LED驅動晶片 智慧手機 智慧型手機 Smart Phone 拓撲架構 CMOS LED 閃光燈 ISP

採用電感式拓撲架構 LED閃光驅動電路微縮有譜

2012-07-09
智慧型手機已經成為性能卓越的行動裝置,雖然第一款照相手機誕生至今已有多年,但是在黑暗中拍照所使用的閃光燈功能至今仍然發展緩慢,沒有取得很大的進展。
近期,隨著功率發光二極體(LED)的發展,其鮮明的亮度和小巧的體積為智慧手型機製造商帶來無限商機。但到目前為止,儘管已能實現與智慧型手機匹配的高畫面品質,但LED閃光燈仍然較難應用到智慧型手機模組中。其主要障礙是閃光驅動電路難以滿足手機製造商對尺寸、成本和效率的要求。

閃光驅動電路選擇各有優劣

手機內的相機其實是一個照相機模組,包含鏡頭、機械元件、自動對焦線圈和互補式金屬氧化物半導體(CMOS)感測器。影像感測處理器(ISP)則被放置在相機模組或手機主印刷電路板(PCB)中。

目前市場上共有電容LED驅動、電感式LED驅動、氙氣閃光驅動和超級電容LED驅動等四種不同類型的閃光驅動晶片。閃光LED具有4.03.3伏特(V)的電壓要求,因此閃光LED驅動電路必須調節手機電池的電壓,使其在4.23.3伏特間波動,電壓的波動取決於電池的充電狀態。

電容LED驅動晶片能夠提供約700毫安培(mA)的閃光電流。這類驅動晶片由於易於設計,且體積小巧、價格便宜,因而非常普及。但此類產品有兩個主要缺點:雖然最適合應用於單LED裝置,但是受限於700毫安培電流的影響,無法為高品質的影像捕捉提供足夠的光線輸出;此外,該驅動晶片效率較低。

阻礙電容驅動晶片的原因是充電泵只能增加1.5或2倍的電池電壓(圖1)。不需要的多餘電壓必須消散,這會導致效率下降並產生熱量。許多使用充電泵的閃光LED驅動晶片供應商都提供雙平面無引腳封裝(DFN)和四方平面無引腳封裝(QFN)以做到更好的熱管理,但這無法解決根本問題。

圖1 700毫安培電容LED驅動晶片與最高2,000毫安培的電感式晶片效率對比圖

因此,手機設計師開始將目光轉向電感式LED驅動晶片,以此彌補電容驅動晶片本身的缺陷。電感式驅動晶片可以產生高達2安培(A)的電流,並可以驅動雙LED,效率更高。雙LED設計可提供更高的光線輸出,當然也會比單LED設計占用更多空間及產生更高的成本。

電感式驅動晶片的操作,本質上比電容驅動晶片具有更高效率,在電流消耗和熱管理方面提供更多優勢。另一方面,由於電感式驅動晶片必須容納相對體積較大的電感器,因此體積也較大。

電感式驅動晶片效率高低,則取決於電感器的損耗、直流轉換器中P通道金氧半導體(PMOS)和N通道金氧半導體(NMOS)的電阻值及電流的壓降。有些閃光LED驅動晶片包含高側(High-side)電流源,若LED的陰極直接接地,可以提供更好的散熱效果,但這在一些手機設計中是無法實現。NMOS的低側(Low-side)電流具備低電阻和較小電晶體尺寸的優勢。

氙氣和超級電容閃光這兩種類型的驅動器,更適合照相鏡頭位於中心位置的智慧型手機。氙氣燈泡提供短而明亮的光脈衝,能夠拍攝出高畫質相片品質和清晰的畫面。然而,實際來說,氙氣燈泡和驅動模組的尺寸會讓薄型的智慧型手機外形顯得過於龐大,且對材料預算而言也過於昂貴。

電感式驅動晶片提供高電流

相片品質的高低,為智慧型手機廠商提供明確的產品差異化策略。這意味著,各廠商將爭相使用小巧、高效的閃光LED驅動晶片以達到高亮度輸出,該晶片同時還須具有確保在各種情況下均可安全運作的功能。

圖2顯示閃光LED驅動晶片如何被應用在行動環境下。影像感測處理器發出的閃光燈訊號觸發閃光驅動晶片。TX Mask訊號是一種保護性的訊號,其功能是防止閃光驅動晶片和功率放大器同時產生高電流,這可能會導致手機重置,而令人十分不愉快。因此,一旦產生TX脈衝,驅動晶片將減少閃光電流以避免電池超載。

圖2 標準閃光LED系統

電感式驅動晶片設計的關鍵是電流調節器,須具有低恆流輸出電壓,恆定電流是功率LED操作的基本要求。這種電流調節器可以是高側PMOS電流源或低側NMOS電流。後者擁有低恆流輸出電壓,比PMOS電流源更具優勢。這將有助於提高效率,實現更小晶片尺寸,並降低成本。

採用低側電流的決定相當重要。拓撲結構的低功耗,也代表著浪費更少的熱消散,這表示能採用更小的封裝,與採用高側電流源拓撲結構相比,將提供更高的光線輸出。

智慧型手機的電池輸出電壓在放電週期中會逐漸下降。完全充電時,足夠的電池電壓可驅動LED閃光燈而不須提升電流池電壓。在這種情況下,電源通過PMOS上不斷開合的開關流經直流轉換器,因此直流轉換器的輸出電壓會接近電池的電壓。而電流將增加電阻直到LED閃光燈取得特定的電流,而多餘的電流將作為熱量被消耗掉。

當局部放電後,電池電壓會下降,這時候就需要升壓轉換。驅動晶片的直流轉換器被開啟以調節電壓,同時確保能夠以特定的電流驅動LED和電流。

電感式驅動器的拓撲結構能夠提供高強度閃光燈所需的高電流。該技術能夠採用特殊封裝形式並使其適合在空間和功率受限的應用中使用。

(本文作者任職於奧地利微電子)

本站使用cookie及相關技術分析來改善使用者體驗。瞭解更多

我知道了!