高效的照相手机闪光灯LED驱动系统设计

LED闪光灯驱动的中心议题：

• 高效的相机闪光灯LED驱动系统设计
• LED故障检测

LED闪光灯驱动的解决方案：

• 闪光灯LED串联电流检测电阻，并通过升压转换器驱动
• 使用自适应电流阱和检测的改进型LED驱动
• TPS61310电影照明/闪光灯驱动器

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。


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。

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。
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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 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。

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
驱动高脉冲电流时，聚光灯为安全无故障运行。移动电话厂商迫切要求一种无缝系统集成解决方案。因此这就要求一种特性集，而不仅仅是标准安全运行特性，例如：电感电流限制、欠压保护等。TPS61310 闪光灯 LED 驱动器拥有这种特性集，可以用于这种高要求的运行。

LED故障检测
不仅仅在生产过程中，在器件运行期间也必须检测到 LED 短路，以避免出现危险状态。检测这种状态的一种方法是强制几毫安的电流正向流动。这种电流可以在亚照明范围测试 LED，因此终端用户不会察觉到亮度。但是这种方法有一些缺点：LED 厂商通常不会测试亚照明范围。由于生产的工艺差异，不仅在 LED 类型之间即使在单个 LED 类型中都存在巨大的不准确性差异。这可能会带来漏检测某个短路 LED，或者伪错误检测。TPS61310 则不一样。如果一个或者多个 LED 工作时出现短路状态，低侧电流阱 LED1、LED2、LED3 便按照视频照明模式或者闪光灯模式各自的设定，限制最大输出电流，增加其输入电阻来防止吸取电流过多。另外，这一过程受到监控，并且通过 I2C 接口将短路 LED 状态反映给生产期间的测试设备，或者反映给工作中的相机引擎。利用类似方法，也可以对开路状态进行检测。
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过温检测
一种吸引人的移动电话产品设计在某些情况下却并不符合最佳热设计要求。高功耗闪光灯 LED 具备有限的允许脉冲处理能力。如果电话暴露在高温下，和/或由于前面的闪光操作 LED 温度上升，电容式热敏电阻可能会无法处理 LED 功率损耗，从而导致 85°C 以上高温下发光效率的不可逆下降，使用寿命缩短，甚至熄灭。为了消除散热设计和功能/诱人设计急需之间的差距，TPS61310 允许使用一个 NTC 检测电阻测定一个或多个 LED 温度。如果超出关键温度，则通过软件降低 LED 开/关时间脉冲比，从而让 LED 可以在闪光灯工作间隙冷却下来。这种特性也可以用作手指烫伤保护功能。

TPS61310 芯片温度也同样受到监控。除了标准的热关机功能以外，TPS61310还可以向相机引擎提供早期预警功能，以避免热关机功能被意外触发，从而为器件冷却提供空间。

TPS61310电影照明/闪光灯驱动器
TPS61310 能够驱动一个 1.5A 的单、双或者三闪光灯 LED 应用。诸如电池电压监控、省电运行功能、可靠 LED 短路检测的专有特性让其成为闪光灯驱动和电影照明的简单集成解决方案。通过高速 I2C I/F 实现可编程以后，器件拥有最高的跨平台设计灵活性。作为一种选项，专用逻辑输入可用于零延迟触发。2x2mm2 芯片级封装以及无需通过外部组件编程设定电流或闪光灯导通时间带来了极小的解决方案体积。