如今照相手機被作為正式的數碼相機使用，使用者希望在低照度情況下也能拍攝出高質量的照片，因而照相手機中需要增加一個照明光源。白光LED作為相機閃光燈在照相手機中應用廣泛。本文詳細討論了在照相手機中設計白光LED時的各種考慮因素。文章描述了白光LED驅動電路的串聯和并聯工作模式，并以安華高科技的HSMW-C830/C850閃光燈模塊為例討論了具體的電路設計方法。
如今“標準的”可拍照手機能提供640×480像素分辨率以實現30萬像素的圖像大小。在2004年初，當時最先進的可拍照手機提供了1,600×1,200像素的圖像——大約200萬像素圖像大小，而且還能拍攝視頻短片及使用可插拔的存儲卡，在某些產品中還集成了自動對焦和其它相機功能。某制造商宣布在2005年推出700萬像素的可拍照手機。
結果是如今可拍照手機被當成“正式的”數碼相機使用，并且消費者期望能夠在低光照亮度的條件下拍攝高質量的照片，因此增加一個照明光源并且不會很快耗盡手機電池的需求開始出現。
現在有兩種數碼相機閃光燈可供選擇：氙氣閃光燈管和白光LED。氙氣閃光燈由于具有高亮度和白色光的特點，因而廣泛用于膠卷相機和獨立的數碼相機。而大多數可拍照手機則選擇了白光LED照明。表1比較了這兩種閃光燈。
表1：氙氣閃光燈與LED閃光燈的比較
LED是電流驅動器件，其光輸出由通過的正向電流決定。LED的頻閃速度要快于任何其他光源，包括氙氣閃光燈，它具有很短的上升時間，范圍在10~100ns之間。現在白光LED的照明質量可與冷白色熒光燈媲美，色彩表現指數接近85。
在多數情況下，LED的最大光輸出受其能承受的最大平均正向電流限制，該最大平均電流主要取決于LED芯片/封裝的功耗水平以及它所附著的散熱片的散熱性能。在閃光燈應用中，可以用占空比很小的脈沖電流來驅動LED。這使得在實際脈沖期間電流以及電流產生的光輸出顯著增加，同時仍然保持LED的平均電流水平和功耗在其安全額定值內。
與氙氣閃光燈相比，LED閃光燈具有更低的功耗，而且驅動電路所占空間很小。此外驅動LED閃光燈不會產生很大的電磁干擾(EMI)。這些優點促成了LED閃光燈在可拍照手機中的應用。而且同一個LED閃光燈還能用作連續的光源，這使得其可用于視頻應用以及手電筒功能。圖1展示了LED閃光燈是如何整合到可拍照手機中的。
圖1：LED閃光燈如何集成到可拍照手機中
為可拍照手機閃光燈應用選擇LED
盡管在閃光燈LED領域沒有封裝和電子上的標準，但是制造商為相機閃光燈應用定義了很多LED零組件。當要在可拍照手機中進行LED閃光燈設計時，需要考慮的準則是：
1. 光學特性；
2. 電子設計簡易性和靈活性；
3. 脈沖調制功能；
4. 可以有效級聯以得到更高光輸出；
5. 散熱考慮；
6. 制造和裝配考慮。特別是LED模塊與可拍照手機使用的制造工藝的兼容性。 光學特性
當前在可拍照手機中使用的大多數數碼相機模塊具有50~60°的視角，需要至少3到5勒克斯(Lux)的亮度以獲得好的照片。因此，一個光照角度為50~80°的照相閃光燈是最佳選擇。光照角度超過80°將造成一部分光線落到相機覆蓋區域之外，從而降低LED光輸出的利用率。相反，一個具有更小光照角度的閃光燈可能導致拍攝的照片邊角出現暗區。
現在市場上供應的大多數用于相機閃光燈的LED組件都具有很寬的照明角度。通過二級光學組件可以對該角度進行精細調整，然而這些光學組件有兩個主要缺點。首先，由于轉換效率的原因，二級光學組件將造成大約12%的光損耗；其次，使用二級光學組件增加了可拍照手機的成本、占用了額外的空間并使制造工藝與設計過程復雜化。
就安華高科技制造的LED閃光燈模塊來說，其弧形設計使LED發出的光集中，形成一個60°的朗伯(Lambertian)輻射模式，從而使得落在典型的相機視場內的光輸出強度最大化。
安華高科技公司的每一個閃光燈模塊集成了3個InGaN LED裸片，這些裸片在模塊內采用并行連接(HSMW-C830)或者串行連接(HSMW-C850)，每個模塊只有陰極和陽極兩個端子。這兩種方式使用起來各有優缺點(表2)。
表2：串聯LED和并聯LED的比較
易于級聯和散熱
安華高科技在設計HSMW-C830和HSMW-C850時，使它們在機械和電子上能夠級聯。封裝特意做得很薄，這樣方便設計師將兩個模塊層疊使光輸出倍增，這種組合方式占用空間最小。如果兩個模塊垂直層疊，其組合后的尺寸只有7.0×4.4mm2。
大多數LED閃光燈模塊采用共陽級方式將LED連在一起。閃光燈模塊的串行級聯需要驅動器能同時提供高電流和高電壓，而將它們并行級聯會造成潛在的光輸出亮度變化的問題，這是因為在兩個模塊之間電流可能分配不均勻。HSMW-C850將所有三個芯片串行連接。如果將其級聯，只需調節電壓，而無需改變驅動電流，從而不會有兩個模塊接受的電流不同的問題。此外，市場上現有的升壓轉換器具有高適應電壓低電流驅動的特點，而不是高電流驅動低適應電壓，因為這樣能節省整體功耗。
LED閃光燈模塊在工作期間可能會產生相當高的熱量，因此在設計導入過程中必須考慮散熱應對措施。大多數手機設計者由于受空間限制，更愿意采用柔性印刷電路板(這種電路板的散熱性不好)，而不是FR4 PCB材料。安華高科技的閃光燈模塊具有較低的封裝熱阻，可以有效地釋放LED產生的熱量。安華高科技公司的閃光燈可以在環境溫度+55°C下，以80mA的電流連續5秒照明。
電路設計
移動電話中的鋰離子電池是電壓源，其輸出電壓隨保持的能量大小而變化(通常在2.8~4.2V之間)。因為LED為電流驅動器件，其需要恒流源驅動以獲得一致的光輸出。電荷泵轉換器和電壓升壓轉換器是兩種可行的適合于驅動LED閃光燈的DC/DC轉換拓撲結構。
閃光燈照明的必要時間長度由具體相機模塊的特定要求決定。只要照明時間不短于模塊的成像時間，就不會影響照相效果。一般而言，200~300ms的照明時間就足夠了。安華高科技的閃光燈模塊在脈寬時間短于200ms的情況下，驅動電流可以達到180mA，提供了10lux的亮度。在連續工作條件下，最大允許電流為80mA，產生大約為6lux的亮度。
圖2為HSMW-C830閃光燈模塊，其并聯LED用TPS60230電荷泵IC供電。
圖2：使用電荷泵IC驅動并行連接的LED
通過從ISET管腳連接一個外部電阻(10kΩ)到地(GND)，經過D1到D6管腳提供了約16mA的恒定電流。LED閃光燈吸收78mA的電流。需要兩個1μF和兩個0.47μF的外部電容。此外，由電流控制的電荷泵能確保低EMI干擾。
使能管腳EN1和EN2用來對器件實現使能控制(提供78mA電流的1/3、2/3或全部)，或者將其設置為關斷模式，如表3所示。
表3：使用TPS60230電荷泵IC的使能管腳控制LED電流
在關斷模式下，電荷泵、電流源和參考電壓、振蕩器和所有其它功能被關閉，消耗的電流降低到0.1μA。
EN1和EN2上的邏輯電平將ISET管腳上的電壓(VISET)設置到地(GND)。電流根據VISET可設置為26mA、52mA或者78mA，如下所示。當EN1=0、EN2=1的時候，則Eq1。
這里，Eq2，因此Eq3。通過將D1連接到D5，這個器件提供的Eq4。
EN1和EN2還可以用于脈寬調制(PWM)調低亮度。PWM信號可以加在EN1或EN2上，或者將兩個管腳連接在一起來控制LED閃光燈的亮度。采用完全充滿的電池時，這個電路可以獲得大于85%的電源轉換效率。
圖3顯示了用TPS61040作為升壓轉換器來驅動并聯LED。
圖3：使用升壓轉換器IC驅動并行連接的LED
通過在FB管腳和GND之間連接一個15Ω的外部電阻，根據反饋電壓(VFB=1.233V)，該器件提供80mA的恒定電流。正向電流Eq5。
該設計允許在輸出上使用物理尺寸較小的外部器件(使用陶瓷電容代替鉭電容)，這是由于TPS61040提供的開關頻率高達1MHz。PWM控制管腳用來控制閃光燈LED的亮度。該電路可以獲得85%的電源轉換效率。
通過改變R1和D3的值(見圖4)，升壓拓撲可以驅動串聯的LED(安華高科技HSMW-C850)。
圖4：使用升壓轉換器IC驅動串行連接的LED
使用47Ω的接地電阻和1.233V的參考電壓，該器件能提供26mA的電流。 |
