在手機(jī)市場中,，將高像素的圖像處理器整合至手機(jī)當(dāng)中已差不多成為了標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的主要照明選擇，但對于移動手機(jī)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(shí)在有限,，以致體積較大的氙氣燈方案顯得不切實(shí)際。幸好手機(jī)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(yīng)付超過或相當(dāng)于1A的脈沖電流。但這些技術(shù)突破也為設(shè)計(jì)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(guān)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(shè)計(jì)人員在選擇閃燈LED驅(qū)動器時(shí)便能更加得心應(yīng)手,。
解決方案的尺寸
手機(jī)設(shè)計(jì)人員需要面對的第一個(gè)問題是,，究竟有多少的電路板空間可讓照相機(jī)閃燈運(yùn)用？在LED閃燈驅(qū)動器領(lǐng)域中,，最普遍的兩種升壓技術(shù)是開關(guān)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(guān)電容器的方案一般比較細(xì)小,，而大部份的開關(guān)電容器均由四個(gè)陶瓷電容器和兩個(gè)外部電阻器組成。針對這些應(yīng)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(guān)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(dǎo)體LM2758,，其整體方案尺寸少于15mm2,。此外，開關(guān)電容器解決方案還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),，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(gè)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(guān)電容驅(qū)動器的為大,，一個(gè)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(gè)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(gè)通路FET(典型為一個(gè)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(shí)現(xiàn),。與采用開關(guān)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(yīng)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(gè)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(gè)要面對的問題是設(shè)計(jì)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,。基本的閃燈驅(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(guān)機(jī),、提示燈、手電筒和閃燈）,。假如設(shè)計(jì)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(yīng)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(guān)功能,，而且還可讓用戶動態(tài)地設(shè)定手電筒和閃燈的亮度。此外,，假如設(shè)計(jì)包含有閃燈保險(xiǎn)計(jì)時(shí),、電感器電流限制或過壓保護(hù)級等功能的話，也可透過I2C接口進(jìn)行配置,。另外,，當(dāng)微控制器/微處理器的通用輸入/輸出(GPIO)線路不太足夠時(shí),，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(dǎo)體的LM3553都提供有額外的控制接腳,，以進(jìn)一步協(xié)助設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(jī)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(jī)設(shè)計(jì)均可允許負(fù)載電池電壓下降至3.2V而不會進(jìn)入重設(shè)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(shè)，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(gè)很短的時(shí)間內(nèi)(少于100μs)維持在較低的水平,，以免手機(jī)在通話期間誤進(jìn)重設(shè)狀態(tài),。
效率
效率已經(jīng)是手機(jī)設(shè)計(jì)的老議題了，只要系統(tǒng)的效率愈高,，用戶可用的通話時(shí)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(guān)電容器部件只局限于數(shù)個(gè)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(dá)到的平均轉(zhuǎn)換器效率比電感式升壓的較低,。當(dāng)評估一個(gè)LED驅(qū)動器時(shí),，效率的意義會有點(diǎn)不同。
轉(zhuǎn)換器效率或是LED驅(qū)動效率?
當(dāng)面對閃燈LED驅(qū)動器時(shí),，必須先考慮某些效率上的損耗才能計(jì)算出解決方案的真正效率,。為了獲得一個(gè)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(gè)電流汲入/源(current sink/source)或一個(gè)嚴(yán)格控制的參考電壓,，再連同一個(gè)電阻器去設(shè)立負(fù)載電流,。然而，這兩種不同的方法都各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),，必須注意由這兩個(gè)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(jì)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(gè)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(gè)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(shè)面前有兩個(gè)不同的閃燈LED驅(qū)動器和兩個(gè)不同的閃燈LED,。第一個(gè)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(gè)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(gè)給定的電流下，兩個(gè)LED所產(chǎn)生的光輸出量相同而且同時(shí)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(jì)算,，第一個(gè)驅(qū)動器從電池取用1.6A的電流，而第二個(gè)驅(qū)動器則只從電池取用1.3A的電流,。撇開第一個(gè)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(gè)閃燈驅(qū)動器一樣的光輸出量。這個(gè)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(dāng)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(shí),，由于操作的時(shí)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(shí)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(guān)注的效率,，是能否在一個(gè)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(qiáng)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(jī)設(shè)計(jì)人員能更靈活地為系統(tǒng)的其他部份進(jìn)行電源管理,。
光輸出的優(yōu)化
LED閃燈驅(qū)動器的光輸出優(yōu)化牽涉兩個(gè)主要因素(假如包括成本便是三個(gè))：手機(jī)圖像處理器要求的光照度，以及有多少的功率可以用來作照明?就一個(gè)給定的輸入功率預(yù)算而言,，有三個(gè)途徑可提高閃燈的亮度以幫助設(shè)計(jì)人員達(dá)到所需的照明要求,，這就是LED的選擇,、LED電流驅(qū)動和LED配置，它們在閃燈LED驅(qū)動器優(yōu)化上均扮演舉足輕重的角色,。
選擇LED
如上述所提及的第一個(gè)優(yōu)化元素,，就是要選擇一個(gè)具有高發(fā)光效率的LED。一個(gè)具備較高光效的LED可在一個(gè)給定的功率下放射出更大的光通量(流明),。在一個(gè)給定的電流下,，發(fā)光效率等如LED光通量除以LED驅(qū)動電流與順向電壓的乘積。光通量曲線可以在大部份的LED制造商所提供的規(guī)格表中找到1,。
當(dāng)選擇LED時(shí),，手機(jī)設(shè)計(jì)人員不要只單單考慮LED的光學(xué)性能，而必須同時(shí)考慮LED的尺寸和成本,，以及務(wù)求將LED光照度提升到最高的鏡片復(fù)雜度,。
提高驅(qū)動電流
選好LED之后，第２個(gè)可增加光輸出的途徑是提升實(shí)際的驅(qū)動電流,。使用圖2中的光通量曲線,，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)二極管電流從500mA提升到1A時(shí)會大概會有30流明的光輸出量增加?？墒?，增加二極管電流也會帶來一些反效果。假如將二極管電流增大一倍,，所增加的二極管電流和順向電壓便會導(dǎo)致LED的功率增加超過一倍,，而這種LED功率提升，會使系統(tǒng)對輸入功率的要求提高,。圖3表示出順向電流對LED順向電壓的影響,。
為了增強(qiáng)LED驅(qū)動器電流系統(tǒng)內(nèi)部的優(yōu)化，必須先建立輸入電流的預(yù)估值,。一旦計(jì)算出最低輸入電壓和最大輸入電流的值后,，便可從LED順向電壓對LED電流的曲線(圖3)找出數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步計(jì)算出閃燈LED驅(qū)動器的最大允許驅(qū)動電流,。
算式3
POUT CONV IIN VIN = ILED VLED + VFEEDBACK
例子
VIN = 3.2V, IIN = 1.5A,CONV = 85% VFEEDBACK = 350mV
輸入功率 = 4.8W,，最大輸出功率 = 4.08W
從圖中的曲線可見，在3.6V 和 1A 電流下的LED所產(chǎn)生的輸出功率等如3.95W (PLED + PFEEDBACK) ,，這數(shù)值與最大允許值非常接近。
配置
假如選用的已經(jīng)是具備有高光通量和高光效的LED,，但在閃燈電流優(yōu)化之后仍達(dá)不到所需的光照度,，那么只要在設(shè)計(jì)中加入第２個(gè)或第３個(gè)LED便可將目標(biāo)拉近。再次參看光通量對LED電流的曲線(圖2),，可以發(fā)現(xiàn)曲線并不是完全的線性,。由兩個(gè)只用一半閃燈電流操作的LED所產(chǎn)生出來的光通量,，將比一個(gè)以全閃燈電流操作的LED所能產(chǎn)生的更多。此外,，兩個(gè)在一半閃燈電流下操作的LED之總功率也較一個(gè)全閃燈電流操作的更低,。如此一來，便可在既定的輸入功率預(yù)算內(nèi)為兩個(gè)LED提供更大的總輸出電流,。這兩個(gè)LED可以用并列或串行的配置方式來驅(qū)動,。
例子
下列3種配置的VFB均為350Mv，而且同樣可產(chǎn)生73流明,。
1 LED @ 1A: POUT = (3.6 1A) + (1A 350mV) = 4.08W
2 LEDs @ 350mA(并列l(wèi)):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種配置的VFB均為350Mv,，而且它們的輸出功率均很接近。
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
當(dāng)驅(qū)動兩個(gè)LED時(shí),，串行配置比起并列配置具有更多的優(yōu)點(diǎn),。將兩個(gè)LED以串行方式驅(qū)動可確保流經(jīng)兩個(gè)閃燈LED的電流均一致。在并列配置中,，兩個(gè)電流源與LED電流的典型匹配性為1％～3%,。但大部份的閃燈驅(qū)動器只有一個(gè)電流汲入(current sink)，如果硬把兩個(gè)LED連接到單一個(gè)電流源/電流汲入時(shí),，LED順向電壓的失配便會導(dǎo)致嚴(yán)重的LED電流失配,。要解決這個(gè)問題，便需加入一個(gè)串行鎖流電阻器,?？墒牵瑸長ED加入串聯(lián)電阻會同時(shí)減低輸出電流的預(yù)算和降低可使用的閃燈電流量,，以致出來的閃光較弱,。此外，假如串行和并列配置中的LED電流是一樣,，驅(qū)動兩個(gè)串聯(lián)的LED還可將由電流控制元素(電阻器或電流汲入)所造成的輸出功率耗散減少一半(PFB-Series = ILED VFB and PFB-Parallel = ILED VFB2),。
總結(jié)
為手機(jī)系統(tǒng)加入白光LED照相機(jī)閃燈會牽涉很多設(shè)計(jì)選擇，而在決定閃燈所能占用的電路板空間時(shí),，也間接決定了將選用的拓樸結(jié)構(gòu),。此外，傳輸和閃燈啟動接腳之類的功能可讓其他的子系統(tǒng)協(xié)助處理某些電流管理工作和閃燈定時(shí),，從而減輕電池和微控制器/處理器的工作壓力,。再者，高光學(xué)效率的LED配合高效的升壓轉(zhuǎn)換器可有助提升閃燈系統(tǒng)的光照度,。假如單一個(gè)LED不足以在昏暗的環(huán)境下提供足夠的照明,，可在設(shè)計(jì)中加入第二個(gè)LED來解決亮度不足的問題。在選擇LED閃燈驅(qū)動器時(shí),，應(yīng)在設(shè)計(jì)初期考慮上述的問題,，只要及早解決這些問題,，所有煩惱都可一掃而空。