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光電/顯示技術  

在照相手機中實現LED閃光燈

上網時間: 2006年06月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:白光LED  照相手機  閃光燈 

如今,‘標準的’照相手機能提供1,280 x 1,024畫素解析度以實現130萬畫素的影像大小。現在很多先進的照相手機提供了1,600 x 1,200畫素的影像,約200萬畫素影像大小,而且還能拍攝視訊短片及使用可插拔的記憶卡,在某些產品中還整合了自動對焦和其它相機功能。

結果是如今照相手機被當成‘正式的’數位相機使用,且消費者期望能夠在低光照亮度條件下拍攝高品質照片,因此增加一個照明光源且不會很快耗盡手機電池的需求開始出現。

圖1:LED閃光燈如何整合在照相手機中。

目前有兩種數位相機閃光燈可供選擇:氙氣閃光燈管和白光LED。氙氣閃光燈由於具有高亮度和白色的特點,因而廣泛用於獨立的數位相機。白光LED照明則是大多數照相手機的選擇。表1比較了這兩種閃光燈。

LED是一種電流驅動元件,其光輸出是由通過的正向電流決定。LED的激發速度快過任何其他光源,包括氙氣閃光燈,它具有很短的上升時間,範圍在10ns到100ns之間。現在,白光LED的發光品質已經能夠與冷白色螢光燈媲美,其色彩表現指數接近85。

在大多數情況下,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於LED晶片/封裝的功耗水準以及它所附著的散熱片的散熱性能。在閃光燈應用中,可以用佔空比很小的脈衝電流來驅動LED。這使得在實際脈衝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的平均電流水準和功耗在其安全額定值內。圖1是LED閃光燈在照相手機中的整合範例。

為照相手機閃光燈選擇LED

儘管在閃光燈LED領域沒有封裝和電氣上的標準,但是製造商為相機閃光燈應用定義了很多LED零組件。當要在照相手機中進行LED閃光燈設計時,需要考慮的準則是:1. 光學特性;2. 電路設計簡易性和靈活性;3. 脈衝調變功能;4. 可以有效串聯以得到更高光輸出;5. 散熱考慮;6. 製造和裝配考慮,特別是LED模組與照相手機使用的製造製程的相容性。

圖2:使用電荷泵IC驅動平行連接的LED。

目前在照相手機中使用的大多數數位相機模組具有50到60度的視角,需要至少3到5lux的亮度以獲得好的照片。因此,一個光照角度為50到80度的照相閃光燈是最佳選擇。光照角度超過80度將造成一部份光線落到相機覆蓋區域之外,因而降低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於相機閃光燈的LED組件都具有很寬的照明角度。透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,由於轉換效率的原因,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照相手機的成本、佔用了額外的空間並使製造製程與設計過程複雜化。

就安華高科技製造的LED閃光燈模組來說,其拱形設計使LED發出的光集中,形成一個60度的朗伯(Lambertian)輻射模式,因而使得落在典型的相機視場內的光輸出強度最大化。

安華高科技的每一個閃光燈模組整合了3個InGaN LED晶片,這些晶片在模組內採用平行連接(HSMW-C830)或者串列連接(HSMW-C850),每個模組只有陰極和陽極兩個端子。這兩種版本使用起來各有優缺點(表2)。

圖3:使用升壓轉換器IC驅動平行連接的LED。

HSMW-C830和HSMW-C850晶片的設計能夠在機械和電路上串聯。這些元件的封裝特意做得很薄,如此將方便設計師將兩個模組層疊使光輸出倍增,這種組合方式佔用空間最小。如果兩個模組垂直層疊,其組合後的尺寸只有7.0x4.4mm2

大多數LED閃光燈模組採用共陽級方式將LED連在一起。閃光燈模組的串列串聯需要驅動器能同時提供高電流和高電壓,而將它們平行串聯會造成潛在的光輸出亮度變化的問題,這是因為在兩個模組之間電流可能分配不均勻。HSMW-C850將所有三個晶片串列連接。如果將其串聯,只需調節電壓,而無需改變驅動電流,因而不會有兩個模組接受的電流不同的問題。

LED閃光燈模組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於受空間限制,更願意採用可撓性印刷電路板(這種電路板的散熱性不好),而不是FR4 PCB材料。

LED閃光燈電路設計

行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2.8V到4.2V之間)。因為LED為電流驅動元件,其需要?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於驅動LED閃光燈的DC/DC轉換拓樸結構。

圖4:使用升壓轉換器IC驅動串列連接的LED。

圖2是採用HSMW-C830閃光燈模組的範例,其平行LED用TPS60230電荷泵IC供電。透過從ISET接腳連接一個外部電阻(10kΩ)到地(GND),經過D1到D6接腳提供了約16mA的?定電流。LED閃光燈吸收78mA的電流。需要兩個1μF和兩個0.47μF的外部電容器。此外,由電流控制的電荷泵能確保低EMI干擾。

使能接腳EN1和EN2用來對元件實現使能控制(提供78mA電流的1/3、2/3或全部),或者將其設置為切斷模式(如表3所示)。在切斷模式下,電荷泵、電流源和參考電壓、振盪器和所有其它功能被關閉,消耗的電流降低到0.1μA。

表1:氙氣閃光燈與LED閃光燈的比較。

EN1和EN2上的邏輯電平將ISET接腳上的電壓(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時:

在這裡

因此

透過將D1連接到D5,這個元件提供的

EN1和EN2還可以用於PWM(脈寬調變)調低亮度。PWM訊號可以加在EN1或EN2上,或者將兩個接腳連接在一起來控制LED閃光燈的亮度。採用完全充滿的電池時,這個電路可以獲得大於85%的電源轉換效率。

表2:串聯LED和並聯LED的比較。

圖3顯示了用TPS61040作為升壓轉換器來驅動平行LED。透過在FB接腳和GND之間連接一個15Ω的外部電阻,根據反饋電壓(VFB=1.233V),該元件提供80mA的?定電流。

正向電流Eq5

該設計允許在輸出上使用實體尺寸較小的外部元件(使用陶瓷電容器代替鉭電容器),這是由於TPS61040提供的開關頻率高達1MHz。PWM控制接腳用來控制閃光燈LED的亮度。該電路可以獲得85%的電源轉換效率。

表3:使用TPS60230電荷泵IC的使能接腳控制LED電流。

透過改變R1和D3的值(見圖4),升壓拓樸可以驅動串聯的LED(HSMW-C850)。使用47Ω的接地電阻和1.233V的參考電壓,該元件能提供26毫安的電流。

作者:Yeoh Boon Keng

技術行銷經理

Ko Choon Guan

高級應用工程師

Shereen Lim

高級產品工程師

半導體產品事業群光電產品部

安華高科技公司




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