移動設備閃光 LED驅動芯片：克服空間和功率的限制

智能手機已經(jīng)成為性能卓越的設備，盡管首款“照相手機”誕生至今已有多年，但是在黑暗中拍照片所使用的閃光功能時至今日仍然發(fā)展緩慢，沒有取得很大的進展。近期，隨著功率LED的發(fā)展，其鮮明的亮度和小巧的體積似乎為智能手機制造商帶來了無限商機。但是到目前為止，盡管它能實現(xiàn)與智能手機相匹配的極高畫面品質，但LED閃光燈仍然較難應用到智能手機模塊中，其主要障礙是閃光驅動電路難以滿足手機制造商對尺寸、成本和效率的要求。

閃光驅動電路的種類

手機內的相機其實是一個照相機模塊，包含了鏡頭、機械元件、自動對焦線圈和CMOS傳感器本身。圖像傳感處理器（Image Sensor Processor,ISP）可能被放置在相機模塊或手機的主PCB中。

目前市場上共有四種不同類型的閃光驅動芯片：電容LED驅動、電感式LED驅動、氙氣閃光驅動和超級電容LED驅動。閃光LED具有4.0V-3.3V的電壓要求，因此閃光LED驅動電路必須穩(wěn)定手機電池的電壓，使其波動范圍在4.2V-3.3V之間（電壓波動取決于電池的充電狀態(tài)）。

電容LED驅動芯片能夠提供約700mA的閃光電流。這類驅動芯片由于易于設計，且體積小巧、價格便宜，因而非常普及。但此類產品有兩個主要缺點：雖然他們最適合應用于單LED設備，但是受700mA電流限制的影響，無法為高品質的圖像捕捉提供足夠的光線輸出；此外，該驅動芯片效率較低。阻礙電容驅動芯片的原因是其充電泵只能增加1.5或2倍的電池電壓（見圖1）。不需要的超出電壓必須消散，這會導致效率低下并產生熱量。許多使用充電泵的閃光LED驅動芯片供應商都提供DFN和QFN封裝，以實現(xiàn)更好的熱管理，但這并不能解決根本問題。

圖1：奧地利微電子700mA電容LED驅動芯片AS3685與最高2000mA的電感式芯片AS3648效率對比圖

因此，手機設計師開始將目光轉向電感式LED驅動芯片，以此彌補電容驅動芯片本身的缺陷。電感式驅動芯片可以產生高達2A的電流，并可以驅動雙LED，效率更高。雙LED設計可提供更高的光線輸出，當然也會比單LED設計占用更多空間以及產生更高的成本。

電感式驅動芯片的操作在本質上比電容驅動芯片具有更高效率，在電流消耗和熱管理方面提供更多優(yōu)勢。另一方面，由于電感式驅動芯片必須容納相對體積較大的電感器，因此它的體積較大。

電感式驅動芯片效率高低取決于電感器的損耗、直流轉換器中PMOS和NMOS的電阻值以及電流池或電流源的壓降。有些閃光LED驅動芯片包含高端電流源，若LED的陰極直接接地可以提供更好的散熱效果，但這在一些手機設計中是無法實現(xiàn)的。NMOS的低端電流池具有低電阻和較小晶體管尺寸的優(yōu)勢。

其他兩種類型，氙氣和超級電容閃光驅動器，更適合攝像頭位于中心位置的智能手機。氙氣燈泡提供短而明亮的光脈沖，從而實現(xiàn)非常高的圖像品質以及清晰的畫面。然而在實踐中，氙氣燈泡和驅動模塊對單薄的智能手機外形顯得過于龐大，且對材料預算而言也過于昂貴。

改善電感式LED驅動芯片

圖片質量的高低為智能手機廠商提供了明確的產品分化手段。這意味著各廠商將爭相使用小巧、高效的閃光LED驅動芯片實現(xiàn)高亮度輸出，該芯片同時還需具有確保在各種情況下均可安全運行的功能。奧地利微電子的兩款新電感式閃光驅動芯片AS3647/8能較好地滿足這些測試要求。

圖2：標準閃光LED系統(tǒng)——以Osram OSLUX LUW FQ6N為例

圖2顯示了閃光LED驅動芯片如何被應用在移動環(huán)境下。ISP發(fā)出的頻閃信號觸發(fā)閃光驅動芯片。TX掩蔽（TX Mask）信號是一種保護性的信號，其功能是防止產生高電流，同時作為功率放大器。它能導致手機重啟，這會令人十分不快。因此，一旦產生TX脈沖，驅動芯片將減少閃光電流以避免電池超載。

圖3.1：采用小型WL-CSP 13封裝的電感式2A閃光驅動芯片AS3647框圖

圖3.2：采用小型WL-CSP 13封裝的電感式2A閃光驅動芯片AS3647框圖

電感式驅動芯片設計的關鍵是電流調節(jié)器，需要具有低恒流輸出電壓。（恒定電流是功率LED操作的基本要求。）這種電流調節(jié)器可以是高端PMOS電流源或低端NMOS電流池；后者擁有低恒流輸出電壓，比PMOS電流源更具優(yōu)勢。這反過來將有助于提高效率，實現(xiàn)更小芯片尺寸，并降低成本。

奧地利微電子采用低端電流池的決定是至關重要的：拓撲結構的低功耗也意味著較少的多余熱消散。這就使奧地利微電子能采用更小的封裝，與采用高端電流源拓撲結構相比，將提供更高的光線輸出。

智能手機的電池輸出電壓在放電周期中會逐漸下降。完全充電時，足夠高的電池電壓可驅動LED閃光燈而無需提升電流池電壓。在這種情況下，電源通過PMOS上不斷開合的開關流經(jīng)直流轉換器，因此直流轉換器的輸出電壓會接近電池的電壓。而電流池將增加其電阻直至LED閃光燈取得特定的電流，而多余的電流將作為熱量被消耗掉。

當局部放電后，電池電壓會下降，這時就需要升壓轉換。驅動芯片的直流轉換器被接通以此調節(jié)電壓，保證能夠以特定的電流驅動LED和電流池。電池電壓越低，從電池中吸收的電流就越高。

電感式驅動器的拓撲結構能夠提供高強度閃光燈所需的高電流。奧地利微電子已經(jīng)證明，該技術能夠采用特殊封裝形式并使其適合在空間和功率受限的應用中使用。

AS3647和AS3648都采用2.2mmx 1.5mm的晶圓級芯片規(guī)模封裝（Wafer Level Chip Scale package），13個引腳以菱形陣列排列，如圖3所示。這對閃光驅動芯片是一種獨一無二的封裝，因為不再需要微孔，能使極快速且輕松地完成PCB的布局。 而芯片的直流轉換器也經(jīng)過獨特設計用以進一步節(jié)省空間。該轉換器具有4MHz的工作頻率，能產生較低的輸入和輸出紋波，這也使奧地利微電子能選用小尺寸的電感器。

直流轉換器內NMOS和PMOS晶體管非常低的電阻值將幫助提升效率。采用高功率LED閃光驅動芯片的另一個優(yōu)點是其可實現(xiàn)的附加功能。高清視頻拍攝功能目前是智能手機的賣點，手指輕點兩下，用戶就可以將自己的視頻上傳到YouTube或Facebook上與朋友分享。高效的手電筒功能可以使用戶在黑暗中拍攝視頻。而LED驅動芯片內高效率的直流轉換器是確保手電筒功能不過度耗費電池所必不可少的。

總結

通過使用電感式拓撲，奧地利微電子的器件能夠提供高輸出功率（AS3647：1.6A單LED；AS3648：2.0A雙LED），而封裝也足夠小，可用于標準智能手機中。在圖4中，可以看到拍攝的高品質圖像畫面。

圖4：使用奧地利微電子AS3648和2個Osram OSLUX LUW FQ6N LED燈拍攝的圖像。閃光電流：2x1安;閃光時間：75毫秒。

圖5：使用Perkin Elmer公司320V氙氣閃光燈拍攝的圖像。驅動芯片：AS3636

圖4和圖5都在奧地利微電子閃光實驗室受控的條件下進行拍攝（適馬DP1相機，ISO200，曝光時間75毫秒）。這些照片顯示，2A LED閃光燈可以實現(xiàn)與氙氣閃光燈類似的光線輸出和圖像質量。