手机相机的LED闪光灯驱动设计

手机相机的 LED 闪光灯驱动设计 Sipex FAE 陈建魏 每年市场上出现几百款手机，这些手机的基本功能都一样，就是通信。手 机的周边设计是增加手机附加功能、增加手机卖点、增加手机新的利润主要方 法。不同的手机在于外围功能，譬如外观，屏幕颜色亮度，多媒体功能，蓝牙， 照相机功能等等。手机集成照相机功能是现在手机设计的必然趋势，手机相机 的象素也变得越来越高。为了获得更好的图象效果，手机相机的闪光灯功能也 变得越来越重要。 目前手机市场上主要采用的是 LED 闪光灯。Flash LED 只需要 3.5—4.5V 的直流电压、120-250mA 的电流就可使其发出 2000mcd—7500mcd 的高亮度光 线，LED 低压闪光灯电路简单、高效、省电、低成本、占 PCB 面积小，特别适 用于手机、数码相机和手持设备，因此赢得了整个手持影像产品市场的青睐。 1， LED 闪光灯驱动控制正向电流方案： LED 闪光灯的驱动电路按驱动电路输出特性可以分为恒压型和恒流型，按 电路工作原理可以分为 Boost 电路和电荷泵（charge pump）电路。 1．1，恒压型和恒流型。LED 灯是电流驱动型器件，其亮度与电流成比率 关系。 在恒压型的驱动电路中，往往串联一个电阻在 LED 灯上，来确定产生预期 正向电流所需要向 LED 提供的电压。这种方式有一个缺点，就是 LED 正向电 压的任何变化都会导致 LED 电流的变化，从而无法保证流过 LED 的电流是预 设值，也就无法确保 LED 的辉度恒定。 在恒流型驱动电路中，通过检测串联在 LED 灯上电阻的电压来保证流过 LED 的电流恒定。这种方式可以消除正向电压变化所导致的电流变化，因此， 可产生固定的 LED 亮度。 1．2，Boost 和电荷泵。由于手机电池电压工作范围一般为 3.6V～4.2V， 而 LED 的正向电压一般为 3V~4V，所以在低压输入，高压输入的时候，必需 采用升压电路把电压升高以驱动 LED。闪光灯驱动一般采用两种方式升压，电 感做储能元件的 Boost 电路和采用电容做储能元件的电荷泵。 Boost 采用电感做储能元件，它的优点是效率相对较高。其原理图可简单表 示如下： 0 Vout Controller Vin Q1 C1 L1 D1 现在市场上的 LED 闪光灯驱动控制器都集成了控制电路和 Boost 开关管， 但是电感和用于续流的肖特基二极管还是必需外接，从而增加了电路的复杂性， 成本和 PCB 板的面积。此外，由于闪光灯驱动电路和 LED 灯，显示屏，手机 天线一般位于手机上端，与手机的射频电路靠得很近，有效防止驱动电路电感 的 EMI 干扰也是很重要的问题。 电荷泵采用电容做储能元件，其原理图可以表示如下： Vin Vout Q4 C2 Q2 C1Vin Q1 Q3 电荷泵不需要外接电感，所以不会产生电磁干扰的问题，整个 solution 所 占 PCB 板的面积也较小。但相对来说效率较低。由于闪光灯工作时间非常短， 持续时间一般为 100～300ms，所以效率对电池使用时间的影响不是太大。 2， Sipex 公司 LED 闪光灯驱动系列： Sipex基于电荷泵工作模式推出了一系列闪光灯驱动芯片，SP6686，SP6685， SP7685，闪光电流分别为 400mA，700mA，1.2A。由于开关频率达到了 2.4MHz， 所以输入输出电容和电荷泵的 fly 电容都可以选择比业内其他产品较小的容值。 这三款产品都 pin to pin 兼容，仅仅闪光电流的最大值不同，所以下面仅以 SP6685 为例来介绍这系列产品。 下图为 SP6685 工作原理图： Sipex闪光灯驱动系列的外围电路非常简单，仅仅需要三个电容两个电阻。 Rsense和RSET电阻用来设定闪光模式和常亮模式的LED电流。 2．1 SP6685 的常亮模式： SP6685 是恒流型工作模式，在常亮模式下，FB 脚的电压为 50mV（典型值）， 于是 LED 灯上的电流即： ILED=50mV/Rsense 需要指出的是，由于FB的电压为 50mV，所以即使通过满载 200mA的电流， Rsense上的功耗为： Psense=50mV*200mA=0.01W 所以仅仅用 0603 封装的 SMD 电阻就可以满足要求。而在恒压输出的工作 模式的驱动电路中，限流电阻就必须选择较大的封装。以 5V 输出为例，这是 大部分闪光灯驱动芯片选择的输出电压，见下图： LED 的正向电压一般为 3V－4V，当输出电压为 5V 时，加在限流电阻上的 电压为 1V～2V，以闪光电流 200mA 为例，限流电阻上的功耗为： PR＝U×I＝（1V～2V）×0.2A＝0.2W～0.4W 这就必须采用4个1206封装的贴片电阻，相比采用一个0603电阻的SP6685 来说，整个方案的 PCB 面积就大大增加了。 相比于恒压输出的电荷泵，SP6685 的效率将凸现其优势。电荷泵的效率η 取决于输入电压Vin，LED的正向电压Vf和升压倍数K（1X，1.5X, 2X），其方程 式为： η＝Vf /(Vin*K) 由于手机电池的工作范围为 3.6V～4.2V，当输出电压为 5V 时，电荷泵必 须工作在升压模式下，即 K 必须为 1.5 或者 2。而实际上，当输入电压高于 LED 的正向电压 Vf 一定幅值时，电荷泵可以工作在 1X 模式下，这个时候的效率将 大大超过 1.5X 和 2X 模式下。 2．2 SP6685 的闪光模式： SP6685 在闪光模式下的FB电压由RSET决定，计算如下： VFB＝(1.26V/RSET)*11.2KΩ 其中，1.26V 是芯片内部的参考电压，11.2KΩ是内部限流电阻。 这样，LED 灯上的电流为： ILED＝VFB/Rsense。 由于LED的电流不通过RSET，所以RSET上几乎不消耗功率，可以选择 0603 或者 0402 封装的电阻。在整个闪光驱动的方案中，仅仅需要两个 0603 封装的 电阻和三个 0805 封装的电阻，所需的PCB面积为 5.4mm*3mm，这在业内做到 了最小的体积。 3， SP7685/6685/6686 在业内的优势： 总上所述，Sipex 公司的闪光灯系列产品在业内处于绝对领先的地位，其优 势为： 1，采用电流控制模式，使 LED 上的电流和辉度可以精确控制。 2，外围器件最少，所需电阻的封装最小，所以整个方案的面积最小。 3，开关频率最高，所以可以选择较小容值的滤波电容和 Fly 电容。 4，不需要电感，不会产生 EMI 干扰问题。 5，可以工作在 1X模式下并且反馈电压低至 50mV，所以 SP7685/6685/6686 的效率在采用电荷泵模式的芯片中为最高。 6，SP7685 内置 Timeout 功能，在闪光模式下 2.5 秒后自动关机，从而保护 了 LED 灯，以免 LED 过热。 7， 拥有业内最大的驱动电流（达 1.2A），并有 700mA，400mA 不同等级 的驱动芯片供选择。