面向拍照手機(jī)的高性能 LED閃光燈

互聯(lián)網(wǎng)是面向社交網(wǎng)絡(luò)及圖片與視頻共享最受歡迎的媒介。以多媒體為核心的手機(jī)，正在奪取以通話為主手機(jī)的市場(chǎng)份額，這將導(dǎo)致手機(jī)向更大尺寸，以及具有更高分辨率的彩色顯示屏方向發(fā)展。這類顯示屏的背光功能，要求便攜式電池電源提供更大的電力。除顯示屏的變化外，移動(dòng)手機(jī)還正在變成一部高品質(zhì)的數(shù)碼相機(jī)，而且要求具備特殊照明功能，能夠在昏暗照明環(huán)境下進(jìn)行攝像和照相。當(dāng)然，該功能對(duì)電池峰值功率和能量的消耗也更多。

在以電池供電的應(yīng)用中，廣泛采用LED技術(shù)為小型 LCD提供照明。LED發(fā)出的白光穿過偏光片傳輸?shù)絃CD上，白光被阻擋或衰減，并轉(zhuǎn)送到RGB濾色片產(chǎn)生彩色光。

當(dāng)在光線昏暗的條件下用手機(jī)拍照時(shí)，同樣的LED技術(shù)可用于為手機(jī)提供照明。圖1顯示了使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LM3554的相機(jī)閃光燈系統(tǒng)級(jí)圖片，其中包含升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)穩(wěn)流器，能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)高電流白色LED。這需要多亮的光線？閃光等燈部分將消耗多少電流？回答這些問題可以幫助設(shè)計(jì)員選擇適合的LED閃光燈裝置。

圖 1：使用 LM3554 的相機(jī)閃光燈系統(tǒng)。

CMOS圖像傳感器的快門操作

目前的數(shù)碼相機(jī)雖可以采用高分辨率，但該技術(shù)很難被應(yīng)用于手機(jī)。手機(jī)最重要的功能是撥打和接聽電話,不能因?yàn)橄鄼C(jī)功能而增大手機(jī)的成本、尺寸和功耗，使待機(jī)和通話時(shí)間縮短。CMOS圖像傳感器使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制成，通過在一個(gè)芯片上集成圖像感應(yīng)和數(shù)字信號(hào)處理功能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)成像應(yīng)用，從而降低系統(tǒng)的尺寸和成本。此外，CMOS傳感器符合手機(jī)應(yīng)用中嚴(yán)格的功耗限制。CMOS圖像傳感器由覆蓋濾色片的二維像素陣列組成，它們分別由一個(gè)光電二極管和幾個(gè)晶體管構(gòu)成。圖像由很多微小的彩色圖點(diǎn)組成，并通過在感光區(qū)域(即光電二極管)將光對(duì)象轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行采集。穿過各二極管的光電流會(huì)合產(chǎn)生輸出電壓電平，這取決于落在像素上的光量I。I與光強(qiáng)EV (單位：勒克司)和曝光時(shí)間t(單位：秒)相關(guān)，即：

圖 2：卷簾式快門的操作。

在數(shù)碼相機(jī)中，曝光時(shí)間由機(jī)械快門的開啟持續(xù)時(shí)間控制。機(jī)械快門既會(huì)增加手機(jī)成本又會(huì)使機(jī)身變得更加厚重，因此大多數(shù)CMOS圖像傳感器利用片上電子卷簾式快門替代了機(jī)械快門。圖2顯示了帶有卷簾式快門的CMOS圖像傳感器如何捕捉圖像。一幀圖像由N行組成，每行有M個(gè)像素。從圖像頂部開始依次讀取和重置每行像素。在捕捉圖像時(shí)，在第一幀忽略每個(gè)像素的電壓，然后在第二幀讀取和處理。陣列中的每個(gè)像素在幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)積聚入射光。當(dāng)全部的N x M個(gè)像素在同一時(shí)間內(nèi)曝光，就捕捉到全幅圖像，這在兩幀的間隔期內(nèi)發(fā)生。這種快門機(jī)制被稱為“全幀結(jié)合”。但在某些情況下，需要縮短允許陣列中像素積聚入射光的時(shí)間，但不改變幀速率。這被稱為“部分幀結(jié)合”機(jī)制，可以通過在選擇讀取行之前重置指定行中的像素實(shí)現(xiàn)。LED閃光裝置可以為圖像捕捉期提供恒定照明，因此可結(jié)合卷簾式快門使用，而氙閃光需要機(jī)械快門阻止環(huán)境光過度曝光圖像。氙閃光持續(xù)僅不足毫秒，但間歇期間每行仍在積聚環(huán)境光。例如，如果幀速率為30fps，則需要LED閃光燈為場(chǎng)地提供2 x 1/30sec=66ms的照明。帶有卷簾快門模式CMOS成像器的閃光LED驅(qū)動(dòng)器的工作方式總結(jié)如下：

1. 開啟閃光燈LED；

2. 重置流程逐行掃描圖像；

3. 逐行依次讀取像素；

4. 關(guān)閉閃光燈LED。

閃光燈LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)

設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的主要限制是光輸出和峰值電流消耗。手機(jī)電池有嚴(yán)格的峰值電流限制，例如耗費(fèi)太多電流的閃光燈裝置可能導(dǎo)致手機(jī)關(guān)機(jī)。另一方面，隨著相機(jī)的分辨率翻倍或三翻，需要降低像素尺寸以容納更多像素。像素尺寸降低需要更多的光。在指定輸入功率預(yù)算的情況下，有三種途徑可以增加閃光亮度，以幫助設(shè)計(jì)人員達(dá)到照明目標(biāo)。LED 選擇、LED 電流驅(qū)動(dòng)以及LED配置，都能在優(yōu)化給定閃光燈LED驅(qū)動(dòng)器的光輸出中，起到重要作用。

LED閃光燈裝置設(shè)計(jì)的第一步，在于量化應(yīng)用所需的光線數(shù)量。閃光指數(shù)(GN)衡量了相機(jī)在特定傳感器速度下，為場(chǎng)景提供合適照明的能力。閃光指數(shù)可以通過將閃光燈與物體間的距離乘以該距離下物體正確曝光所需的光圈數(shù)(f-stop)得出。

其中，d是閃光燈與物體間的距離(米)，N是孔徑，以光圈值表示。雖然這里可以使用任何距離，但通常采用的值是1米。更高的閃光指數(shù)將產(chǎn)生更強(qiáng)的相機(jī)閃光。在一米距離產(chǎn)生的正確曝光的基本方程為：

其中t是曝光時(shí)間(秒)，Ev是場(chǎng)地的照明度(勒克司)，S是圖像傳感器的靈敏度(以ISO表示)，C是曝光表制造商選擇用以代表“正確曝光”定義的任意常數(shù)。以具有下列規(guī)格的相機(jī)系統(tǒng)為例：

根據(jù)以下公式計(jì)算場(chǎng)地照明目標(biāo)：

設(shè)計(jì)的第二步是選擇 LED 閃光裝置的合適配置。為了更清楚地闡述問題，我們選擇具有以下規(guī)格的閃光燈LED：

現(xiàn)在，讓我們計(jì)算LM3554驅(qū)動(dòng)單個(gè)LED情況下的電池電流，假定轉(zhuǎn)換效率為100%，VIN =3.6V：

其中，D是升壓轉(zhuǎn)換器的占空比?？梢赃_(dá)到與LM3554在500mA電流下同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)閃光LED 相同的光輸出：

這里的電池電流等于：

電池電流降低了 25%，使手機(jī)設(shè)計(jì)人員可以更靈活地為系統(tǒng)的其余部分制定電源管理方案

突破限制

如今的電池技術(shù)限制峰值電流消耗不能超過1.5A。這樣就難以通過更大光輸出實(shí)現(xiàn)縮小像素尺寸，實(shí)現(xiàn)高分辨率相機(jī)市場(chǎng)提出的目標(biāo)。將LED電流提高1.2A以上將提供更大的光輸出，但卻會(huì)消耗額外的電池供電。以具有下列規(guī)格的相機(jī)系統(tǒng)為例：

再次根據(jù)以下公式計(jì)算照明目標(biāo)：

更高電流的 LED 通常具有以下共同特征：

如今的手機(jī)結(jié)構(gòu)不可能實(shí)現(xiàn)5.13A的電池電流，因?yàn)橐坏╇妷合陆祵?dǎo)致手機(jī)關(guān)機(jī)。要解決這一問題并達(dá)到475lx，可以在電池和負(fù)載之間加裝法拉電容，如圖3所示。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3550閃光燈驅(qū)動(dòng)器在可接受電池電流低于1A時(shí)，優(yōu)化法拉電容的充電，同時(shí)利用法拉電容裝置提供4A以上的閃光燈電流。

圖 3：配有法拉電容的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

電壓降和ESR對(duì)電池的影響降低，但需要監(jiān)控法拉電容以優(yōu)化閃光燈的電流和持續(xù)時(shí)間。圖4顯示了在LM3550的閃光期間法拉電容的典型電壓值。

圖 4：法拉電容電壓值。

開啟閃光時(shí)，法拉電容的電壓立即下降。此電壓降通過將閃光電流乘以法拉電容的ESR計(jì)算得出，通常小于電池的ESR：

法拉電容的電壓降通過以下方程式計(jì)算得出，其中 IFLASH 是閃光電流，tFLASH 是閃光持續(xù)時(shí)間，CSC 是法拉電容的電容值：

在 tFINISH 時(shí)間點(diǎn)，電壓升高到與VESR相同的值，在tSTART時(shí)間點(diǎn)電壓由于電流降低而下降。根據(jù)電壓降和法拉電容的ESR調(diào)節(jié)閃光電流和持續(xù)時(shí)間，以確保LED保留足夠的回旋空間，并提供最佳閃光燈方案。

現(xiàn)在只有極少的高端拍照手機(jī)采用了氙閃光技術(shù)。但對(duì)于日趨小巧的手機(jī)市場(chǎng)而言，法拉電容的輕薄特點(diǎn)被證實(shí)比厚重的氙相機(jī)模塊更具吸引力。氙閃光可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高光功率(通常幾千勒克司)，而法拉電容在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更小的光功率。就光輸出或光能量(lux.sec)而言，兩項(xiàng)技術(shù)在捕捉優(yōu)質(zhì)圖像方面可以媲美。日益增長(zhǎng)的手機(jī)錄像功能需要使用單獨(dú)的氙閃光LED模塊，從而可以在昏暗的燈光條件下進(jìn)行錄像，而法拉閃光驅(qū)動(dòng)器(例如 LM3550)可以使用相同的閃光LED提供錄像照明。法拉電容 LED 閃光驅(qū)動(dòng)器不需要高電壓觸發(fā)器開啟閃光，也不需要在大尺寸330V電解電容中儲(chǔ)存大量能量，此電解電容在手機(jī)通話過程中靠近人耳，所有這些優(yōu)點(diǎn)都使其成為氙技術(shù)更安全的替代品。

手機(jī)正在集成更多的功能，因此對(duì)電池提出了更多的挑戰(zhàn)，同時(shí)還要求更長(zhǎng)的電池壽命。與氙閃光不同的是，通過構(gòu)建可用于高功率音頻和射頻系統(tǒng)及其他應(yīng)用的系統(tǒng)軌道，法拉電容的功能不僅局限于相機(jī)閃光。法拉電容解決方案能構(gòu)建高電流閃光脈沖、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并保護(hù)電池不發(fā)生功率突增。