引言

　　在手機市場中，將高像素的圖像處理器整合至手機當中已差不多成為了標準配備方式。隨著這些圖像處理器的分辨率日益提高，業界亦提高對高亮度閃光燈的需求。氙氣閃光燈泡向來都是數字照相機的主要照明選擇，但對于移動手機市場來說，在電路板上可供用來安置非電話功能組件的空間實在有限，以致體積較大的氙氣燈方案顯得不切實際。幸好手機制造商最近在高功率白光二極管上有重大的技術突破，現今白光LED閃燈二極管的制造商已經推出了光輸出超過70流明的產品，并且可應付超過或相當于1A的脈沖電流。但這些技術突破也為設計人員帶來了很多有待解決的問題，包括有多少的電路板空間可以用?有什么與閃燈有關的功能需要增加?閃燈驅動器可用多少功率?需要多少流明才能拍攝漂亮的照片?只要能解答上述問題，設計人員在選擇閃燈LED驅動器時便能更加得心應手。

　　解決方案的尺寸

　　手機設計人員需要面對的第一個問題是，究竟有多少的電路板空間可讓照相機閃燈運用?在LED閃燈驅動器領域中，最普遍的兩種升壓技術是開關電容器升壓(電荷幫浦)和電感式升壓。在這兩種升壓拓樸中，開關電容器的方案一般比較細小，而大部份的開關電容器均由四個陶瓷電容器和兩個外部電阻器組成。針對這些應用所建議的電容值為4.7μF，而電壓的額定值為10V(有助降低直流偏置損耗)。這些電容器采用0603外型尺寸，大部份的電容器制造商均能提供此類產品。采用開關電容器的閃燈驅動器之整體方案尺寸一般約為25mm2。例如，采用芯片級封裝的美國國家半導體LM2758，其整體方案尺寸少于15mm2。此外，開關電容器解決方案還有一個優點，就是極為纖薄。一般視閃燈驅動器的封裝方式，電容器通常都是整個方案中最高的組件。

　　電感式閃燈驅動器的方案尺寸一般比開關電容驅動器的為大，一個典型的電感式閃燈LED驅動器方案大概占用35mm2～40mm2的電路板面積。電感驅動器一般需要兩個電容器(輸入和輸出)，它們的平均電容值為10μF，外型尺寸為0805。電感式升壓需要具備整流的部份以處理峰值電感器電流和輸出電壓。在同步升壓拓樸中，閃燈集成電路通常整合有一個通路FET(典型為一個PFET)，而這種整合通常會使到集成電路的封裝尺寸比異步解決方案的更大。在異步拓樸中，通路部份是以蕭特基二極管(schottky diode)的形式實現。與采用開關電容器的升壓比較，電感式升壓所多占的空間主要來自電感器本身。對于那些閃燈電流接近1A的應用，其所需的電感器一般為2.2μH～4.7μF，以及飽和電流必須大于1.5A。然而，這些電感器的尺寸一般都不會少于3mmX 3mm，并且通常都是整個解決方案中最高的組件，1.2mm也是很平常的高度。

　　功能特色

　　一旦決定了閃燈驅動器的拓樸結構，另一個要面對的問題是設計所需的功能特色。首先需考慮的功能特色是控制接口的類型。基本的閃燈驅動器一般擁有兩根控制接腳，以執行3～4種不同的操作模式(例如是關機、提示燈、手電筒和閃燈)。假如設計人員不需以動態形式去調整亮度，這些簡單的控制部件便足可應付。相反地，如果系統要求比較高度的控制，大部份的閃燈電路都包含有某類的串行控制接口。其中一種最普遍的串行接口是內置集成電路(Inter-Integrated Circuit interface, I2C)。I2C或I2C兼容接口不單可控制基本的開/關功能，而且還可讓用戶動態地設定手電筒和閃燈的亮度。此外，假如設計包含有閃燈保險計時、電感器電流限制或過壓保護級等功能的話，也可透過I2C接口進行配置。另外，當微控制器/微處理器的通用輸入/輸出(GPIO)線路不太足夠時，這些串行接口便顯得更為重要。

　　不少LED驅動器包括美國國家半導體的LM3553都提供有額外的控制接腳，以進一步協助設計人員解決系統層級的問題。今天的典型圖像處理器均擁有一根外部閃光燈(strobe/flash)接腳以提示系統正在拍攝照片。此一閃光燈信號可以透過閃燈啟動(enable)接腳直接連系到多個LED閃燈驅動器，這種圖像處理器與LED驅動器之間的直接連接可以消除所有出現在兩個部件之間的延遲，這些延遲一般都是由控制器或軟件的限制所引致。

　　在系統層級問題方面，現今手機系統需要管理通話/數據傳輸期間從電池取用的電流量。在通話/數據傳輸過程中由Tx/Rx功率放大器取用的電流再加上由閃燈驅動器所取用的電流，往往可超過電池所能提供的最大電流量。大部份的手機設計均可允許負載電池電壓下降至3.2V而不會進入重設狀態(VBATT-LOADED = VBATT_UNLOADED (IBATT * RBATT_ESR))。為了防止由電池的ESR壓降所產生的重設，部份比較新的閃燈LED驅動器添加有一根傳輸接腳(Tx)，能夠有助減少LED驅動器于通話/數據傳輸期間所取用的電流。透過加入Tx接腳，閃燈驅動器便可迫使二極管電流在一個很短的時間內(少于100μs)維持在較低的水平，以免手機在通話期間誤進重設狀態。

　　效率

　　效率已經是手機設計的老議題了，只要系統的效率愈高，用戶可用的通話時間便愈長。電感式升壓技術可促使驅動器能在寬闊的輸入電壓和輸出電流范圍下發揮出最高的效率。相反地，開關電容器部件只局限于數個固定的量化增益(2x、1.5x、1x 通路模式)，以致在相同的輸入范圍下，其所能達到的平均轉換器效率比電感式升壓的較低。當評估一個LED驅動器時，效率的意義會有點不同。

　　轉換器效率或是LED驅動效率?

　　當面對閃燈LED驅動器時，必須先考慮某些效率上的損耗才能計算出解決方案的真正效率。為了獲得一個受管制的閃燈或手電筒/短片拍攝燈光LED電流，升壓轉換器必須采用一個電流汲入/源(current sink/source)或一個嚴格控制的參考電壓，再連同一個電阻器去設立負載電流。然而，這兩種不同的方法都各有優點和缺點，必須注意由這兩個方法所帶來的功率損耗，都不會包括在升壓轉換器的效率計算中。然而，整體解決方案或LED的效率則把這些功率損耗考慮在內。

　　算式1

　　算式2

　　首先要注意的是，即使是兩個不同的轉換器均可擁有絕對相同的轉換器效率，而它們的LED驅動效率也只有5%～10%的差別。換言之，假如兩個轉換器的效率相等，只要某方由電流調整元素所引致的損耗較低，就是較有效率的轉換器。

　　LED驅動效率或發光效率?

　　可是，單單LED驅動效率并不能全面反映出整體的性能表現。例如假設面前有兩個不同的閃燈LED驅動器和兩個不同的閃燈LED。第一個驅動器的轉換器效率為85%，以及在1A電流下的LED電壓為4V，而另一個的轉換器效率和LED電壓(同樣在1A下)則分別為80%和3V。在一個給定的電流下，兩個LED所產生的光輸出量相同而且同時擁有350mV的回饋電壓。利用算式1并引用最差情況的輸入電壓或3.2V作計算，第一個驅動器從電池取用1.6A的電流，而第二個驅動器則只從電池取用1.3A的電流。撇開第一個閃燈驅動器擁有較高的效率，它需要取用多300mA的電流才能產生出跟第二個閃燈驅動器一樣的光輸出量。這個例子突顯了LED發光效率的影響。在產生光效率方面，例子2中的LED比起例子1中的高33%。

　　當閃燈LED驅動器正以連續影片拍攝或手電筒照明模式操作時，由于操作的時間可能比較長，因此轉換器的效率便顯得很重要，可是在一般的閃燈條件下，由于操作的時間只是瞬間，因此轉換器效率的重要性便降低。相反地，這里比較關注的效率，是能否在一個給定的輸入功率下給予閃燈驅動器更大的輸出功率以產生亮度更強的閃光。高光效閃燈LED配合高效的閃燈驅動器可盡量減少從電池取用的閃燈電流，以便手機設計人員能更靈活地為系統的其他部份進行電源管理。

　　光輸出的優化

　　LED閃燈驅動器的光輸出優化牽涉兩個主要因素(假如包括成本便是三個)：手機圖像處理器要求的光照度，以及有多少的功率可以用來作照明?就一個給定的輸入功率預算而言，有三個途徑可提高閃燈的亮度以幫助設計人員達到所需的照明要求，這就是LED的選擇、LED電流驅動和LED配置，它們在閃燈LED驅動器優化上均扮演舉足輕重的角色。

　　選擇LED

　　如上述所提及的第一個優化元素，就是要選擇一個具有高發光效率的LED。一個具備較高光效的LED可在一個給定的功率下放射出更大的光通量(流明)。在一個給定的電流下，發光效率等如LED光通量除以LED驅動電流與順向電壓的乘積。光通量曲線可以在大部份的LED制造商所提供的規格表中找到1。

　　當選擇LED時，手機設計人員不要只單單考慮LED的光學性能，而必須同時考慮LED的尺寸和成本，以及務求將LED光照度提升到最高的鏡片復雜度。

　　提高驅動電流

　　選好LED之后，第2個可增加光輸出的途徑是提升實際的驅動電流。使用圖2中的光通量曲線，可以發現當二極管電流從500mA提升到1A時會大概會有30流明的光輸出量增加。可是，增加二極管電流也會帶來一些反效果。假如將二極管電流增大一倍，所增加的二極管電流和順向電壓便會導致LED的功率增加超過一倍，而這種LED功率提升，會使系統對輸入功率的要求提高。圖3表示出順向電流對LED順向電壓的影響。

　　為了增強LED驅動器電流系統內部的優化，必須先建立輸入電流的預估值。一旦計算出最低輸入電壓和最大輸入電流的值后，便可從LED順向電壓對LED電流的曲線(圖3)找出數據，以進一步計算出閃燈LED驅動器的最大允許驅動電流。

　　算式3

　　POUT CONV IIN VIN = ILED VLED + VFEEDBACK

　　例子

　　VIN = 3.2V, IIN = 1.5A,CONV = 85% VFEEDBACK = 350mV

　　輸入功率 = 4.8W，最大輸出功率 = 4.08W

　　從圖中的曲線可見，在3.6V 和 1A 電流下的LED所產生的輸出功率等如3.95W (PLED +PFEEDBACK) ，這數值與最大允許值非常接近。

　　配置

　　假如選用的已經是具備有高光通量和高光效的LED，但在閃燈電流優化之后仍達不到所需的光照度，那么只要在設計中加入第2個或第3個LED便可將目標拉近。再次參看光通量對LED電流的曲線(圖2)，可以發現曲線并不是完全的線性。由兩個只用一半閃燈電流操作的LED所產生出來的光通量，將比一個以全閃燈電流操作的LED所能產生的更多。此外，兩個在一半閃燈電流下操作的LED之總功率也較一個全閃燈電流操作的更低。如此一來，便可在既定的輸入功率預算內為兩個LED提供更大的總輸出電流。這兩個LED可以用并列或串行的配置方式來驅動。

　　例子

　　下列3種配置的VFB均為350Mv，而且同樣可產生73流明。

　　1 LED @ 1A: POUT = (3.6 1A) + (1A 350mV) = 4.08W

　　2 LEDs @ 350mA(并列l):POUT = (3.3V 2 350mA) + (350mA 350mV2) = 2.56W

　　2 LEDs @ 350mA(串行):POUT = (3.3V 2 350mA) + (350mA 350mV) = 2.43W

　　下列3種配置的VFB均為350Mv，而且它們的輸出功率均很接近。

　　1 LED@1A:POUT = (3.6 1A) + (1A 350mV) = 4.08W 73 流明

　　2 LEDs@525mA(并列):POUT = (3.425V 2 525mA) + (525mA 350mV2) = 3.96W 90 流明

　　2 LEDs@550mA(串行):POUT = (3.45V 2 550mA) + (550mA350mV) = 3.99W 94 流明

　　當驅動兩個LED時，串行配置比起并列配置具有更多的優點。將兩個LED以串行方式驅動可確保流經兩個閃燈LED的電流均一致。在并列配置中，兩個電流源與LED電流的典型匹配性為1%～3%。但大部份的閃燈驅動器只有一個電流汲入(current sink)，如果硬把兩個LED連接到單一個電流源/電流汲入時，LED順向電壓的失配便會導致嚴重的LED電流失配。要解決這個問題，便需加入一個串行鎖流電阻器。可是，為LED加入串聯電阻會同時減低輸出電流的預算和降低可使用的閃燈電流量，以致出來的閃光較弱。此外，假如串行和并列配置中的LED電流是一樣，驅動兩個串聯的LED還可將由電流控制元素(電阻器或電流汲入)所造成的輸出功率耗散減少一半(PFB-Series = ILED VFB and PFB-Parallel = ILED VFB2)。

　　總結

　　為手機系統加入白光LED照相機閃燈會牽涉很多設計選擇，而在決定閃燈所能占用的電路板空間時，也間接決定了將選用的拓樸結構。此外，傳輸和閃燈啟動接腳之類的功能可讓其他的子系統協助處理某些電流管理工作和閃燈定時，從而減輕電池和微控制器/處理器的工作壓力。再者，高光學效率的LED配合高效的升壓轉換器可有助提升閃燈系統的光照度。假如單一個LED不足以在昏暗的環境下提供足夠的照明，可在設計中加入第二個LED來解決亮度不足的問題。在選擇LED閃燈驅動器時，應在設計初期考慮上述的問題，只要及早解決這些問題，所有煩惱都可一掃而空。