照相手機的LED閃光燈驅動電路設計的改進

劉常富

摘 要：攝影作為一門藝術，手機拍照軟件的功能日益強大，使得大眾也能夠近距離接觸。為了獲得更高的分辨率與畫質，在某些時候就需要利用到閃光燈。如何設計驅動電路使其能夠科學化與合理化，達成預期目標是設計人員不得不思考的問題。本文就照相手機的LED閃光燈驅動電路設計的改進做簡要闡述。

關鍵詞：照相手機 LED閃光燈 驅動電路設計

中圖分類號：TP9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0141-02

LED驅動電路是提升畫質的關鍵，常用的驅動控制器集成了升壓開關與控制電路。而用于續流與電感的二極管是外接的，電路的復雜性在增加的同時，PCB面積也會增大，而相應的成本也會增加，并且能量損耗較大。手機天線與驅動電路距離較近，為解決EMI干擾，常用的方法是單方面提升電壓，但是方法的實際應用價值較低。

1 閃光燈的類型與工作原理

閃光燈可以將其分為兩個類型，發光二極管與氙燈，二者作用與原理均存在差異。對于氙燈而言，其實質是柱狀燈管內充滿氙氣，陰極與陽極和氣體相接觸。燈管外部分布有觸發電極，通過玻璃外層傳送電壓脈沖從而使管柱內部的氣體離子化，阻抗降低，允許高亮度光源電流在陽極與陰極之間流動。電脈沖減弱的過程，燈管的電壓也會持續下降，直到恢復到高阻抗狀態，等待下一次觸發。

LED燈與型燈泡相似，和白熾燈區別之處在于燈絲溫度較低，LED光源產生是利用電子在半導體內部移動，而導致其最終發光的則是將各種雜質添加于發光硅之中上，電流通過時會發出光子。LED作為手機相機閃光燈時可以使用兩種不同的連接方式，串聯與并聯，前者是相同電流流過所有LED，能夠獲得鍵盤背光與均勻亮度，主要適用于尺寸較大TFT面板。但是手機相機應用此種方案的不足之處在于儲能電容的尺寸大。容量與閃光燈的電流、升壓轉換器輸出電流、串聯LED燈數量、閃光時間等存在密切聯系。而在選擇并聯方式時，可以獲得更高的亮度，只需要小型電容器進行濾波就能夠達成目的。

氙燈與LED應用于手機相機，主要的區別在于前者可以提供更高的亮度，線源輸出獲得的亮度更加均勻，但是不足之處在于驅動電路復雜。

2 LED閃光燈驅動控制電流方案

驅動電路依據特性可以將其分為恒流型與恒壓型，而依據其工作的原理可以將其分為電荷泵電路與Boost電路。其中恒流與恒壓型，LED燈是電流驅動型的器件，電流與亮度成正比，恒壓型的驅動電路，通常是電阻串聯于LED燈，以此確保流過LED的電流穩定，此種方式也能夠消除正向電壓產生變化時導致的電流變化，LED的亮度能夠固定。對于電荷泵與Boost而言，由于手機工作電壓是固定的，LED正向電壓范圍通常要高于手機工作電壓的范圍，因此在低壓與高壓輸入時，需要利用升壓電路將電壓升高從而驅動LED。閃光燈在驅動的時候通常會采用兩種方式。Boost利用電感用為儲能元件，其優點體現在高效率。電荷泵無需外接電感，因此無需考慮電磁干擾等問題，問題解決方案占用的PCB面積較小，工作效率比較低，閃光燈工作的時間非常短，因此不會對電池使用時間造成較大的影響。

3 系統設計

手機LED閃光燈高正向電流與電壓，給定電池電壓，使得升壓器成為了最好的解決方案。大電流驅動時，升壓器能夠表現出優異的效率，LED則是電流驅動。正向電壓會隨著溫度變化而出現變化，并且其自身也會存在差異。正向電壓產生的變化主要是源于其自身生產過程。其變化的范圍大大概在20%范圍內。

將LED閃光燈串聯于電流檢測電阻，通過升壓器驅動，此方法較為簡單。控制升壓調節器輸出電壓，從而使通過外部檢測的LED電流能夠匹配，但是此方法的不足之處在于無法從電池提供有限電能獲得最高光通量。外部檢測電阻其功耗非常大，并且其大小受到控制，作用在于即使處于低電流狀態，也能夠提供可用的電壓，從而滿足持續照明的需要，為其提供驅動。電流在增加的同時，檢測電阻壓降上升，功耗就會相應地增加。高精度電阻的功耗額定值較為理想，但是應用成本高，同時也會使體積增大，每條LED通道都要增加電阻。借助電容器升壓電路圖，電容器升壓電荷泵從應用成本方面講更加合理，PCB板除過電荷泵與LED外，只需要較少容器與電阻，占用的面積小。選擇電感升壓電路，除過升壓與LED外，需要電感器、二極管以及數量不等的電容器與電阻器。考慮到手機的特殊應用，手機相機的鏡頭、LED顯示屏、閃光燈位置通常在手機上方，此位置與手機射頻電路距離較小，需要考慮到串擾與防輻射。

4 照相手機的LED閃光燈驅動電路設計改進

針對設計工作存在的問題，解決的方案是集成于照相手機的LED驅動器的電流源，可以對內部電阻進行調節，從而使功耗得以降低。而具體調節的情況需要由LED電流大小來確定。如果LED電流降低，壓降能夠保持獲得足夠精度的信號，驅動LED電流不需要較大的電流，但是電流要求其穩定。采用的電流模式在DCM模式下工作，由此可以確保在較低的負載電流下具有較高的工作效率并且無需補償電路。利用雙電流反饋環進行控制，電感電流與負載LED電池反饋環，從而使其能夠快速對負載電流做出反應，使負載電流保持穩定。

電源電流在對LED電流進行檢測的時候，還需要對LED電流進行調節，而對后者進行調節，主要是通過對電阻進行動態調節。依據產生的電源壓降，將其作用為動態調節升壓器電壓輸出的信息。

從電池擠壓獲得光通量，以往RFPA從移動電話電池獲得最高脈沖電流，而隨著手機技術的發展，LED閃光燈與處理器供電需要最高電流。比如驅動1.5ALED電流，需要從電池獲得3A的電流，原因在于升壓器存在轉換電壓比，高電流導致的后果是節能電池的電壓快速下降，而欠閾值檢測機制的存在則會避免系統在此種情況下出現問題。閃光燈在開啟的時候，電池電壓過低就會自動關機，由此會形成非常糟糕的用戶體驗。解決此問題的方法是，電池處于低電壓狀態時，相機軟件需要關閉閃光燈，而不使用閃光燈則不至于形成糟糕的用戶體驗。

利用監控電池電壓閃光燈驅動技術，在獲得穩定的LED電流波形的同時需要避免電池壓降過多，閃光燈驅動器控制的對象主要是LED電流下降與上升的順序，上升環節監控的對象主要是電壓。如果輸入電壓下降到低于設定的閾值之下，器件則需要停止使LED電流持續上升到設定的閾值，而閃光燈的電流則維持實際工作水平。由此也可以確保較小的安全界限，而手機關機的問題也可以避免，同時也能夠避免電池周期不可逆壓降，電池工作的時間也能夠明顯增加。

5 結語

通過上述問題與解決方案可以看出，升壓倍數與工作效率二者之間是反比關系，工作效率越低的時候，升壓的倍數就會越高。而在同一種工作模式下，效率會隨著輸入電壓變化而相應變化，具體表現為輸入電壓降低的同時，工作效率會相應的提升，從而使電池能夠在較大的電壓范圍內保持高工作效率。因此LED驅動電路在設計的時候，在驅動高脈沖電流時，聚光燈要確保其運行不存在故障，而設計工作人員為手機生產廠商提供了無縫系統集成方案，該方案具有特性集成，安全運行與標準等特性。隨著技術的發展，以往手機相機在運行時存在的問題將會獲得更好的解決方案，從而為顧客提供更好的用戶體驗。

參考文獻

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