話/數(shù)據(jù)傳輸期間從電池取用的電流量。在通話/數(shù)據(jù)傳輸過程中由Tx/Rx功率放大器取用的電流再加上由閃燈驅(qū)動器所取用的電流，往往可超過電池所能提供的最大電流量。大部份的手機設計均可允許負載電池電壓下降至3.2V而不會進入重設狀態(tài)(VBATT-LOADED = VBATT_UNLOADED (IBATT * RBATT_ESR))。為了防止由電池的ESR壓降所產(chǎn)生的重設，部份比較新的閃燈LED驅(qū)動器添加有一根傳輸接腳(Tx)，能夠有助減少LED驅(qū)動器于通話/數(shù)據(jù)傳輸期間所取用的電流。透過加入Tx接腳，閃燈驅(qū)動器便可迫使二極管電流在一個很短的時間內(nèi)(少于100μs)維持在較低的水平，以免手機在通話期間誤進重設狀態(tài)。

效率

效率已經(jīng)是手機設計的老議題了，只要系統(tǒng)的效率愈高，用戶可用的通話時間便愈長。電感式升壓技術(shù)可促使驅(qū)動器能在寬闊的輸入電壓和輸出電流范圍下發(fā)揮出最高的效率。相反地，開關電容器部件只局限于數(shù)個固定的量化增益(2x、1.5x、1x 通路模式)，以致在相同的輸入范圍下，其所能達到的平均轉(zhuǎn)換器效率比電感式升壓的較低。當評估一個LED驅(qū)動器時，效率的意義會有點不同。

轉(zhuǎn)換器效率或是LED驅(qū)動效率?
當面對閃燈LED驅(qū)動器時，必須先考慮某些效率上的損耗才能計算出解決方案的真正效率。為了獲得一個受管制的閃燈或手電筒/短片拍攝燈光LED電流，升壓轉(zhuǎn)換器必須采用一個電流汲入/源(current sink/source)或一個嚴格控制的參考電壓，再連同一個電阻器去設立負載電流。然而，這兩種不同的方法都各有優(yōu)點和缺點，必須注意由這兩個方法所帶來的功率損耗，都不會包括在升壓轉(zhuǎn)換器的效率計算中。然而，整體解決方案或LED的效率則把這些功率損耗考慮在內(nèi)。
算式1和算式2

首先要注意的是，即使是兩個不同的轉(zhuǎn)換器均可擁有絕對相同的轉(zhuǎn)換器效率，而它們的LED驅(qū)動效率也只有5%～10%的差別。換言之，假如兩個轉(zhuǎn)換器的效率相等，只要某方由電流調(diào)整元素所引致的損耗較低，就是較有效率的轉(zhuǎn)換器。

LED驅(qū)動效率或發(fā)光效率?

可是，單單LED驅(qū)動效率并不能全面反映出整體的性能表現(xiàn)。例如假設面前有兩個不同的閃燈LED驅(qū)動器和兩個不同的閃燈LED。第一個驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換器效率為85%，以及在1A電流下的LED電壓為4V，而另一個的轉(zhuǎn)換器效率和LED電壓(同樣在1A下)則分別為80%和3V。在一個給定的電流下，兩個LED所產(chǎn)生的光輸出量相同而且同時擁有350mV的回饋電壓。利用算式1并引用最差情況的輸入電壓或3.2V作計算，第一個驅(qū)動器從電池取用1.6A的電流，而第二個驅(qū)動器則只從電池取用1.3A的電流。撇開第一個閃燈驅(qū)動器擁有較高的效率，它需要取用多300mA的電流才能產(chǎn)生出跟第二個閃燈驅(qū)動器一樣的光輸出量。這個例子突顯了LED發(fā)光效率的影響。在產(chǎn)生光效率方面，例子2中的LED比起例子1中的高33%。

當閃燈LED驅(qū)動器正以連續(xù)影片拍攝或手電筒照明模式操作時，由于操作的時間可能比較長，因此轉(zhuǎn)換器的效率便顯得很重要，可是在一般的閃燈條件下，由于操作的時間只是瞬間，因此轉(zhuǎn)換器效率的重要性便降低。相反地，這里比較關注的效率，是能否在一個給定的輸入功率下給予閃燈驅(qū)動器更大的輸出功率以產(chǎn)生亮度更強的閃光。高光效閃燈LED配合高效的閃燈驅(qū)動器可盡量減少從電池取用的閃燈電流，以便手機設計人員能更靈活地為系統(tǒng)的其他部份進行電源管理。