如何选择白光LED闪灯驱动器

在手机市场中，将高像素的图像处理器整合至手机当中已差不多成为了标准配备方式。随着这些图像处理器的分辨率日益提高，业界亦提高对高亮度闪光灯的需求。氙气闪光灯泡向来都是数字照相机的主要照明选择，但对于移动手机市场来说，在电路板上可供用来安置非电话功能组件的空间实在有限，以致体积较大的氙气灯方案显得不切实际。幸好手机制造商最近在高功率白光二极管上有重大的技术突破，现今白光LED闪灯二极管的制造商已经推出了光输出超过70流明的产品，并且可应付超过或相当于1A的脉冲电流。但这些技术突破也为设计人员带来了很多有待解决的问题，包括有多少的电路板空间可以用？有什么与闪灯有关的功能需要增加？闪灯驱动器可用多少功率？需要多少流明才能拍摄漂亮的照片？只要能解答上述问题，设计人员在选择闪灯LED驱动器时便能更加得心应手。

解决方案的尺寸

手机设计人员需要面对的第一个问题是，究竟有多少的电路板空间可让照相机闪灯运用？在LED闪灯驱动器领域中，最普遍的两种升压技术是开关电容器升压(电荷帮浦)和电感式升压。在这两种升压拓朴中，开关电容器的方案一般比较细小，而大部份的开关电容器均由四个陶瓷电容器和两个外部电阻器组成。针对这些应用所建议的电容值为4.7μF，而电压的额定值为10V(有助降低直流偏置损耗)。这些电容器采用0603外型尺寸，大部份的电容器制造商均能提供此类产品。采用开关电容器的闪灯驱动器之整体方案尺寸一般约为25mm2。例如，采用芯片级封装的美国国家半导体LM2758，其整体方案尺寸少于15mm2。此外，开关电容器解决方案还有一个优点，就是极为纤薄。一般视闪灯驱动器的封装方式，电容器通常都是整个方案中最高的组件。

电感式闪灯驱动器的方案尺寸一般比开关电容驱动器的为大，一个典型的电感式闪灯LED驱动器方案大概占用35mm2～40mm2的电路板面积。电感驱动器一般需要两个电容器(输入和输出)，它们的平均电容值为10μF，外型尺寸为0805。电感式升压需要具备整流的部份以处理峰值电感器电流和输出电压。在同步升压拓朴中，闪灯集成电路通常整合有一个通路FET(典型为一个PFET)，而这种整合通常会使到集成电路的封装尺寸比异步解决方案的更大。在异步拓朴中，通路部份是以萧特基二极管(schottky diode)的形式实现。与采用开关电容器的升压比较，电感式升压所多占的空间主要来自电感器本身。对于那些闪灯电流接近1A的应用，其所需的电感器一般为2.2μH～4.7μF，以及饱和电流必须大于1.5A。然而，这些电感器的尺寸一般都不会少于3mmX 3mm，并且通常都是整个解决方案中最高的组件，1.2mm也是很平常的高度。

功能特色

一旦决定了闪灯驱动器的拓朴结构，另一个要面对的问题是设计所需的功能特色。首先需考虑的功能特色是控制接口的类型。基本的闪灯驱动器一般拥有两根控制接脚，以执行3～4种不同的操作模式（例如是关机、提示灯、手电筒和闪灯）。假如设计人员不需以动态形式去调整亮度，这些简单的控制部件便足可应付。相反地，如果系统要求比较高度的控制，大部份的闪灯电路都包含有某类的串行控制接口。其中一种最普遍的串行接口是内置集成电路(Inter-Integrated Circuit interface, I2C)。I2C或I2C兼容接口不单可控制基本的开/关功能，而且还可让用户动态地设定手电筒和闪灯的亮度。此外，假如设计包含有闪灯保险计时、电感器电流限制或过压保护级等功能的话，也可透过I2C接口进行配置。另外，当微控制器/微处理器的通用输入/输出(GPIO)线路不太足够时，这些串行接口便显得更为重要。

不少LED驱动器包括美国国家半导体的LM3553都提供有额外的控制接脚，以进一步协助设计人员解决系统层级的问题。今天的典型图像处理器均拥有一根外部闪光灯(strobe/flash)接脚以提示系统正在拍摄照片。此一闪光灯信号可以透过闪灯启动(enable)接脚直接连系到多个LED闪灯驱动器，这种图像处理器与LED驱动器之间的直接连接可以消除所有出现在两个部件之间的延迟，这些延迟一般都是由控制器或软件的限制所引致。

在系统层级问题方面，现今手机系统需要管理通话/数据传输期间从电池取用的电流量。在通话/数据传输过程中由Tx/Rx功率放大器取用的电流再加上由闪灯驱动器所取用的电流，往往可超过电池所能提供的最大电流量。大部份的手机设计均可允许负载电池电压下降至3.2V而不会进入重设状态(VBATT-LOADED = VBATT_UNLOADED (IBATT * RBATT_ESR))。为了防止由电池的ESR压降所产生的重设，部份比较新的闪灯LED驱动器添加有一根传输接脚(Tx)，能够有助减少LED驱动器于通话/数据传输期间所取用的电流。透过加入Tx接脚，闪灯驱动器便可迫使二极管电流在一个很短的时间内(少于100μs)维持在较低的水平，以免手机在通话期间误进重设状态。

效率

效率已经是手机设计的老议题了，只要系统的效率愈高，用户可用的通话时间便愈长。电感式升压技术可促使驱动器能在宽阔的输入电压和输出电流范围下发挥出最高的效率。相反地，开关电容器部件只局限于数个固定的量化增益(2x、1.5x、1x 通路模式)，以致在相同的输入范围下，其所能达到的平均转换器效率比电感式升压的较低。当评估一个LED驱动器时，效率的意义会有点不同。

转换器效率或是LED驱动效率?
当面对闪灯LED驱动器时，必须先考虑某些效率上的损耗才能计算出解决方案的真正效率。为了获得一个受管制的闪灯或手电筒/短片拍摄灯光LED电流，升压转换器必须采用一个电流汲入/源(current sink/source)或一个严格控制的参考电压，再连同一个电阻器去设立负载电流。然而，这两种不同的方法都各有优点和缺点，必须注意由这两个方法所带来的功率损耗，都不会包括在升压转换器的效率计算中。然而，整体解决方案或LED的效率则把这些功率损耗考虑在内。
算式1和算式2   

首先要注意的是，即使是两个不同的转换器均可拥有绝对相同的转换器效率，而它们的LED驱动效率也只有5%～10%的差别。换言之，假如两个转换器的效率相等，只要某方由电流调整元素所引致的损耗较低，就是较有效率的转换器。

LED驱动效率或发光效率?

可是，单单LED驱动效率并不能全面反映出整体的性能表现。例如假设面前有两个不同的闪灯LED驱动器和两个不同的闪灯LED。第一个驱动器的转换器效率为85%，以及在1A电流下的LED电压为4V，而另一个的转换器效率和LED电压(同样在1A下)则分别为80%和3V。在一个给定的电流下，两个LED所产生的光输出量相同而且同时拥有350mV的回馈电压。利用算式1并引用最差情况的输入电压或3.2V作计算，第一个驱动器从电池取用1.6A的电流，而第二个驱动器则只从电池取用1.3A的电流。撇开第一个闪灯驱动器拥有较高的效率，它需要取用多300mA的电流才能产生出跟第二个闪灯驱动器一样的光输出量。这个例子突显了LED发光效率的影响。在产生光效率方面，例子2中的LED比起例子1中的高33%。

当闪灯LED驱动器正以连续影片拍摄或手电筒照明模式操作时，由于操作的时间可能比较长，因此转换器的效率便显得很重要，可是在一般的闪灯条件下，由于操作的时间只是瞬间，因此转换器效率的重要性便降低。相反地，这里比较关注的效率，是能否在一个给定的输入功率下给予闪灯驱动器更大的输出功率以产生亮度更强的闪光。高光效闪灯LED配合高效的闪灯驱动器可尽量减少从电池取用的闪灯电流，以便手机设计人员能更灵活地为系统的其他部份进行电源管理。

光输出的优化

LED闪灯驱动器的光输出优化牵涉两个主要因素(假如包括成本便是三个)：手机图像处理器要求的光照度，以及有多少的功率可以用来作照明?就一个给定的输入功率预算而言，有三个途径可提高闪灯的亮度以帮助设计人员达到所需的照明要求，这就是LED的选择、LED电流驱动和LED配置，它们在闪灯LED驱动器优化上均扮演举足轻重的角色。

选择LED

如上述所提及的第一个优化元素，就是要选择一个具有高发光效率的LED。一个具备较高光效的LED可在一个给定的功率下放射出更大的光通量(流明)。在一个给定的电流下，发光效率等如LED光通量除以LED驱动电流与顺向电压的乘积。光通量曲线可以在大部份的LED制造商所提供的规格表中找到1。
当选择LED时，手机设计人员不要只单单考虑LED的光学性能，而必须同时考虑LED的尺寸和成本，以及务求将LED光照度提升到最高的镜片复杂度。

提高驱动电流

选好LED之后，第２个可增加光输出的途径是提升实际的驱动电流。使用图2中的光通量曲线，可以发现当二极管电流从500mA提升到1A时会大概会有30流明的光输出量增加。可是，增加二极管电流也会带来一些反效果。假如将二极管电流增大一倍，所增加的二极管电流和顺向电压便会导致LED的功率增加超过一倍，而这种LED功率提升，会使系统对输入功率的要求提高。图3表示出顺向电流对LED顺向电压的影响。

为了增强LED驱动器电流系统内部的优化，必须先建立输入电流的预估值。一旦计算出最低输入电压和最大输入电流的值后，便可从LED顺向电压对LED电流的曲线(图3)找出数据，以进一步计算出闪灯LED驱动器的最大允许驱动电流。
算式3
POUT CONV IIN VIN = ILED VLED + VFEEDBACK       
例子
VIN = 3.2V, IIN = 1.5A,CONV = 85% VFEEDBACK = 350mV
输入功率 = 4.8W，最大输出功率 = 4.08W
从图中的曲线可见，在3.6V 和 1A 电流下的LED所产生的输出功率等如3.95W (PLED + PFEEDBACK) ，这数值与最大允许值非常接近。

配置

假如选用的已经是具备有高光通量和高光效的LED，但在闪灯电流优化之后仍达不到所需的光照度，那么只要在设计中加入第２个或第３个LED便可将目标拉近。再次参看光通量对LED电流的曲线(图2)，可以发现曲线并不是完全的线性。由两个只用一半闪灯电流操作的LED所产生出来的光通量，将比一个以全闪灯电流操作的LED所能产生的更多。此外，两个在一半闪灯电流下操作的LED之总功率也较一个全闪灯电流操作的更低。如此一来，便可在既定的输入功率预算内为两个LED提供更大的总输出电流。这两个LED可以用并列或串行的配置方式来驱动。

例子

下列3种配置的VFB均为350Mv，而且同样可产生73流明。
1 LED @ 1A:  POUT = (3.6 1A) + (1A 350mV) = 4.08W 
2 LEDs @ 350mA(并列l):POUT = (3.3V 2 350mA) + (350mA 350mV2) = 2.56W
2 LEDs @ 350mA(串行):POUT = (3.3V 2 350mA) + (350mA 350mV) = 2.43W
下列３种配置的VFB均为350Mv，而且它们的输出功率均很接近。 
1 LED@1A:POUT = (3.6 1A) + (1A 350mV) = 4.08W    73 流明
2 LEDs@525mA(并列):POUT = (3.425V 2 525mA) + (525mA 350mV2) = 3.96W 90 流明
2 LEDs@550mA(串行):POUT = (3.45V 2 550mA) + (550mA350mV) = 3.99W 94 流明

当驱动两个LED时，串行配置比起并列配置具有更多的优点。将两个LED以串行方式驱动可确保流经两个闪灯LED的电流均一致。在并列配置中，两个电流源与LED电流的典型匹配性为1％～3%。但大部份的闪灯驱动器只有一个电流汲入(current sink)，如果硬把两个LED连接到单一个电流源/电流汲入时，LED顺向电压的失配便会导致严重的LED电流失配。要解决这个问题，便需加入一个串行锁流电阻器。可是，为LED加入串联电阻会同时减低输出电流的预算和降低可使用的闪灯电流量，以致出来的闪光较弱。此外，假如串行和并列配置中的LED电流是一样，驱动两个串联的LED还可将由电流控制元素(电阻器或电流汲入)所造成的输出功率耗散减少一半(PFB-Series = ILED VFB and PFB-Parallel = ILED VFB2)。

总结

为手机系统加入白光LED照相机闪灯会牵涉很多设计选择，而在决定闪灯所能占用的电路板空间时，也间接决定了将选用的拓朴结构。此外，传输和闪灯启动接脚之类的功能可让其他的子系统协助处理某些电流管理工作和闪灯定时，从而减轻电池和微控制器/处理器的工作压力。再者，高光学效率的LED配合高效的升压转换器可有助提升闪灯系统的光照度。假如单一个LED不足以在昏暗的环境下提供足够的照明，可在设计中加入第二个LED来解决亮度不足的问题。在选择LED闪灯驱动器时，应在设计初期考虑上述的问题，只要及早解决这些问题，所有烦恼都可一扫而空。