使用超级电容驱动白光LED相机闪光灯(图)

目前，很多相机闪光灯使用大功率白光LED，为了达到足够的亮度，这些白光LED需要高达2A的驱动电流，这就要求电池必须能提供3.5A的电流达到100ms。传统的解决方法是采用电流控制模式升压转换器为LED提供2A的驱动电流和正向电压（一般是4.2V，最大可达到5.1V）。假定电池电压是    3.5V，效率85%，那么，电池的电流则等于：2A×5.15V/3.5V/85%=3.4A。而目前手机电池能提供的电流大约    0.8mA～1A,因此，拍照手机要想使用LED闪光灯，首先得解决闪光灯的驱动问题。

CAP-XX公司（www.cap-xx.com）采用超级电容器技术从而使得拍照手机可以使用大功率LED。这些超级电容器结合了高容量（1F或更大）和低ESR(<100mΩ)特性，可以提供LED需要的瞬间脉冲功率(11W)，并同时保护电池端，不致于释放过高的功率。这些器件外型小巧，适合应用于空间有限的便携产品，如可拍照手机等。CAP-XX应用工程师提供了两套方案,可让拍照手机设计工程师加速电路设计。其一是利用升降压电路输出至超级电容器；另一结构是超级电容器与电池串接。

超级电容器位于升降压转换器的输出端（方案1）
图1是该方案的方框图，图2是电路图。该电路的优势是超级电容器也可以用于其他如GPRS发射等高脉冲功率应用中。有两种工作模式：一种是Flash模式，升降压转换器给超级电容器充电至大约5.5V；另一种方式是Torch模式，超级电容器充电到GPRS需要的最适合的电压（一般情况下是3.6～ 3.8V），给LED提供较低的连续的驱动电流，一般为200mA。

图1 结构上，升降压稳压器给电容充电，而场效应管起放大触发功能

如图2所示，Flash模式中通过控制与64kΩ电阻串联的场效应管来选择升降压输出电压是到Flash模式还是Torch模式，这可以改变LTC3442反馈输入端的电阻分压器比值。该场效应管导通时是Flash模式，关断时是Torch模式。类似地，在选择LED闪光灯的电流时，也通过控制与856Ω电阻串连的场效应管来改变ST1851运算放大器+ve输入端的参考电压的电阻分压器的比值来实现。

升降压转换器必须具有限流功能，以便限制给超级电容器的充电电流过高或负载电流过大。下面是对这两种方式的具体介绍。

在升压转换器中，当功率首次使用后，从电感和功率二极管到输出端就会存在一个低阻抗通路。由于低ESR值和高容量，上电时输出端的超级电容器看起来就像一个短路。举例来说，假定电池阻抗是120mΩ，电池电压是3.6V，功率二极管上的正向压降是0.2V，电感的电阻是10mΩ，超级电容器的ESR值是40mΩ，在上电的瞬间，浪涌电流就是：(3.6V-0.2V)/170mΩ=20A，对于图2中的1.5F超级电容器，浪涌电流在255ms后仍将达到7A。LTC3442采用current mirror来感知输入电感的电流，当超过限定电流值时，关断Vin和电感之间的场效应管，这也是为什么选择使用LTC3442。通过设置RLIM=63kΩ来限定电池的平均电流为1A。

带负载时的额外电池电流
升压转换器和超级电容器共同为负载提供电流，它们之间的比值是：升压转换器输出电流/超级电容器电流=超级电容器ESR/升压转换器阻抗。为了避免过分依赖超级电容器ESR和升压转换器阻抗的比值来限制电池电流，安全的做法是限制升压转换器的电流，因为当升压转换器的输出阻抗低时会导致额外的电池电流。

图2 方案1的电路图，从图中可见，无源元件的选值对电路性能很重要

在Torch模式下，通过与RF PA PWR并联的场效应管，超级电容器可以支持电池给GPRS模块以及其他大功耗电路供电，如图1所示。电池提供平均电流，超级电容器提供峰值电流，这样，在发射及通话过程中GPRS模块的供电电源就可以大大降低压降。

在Flash模式下，升压转换器需要选择电流限制值，以保证电池的最大电流在规定的范围内，而超级电容器则从Torch模式的电压（在图1、2中是3.6V）充电到5.5V。在Flash模式下，超级电容器从5V充电到5.5V所需要的时间少于LED的热恢复时间。如图2所示，LTC3442的最小输入电流限定值为1A，典型输入电流为2A，那么，给1.5F的超级电容器从3.6V充电到5.5V，且充电电流为1A，则所需时间为1.5F× (5.5V-3.6V)/1A=2.8s（或1.4s，充电电流为2A）。在Flash模式下，在闪光之间给超级电容器充电所需的最大时间为1.5F×(5.5V-5.0V)/1A=0.75s。一个典型的LED闪光灯在闪光之间的热恢复时间是2.5s。闪光脉冲的持续时间是由LED闪光灯的热恢复特性决定的，对于LED，在2A电流下，最大闪光脉冲持续时间是100ms。

在Flash模式下，超级电容器充电到5.5V，RF PA PWR场效应管关断以避免过压损坏GPRS模块或其他大电流功耗电路。因此，采用这种结构，在使用闪光灯时，手机不可能再与网络连接。但是，一般情况下，人们在拍照片时，不会同时接听电话，因此，这并不算个问题。

当手机从Flash模式切换到Torch模式时，超级电容器可以从5.5V快速放电到Torch模式电压（在图1中是3.6V），给LED闪光灯供电（在图1、2中，从超级电容器获得200mA电流）。一旦超级电容器放电到规定的电压，图1中的RF PA PWR场效应管将导通。注意，一个最大额定电压5.5V的CAP-XX超级电容器由两个单元串连而成。

图3 升压转换器调节超级电容器充电过程

超级电容的C值与ESR值可以按照如下方法选择(参考图2）：
● 设定闪光脉冲结束时的超级电容器的最终电压。根据Luxeon Flash LXCL-PWF1的技术手册可知，2A时，其典型正向电压是4.2V，ZXM64N02X FET的RDSON=50mΩ，感应电阻为  47mΩ，因此，输出电流是2A时，通过电路的压降大约为200mV，所以，超级电容器的电压最少为5V，该电路对所有正向电压为4.8V的LED都适用。
● 设定超级电容器的充电电压（升压转换器输出电压）。额定电压为4.5V的CAP-XX超级电容器允许的最大电压是5V，但是，这是闪光脉冲结束时的最小电压，由于在Flash模式下，超级电容器仅工作在升压转换器电压下，因此，设定升降压转换器输出电压为    5.25V。这样做并不会明显影响超级电容器的使用寿命。拍照手机的逻辑电路应该有休息时间，用户不能让它一直工作在Flash模式。
● 设定超级电容器的C值与ESR值。LED闪光灯闪光脉冲期间的压降包括IR压降+超级电容器的放电压降。在图1的例子中，IR=(2A-1A)×40mΩ=40mV，超级电容器放电到5.0V时压降为5.25V-5.0V-40mV=210mV。根据I=CdV/dt,此处I为常数，因此，可得C=(2A-1A)×100ms/210mV =    0.48F。可见，在图1中我们选择的CAP-XX GS216超级电容器有充足的余量。

图4 升压稳压器简化了拓扑结构，但是不能用于RF部分供电，触发电路保持不变

超级电容器与电池串联（方案2）
图3所示为方案2的方框图，图4为方案2的电路图，图5是测试波形。在该方案中，超级电容器与电池串联。2A电流下，LED闪光灯获得10W的功率，但是，电池电流=LED闪光灯电流，因此，电池的功率比LED闪光灯需要的功率小得多。如果电池电压为3.5V，LED闪光灯电流为2A，则功率仅为7W，超级电容器提供了另外的3W，而文章开头给出的例子中，电池需向2A LED闪光灯提供高达12.25W的功率。
在Flash模式下，启动升压转换器，超级电容器充电到大约5.5V，超级电容器的负极端接电池电压（3.3V～4.2V）。设计者就可以采用比方案１中更薄的超级电容器。在方案１中，升压转换器采用了限流，以便超级电容器在合理的时间内充电到5.5V,而在Flash模式下，超级电容器从5V充电到5.5V所用的时间少于LED闪光灯闪光之间所需的剩余时间。

同方案１不同的是，因为升压转换器的工作电压就是输入电压，因此，在上电瞬间不存在浪涌电流问题。我们选择Zetex ZXSC100作为升压控制IC，主要考虑它在设定最大电流时具有低成本和高精确性。ZXSC100的internal reference为25mV，用于Isense输入，所以，47mΩ电流感应电阻设定电流为  0.5A。如果电池电压为3.5V，则给图4中的CAP-XX GW118超级电容器充电所需时间为1.2F×(5.5V-3.5V)/0.5A =4.8s，充电到5.5V时，超级电容器需要1.2F×(5.5V-5.0V)/0.5A=1.2s的时间完成闪烁之间的放电，这个时间远小于LED闪光灯要求的热恢复时间，在闪光脉冲期间，升压转换器被关闭。

超级电容器的C值和ESR值可参照如下方法选择：
● 闪光脉冲结束时超级电容器的最终电压为5V，同方案1一样。
● 设定超级电容器的充电电压（升压输出电压）。单个CAP-XX超级电容器单元的工作电压是2.3V，如果能使LED闪光灯工作的电池的最小电压为 3.3V，那么，升压输出电压就是：3.3V +2.3V=5.6V。
● 现在，设定超级电容器的C值和ESR值。LED闪光脉冲前期的IR压降为ILED×（ESR+电池阻抗），从图4可以计算出为2A×(30mΩ+125mΩ)=310mV，则超级电容器还需要放电5.6V -5.0V-310mV=290mV，以达到最终5.0V电压，这决定了C=2A×100ms/290mV=0.69F。所以，在电池阻抗为125mΩ、ESR值为30mΩ时，超级电容器的C值必须大于0.69F，以保证在闪光脉冲结束时电压为5.0V，CAP-XX GW118显然有很大余量。

图5 测试波形表明闪光期间的大电流并没有对电池电压有太多影响

图5所示为图4电路的电压和电流波形，我们用GW101(600mF,80mΩ)替换了CAP-XX GW118，让升压转换器在闪光脉冲期间保持打开状态。电池除了提供LED闪光灯所需的2A电流，还提供超级电容器的充电电流200mA,总共是2.2A。LED在每个闪光脉冲时获取10W功率：电池提供7.7W,剩下的由超级电容器提供。

图6所示为不同的供电方案下的电池电流的对比。没有超级电容器的方案中由升压转换器的输入端的电池为LED供电，从图中可以看出，其典型电池电流和最大电池电流与LED的正向电压范围相关。方案1中，电池电流是恒定不变的，其大小由升降压转换器的输入限定电流决定；方案2中，电池电流等于LED的电流，但LED的功耗远大于电池功率，由超级电容器提供额外的功率。