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2021-04-11
刘埃生
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［摘要］ LED 已经成为移动电话中电影照明和相机闪光灯的标准解决方案。对于更高画质和更高分辨率的需求，要求更亮的闪光灯 LED 解决方案。所面临的挑战是如何通过实现最高效率的解决方案来从电池中挤压出最佳的光通量。这样一来，从电池吸收大电流的运行，要求具备许多省电运行特性以及一种稳健的系统设计。本文将介绍一种系统层闪光灯 LED 驱动器设计，以及能够确保系统安全运行和集成的一些特性。
高效的相机闪光灯 LED 驱动
高分辨率相机在最低光照环境下，要求有高亮度的闪光来完成照相。客户要求提供一种闪光灯解决方案作为手机的标准功能。安装闪光灯的移动电话已经成为一种有吸引力的卖点。这种特性需要高光通量，从而给高效 LED 驱动器系统设计带来了挑战。
系统设计
移动电话中闪光灯 LED 的高正向电压和电流以及给定的电池电压，让升压转换器成为最佳的解决方案。驱动大电流时，基于电感的升压转换器呈现出令人满意的效率。LED 必须为电流驱动，因为正向电压不仅仅随温度而变化，而且也有其自身的差异。正向电压的这种变化源自于其生产过程，其变化范围为 ±20%，请参见图 1。
图 1 闪光灯 LED VF / IF 图
将闪光灯 LED 与一个电流检测电阻串联，然后通过一个升压转换器来驱动，这是一种简单的方法。图 1 描述了这种方法。
图2使用外部电流检测电阻的简单LED 驱动方法
对升压调节器的输出电压进行控制，以匹配通过外部电阻检测的设定 LED 电流。不幸的是，这样做会让设计人员背离要从电池提供的有限电能中挤压出最高光通量的目标。外部电流检测电阻带有高功耗，其大小受到控制，目的是在低电流状态下也可以提供可用的裕量电压，从而为持续的电影照明提供驱动。另一方面，如果电流增加，则电流检测电阻的压降升高，带来大量的功耗。另外，具有理想功耗额定值的高精度电阻较昂贵，且会增加解决方案的体积，从而每条 LED 通道都要求一个电阻。
因此，更好的解决方案是一个集成在 LED 驱动器中的有源电流阱或者电流源，如图 3 所示。我们可使用一种压降和由此产生的功耗都得到降低的方法对内部电流检测电阻进行调节，具体调节情况取决于 LED 电流的大小。如果为低 LED 电流，则压降可以维持足够的高以获得精确的检测信号。
图3使用自适应电流阱和检测的改进型LED 驱动方案
电流阱不仅仅检测 LED 电流，通过动态调节电阻，其还可以对 LED 电流进行调节。所产生的电流阱压降作为动态调节升压转换器输出电压所需的信息，旨在任何电流电平下都能够将功耗控制在一个可接收的最低限度。
图4有源电流检测与电阻式电流检测比较
图 4 显示了使用一个 1Ω 电阻检测电流和使用一个调节至 400mv 压降的有源电流检测方法之间的比较情况。受益于低功耗，有源电流检测方法明显有助于更高的系统效率。
从电池挤压出光通量
过去，RF PA 从移动电话电池吸取最高的脉冲电流。随着过去 5 年间多功能手机的发展，处理器供电和本文重点介绍的闪光灯 LED 供电吸取了最高的电流。例如，如果要驱动 1.5A 的 LED 电流，从电池吸取的电流可高达 3A，这是因为升压转换器的电压比。如此高的电流会使电池电压急剧下降。欠压阈值检测机制会防止系统在这种情况下出现故障。在闪光灯开启时由于低电池电压电话会彻底关机，这是一种非常糟糕的用户体验。常用的解决方案是在低电池电压状态时让相机软件关闭闪光灯，相比之下不使用闪光的用户体验还不至于太坏。PMIC 提供的缓慢电池电压信息刷新率、电池温度和老化效应以及更严重的不准确性放宽了安全的界限。
如果闪光灯驱动器本身能够防止电池电压下降过多，那么就可以保持较小的安全界限。通过使用一个受控转换率升高 LED 电流，并在上升期间持续监控电池电压可以实现这一目标。
TI 拥有一种监控电池电压的闪光灯驱动器技术。要获得稳定的 LED 电流波形并且避免过多的电池压降，闪光灯驱动器要主动控制 LED 电流上升/下降顺序。在上升阶段（上升斜率为 25mA/12µs），要对输入电压进行监控。如果输入电压降至某个设定阈值以下，则器件即刻停止让 LED 电流进一步上升至该设定阈值，并将闪光灯电流保持在实际电平，参见图 5。
图5电池压降监控
因此，可以保证安全界限非常小，并且手机不会关机。电池周期中的不可逆电池压降得到避免，并且增加了电池总体工作时间。
安全系统集成
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