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        可拍照手機的LED閃光燈實現方案

        發布日期: 泛科科技

          如今照相手機被作為正式的數碼相機使用,使用者希望在低照度情況下也能拍攝出高質量的照片,因而照相手機中需要增加一個照明光源。led燈珠PN結的端電壓構成一定勢壘,當加正向偏置電壓時勢壘下降,P區和N區的多數載流子向對方擴散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多,所以會出現大量電子向P區擴散,構成對P區少數載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合,復合時得到的能量以光能的形式釋放出去。這就是PN結發光的原理。白光LED作為相機閃光燈在照相手機中應用廣泛。本文詳細討論了在照相手機中設計白光LED時的各種考慮因素。文章描述了白光LED驅動電路的串聯和并聯工作模式,并以安華高科技的HSMW-C830/C850閃光燈模塊(mo kuai)為例討論了具體的電路設計方法。

          如今“標準的”可拍照手機能提供640×480像素分辨率以實現30萬像素的像大小。在2004年初,當時最先進的可拍照手機提供了1,600×1,200像素的像——大約200萬像素像大小,而且還能拍攝視頻短片及使用可插拔的存儲卡,在某些產品中還集成了自動對焦和其它相機功能。某制造商宣布在2005年推出700萬像素的可拍照手機。

          結果是如今可拍照手機被當成“正式的”數碼相機使用(use),并且消費者期望能夠在低光照亮度的條件(tiáo jiàn)下拍攝高質量的照片,因此增加一個照明光源并且不會很快耗盡手機電池的需求開始出現( appear)。

          現在有兩種數碼相機閃光燈可供選擇:氙氣閃光燈管和白光LED。氙氣閃光燈由于具有高亮度和白色光的特點,因而廣泛用于膠卷相機和獨立的數碼相機。而大多數可拍照手機則選擇了白光LED照明。表1比較了這兩種閃光燈。

          表1:氙(xian)氣閃光燈與LED閃光燈的比較

          LED是電流驅動(Driver)器件,其光輸出由通過的正向電流決定。LED的頻閃速度要快于任何其他光源,包括氙氣閃光燈,它具有很短的上升時間,范圍在10~100ns之間?,F在白光LED的照明質量(Mass)可與冷白色熒光燈媲美,色彩表現指數接近85。

          在多數情況下,LED的最大光輸出受其能承受的最大平均正向電流限制,該最大平均電流主要取決于LED芯片/封裝的功耗水平以及它所附著的散熱片的散熱性能(xìng néng)。在閃光燈應用中,可以用占空比很小的脈沖(mài chōng)電流來驅動LED。這使得在實際脈沖期間電流以及電流產生的光輸出顯著增加,同時仍然保持LED的平均電流水平和功耗在其安全額定值內。

          與氙氣閃光燈相比,LED閃光燈具有更低的功耗,而且驅動電路所占空間很小。led臺燈又稱固態照明,作為繼白熾燈、熒光燈后的第三代照明技術,具有節能、環保、安全可靠的特點,固態光源是被業界看好的未來十年替換傳統照明器具極具潛力的新型光源,代表照明技術的未來。發展新固態照明,不僅是照明領域的革命,而且符合當前政府提出的“建設資源節約型和環境友好型社會”的要求。此外驅動LED閃光燈不會產生很大的電磁干擾。這些優點促成了LED閃光燈在可拍照手機中的應用。而且同一個LED閃光燈還能用作連續的光源,這使得其可用于視頻應用以及手電筒功能(function)。1展示了LED閃光燈是如何整合到可拍照手機中的。

          1:LED閃光燈如何集成到可拍照手機中

          為可拍照手機閃光燈應用選擇LED

          盡管在閃光燈LED領域沒有封裝和電子上的標準,但是制造商為相機閃光燈應用定義了很多LED零組件。當要在可拍照手機中進行LED閃光燈設計時,需要考慮的準則是:

          1. 光學特性;

          2. 電子設計簡易性和靈活性;

          3. 脈沖調制功能;

          4. 可以有效級聯以得到更高光輸出;

          5. 散熱考慮;

          6. 制造和裝配考慮。特別是LED模塊與可拍照手機使用(use)的制造工藝(gōng y)的兼容性。

          光學(optics)特性

          當前在可拍照手機中使用的大多數數碼相機模塊具有50~60°的視角,需要至少3到5勒克斯的亮度以獲得好的照片。因此,一個光照角度為50~80°的照相閃光燈是最佳選擇。光照角度超過80°將造成一部分光線落到相機覆蓋區域之外,從而降低LED光輸出的利用率。相反,一個具有更小光照角度的閃光燈可能導致拍攝的照片邊角出現暗區。

          現在市場上供應的大多數用于相機閃光燈的LED組件都具有很寬的照明角度。通過二級光學組件可以對該角度進行精細調整,然而這些光學組件有兩個主要缺點。首先,由于轉換效率的原因,二級光學組件將造成大約12%的光損耗;其次,使用二級光學組件增加了可拍照手機的成本、占用了額外的空間并使制造工藝(gōng y)與設計過程復雜化。

          就安華高科技制造(zhì zào)的LED閃光燈模塊來說,其弧形設計(Design)使LED發出的光集中,形成一個60°的朗伯輻射模式,從而使得落在典型的相機視場內的光輸出強度最大化。

          每一個閃光燈模塊集成了3個InGaN LED裸片,這些裸片在模塊內采用并行連接或者串行連接,每個模塊只有陰極和陽極兩個端子。這兩種方式使用起來各有優不好的地方。

          表2:串聯LED和并聯LED的比較

          易于級聯和散熱

          安華高科技在設計HSMW-C830和HSMW-C850時,使它們在機械和電子上能夠級聯。封裝特意做得很薄,這樣方便設計師將兩個模塊層疊使光輸出倍增,這種組合方式占用空間最小。如果兩個模塊垂直層疊,其組合后的尺寸只有7.0×4.4mm2。

          大多數LED閃光燈模塊采用共陽級方式將LED連在一起。閃光燈模塊的串行級聯需要驅動器能同時提供高電流和高電壓,而將它們并行級聯會造成潛在的光輸出亮度變化的問題,這是因為在兩個模塊之間電流可能分配不均勻。HSMW-C850將所有三個芯片串行連接。如果將其級聯,只需調節電(energy saving)壓,而無需改變驅動電流,從而不會有兩個模塊接受的電流不同的問題。此外,市場上現有的升壓轉換器具有高適應電壓低電流驅動的特點,而不是高電流驅動低適應電壓,因為這樣能節省(spare)整體功耗。

          LED閃光燈模塊在工作期間可能會產生相當高的熱量,因此在設計導入過程中必須考慮散熱(radiating)應對措施。大多數手機設計者由于受空間限制,更愿意采用柔性印刷電路板,而不是FR4 PCB材料。安華高科技的閃光燈模塊具有較低的封裝熱阻,可以有效地釋放LED產生的熱量。閃光燈可以在環境溫度+55°C下,以80mA的電流連續5秒照明。

          電路設計

          移動電話中的鋰離子電池是電壓(voltage)源,其輸(shū)出電壓隨保持的能量大小而變化。因為LED為電流驅動器件,其需要恒流源驅動以獲得一致的光輸出。電荷泵轉換器和電壓升壓轉換器是兩種可行的適合于驅動LED閃光燈的DC/DC轉換拓撲結構。

          閃光燈照明的必要時間長度由具體相機模塊的特定要求決定。只要照明時間不短于模塊的成像時間,就不會影響照相效果。一般而言,200~300ms的照明時間就足夠了。安華高科技的閃光燈模塊在脈寬時間短于200ms的情況下,驅動電流可以達到180mA,提供了10lux的亮度。在連續工作條件下,最大允許電流為80mA,產生大約為6lux的亮度。

          2為HSMW-C830閃光燈模塊,其并聯LED用TPS60230電荷泵IC供電。

          2:使用電荷泵IC驅動并行連接的LED

          通過從ISET管腳連接一個外部電阻到地,經過D1到D6管腳提供了約16mA的恒定電流。LED閃光燈吸收78mA的電流。需要兩個1μF和兩個0.47μF的外部電容。此外,由電流控制的電荷泵能確保低EMI干擾。

          使能管腳EN1和EN2用來對器件實現使能控制,或者將其設置為關斷模式,如表3所示。

          表3:使用TPS60230電荷泵IC的使能管腳控制(control)LED電流

          在關斷模式下,電荷泵、電流源和參考電壓、振蕩器和所有其它功能被關閉,消耗的電流降低到0.1μA。

          EN1和EN2上的邏輯電平將ISET管腳上的電壓設置到地。電流根據VISET可設置為26m

          A、52mA或者78mA,如下所示。當EN1=0、EN2=1的時候,則Eq1。

          這里,Eq2,因此Eq3。通過將D1連接到D5,這個器件提供的Eq4。

          EN1和EN2還可以用于脈寬調制調低亮度。PWM信號可以加在EN1或EN2上,或者將兩個管腳連接在一起來控制(control)LED閃光燈的亮度。采用完全充滿的電池時,這個電路可以獲得大于85%的電源轉換效率。

          3顯示了用TPS61040作為升壓轉換(conversion)器來驅動并聯LED。

          3:使用(use)升壓轉換器IC驅動并行連接的LED

          通過在FB管腳和GND之間連接一個15Ω的外部電阻,根據反饋電壓,該器件提供80mA的恒定電流。正向電流Eq5。

          該設計允許在輸出上使用物理尺寸較小的外部器件,這是由于TPS61040提供的開關頻率(frequency)高達1MHz。PWM控制管腳用來控制閃光燈LED的亮度。該電路可以獲得85%的電源(向電子設備提供功率的裝置)轉換效率。

          通過改變R1和D3的值,升壓拓撲可以驅動串聯的LED。

          4:使用升壓轉換器IC驅動串行連接的LED

          使用47Ω的接地電阻和1.233V的參考電壓(voltage),該器件能提供26mA的電流。led燈珠使用低壓電源,供電電壓在2-4V之間,根據產品不同而異,所以它是一個比使用高壓電源;更安全的電源,特別適用于公共場所;亮度隨電流的增大而變亮,小功率LED燈珠工作電流為0-60mA,大功率LED工作電流在150mA以上。

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