可拍照手机的LED闪光灯实现方案

发布日期: 九五至尊娱乐场老品牌

  如今照相手机被作为正式的数码相机使用,使用者希翼在低照度情况下也能拍摄出高质量的照片,因而照相手机中需要增加一个照明光源。led灯珠PN结的端电压构成一定势垒,当加正向偏置电压时势垒下降,P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多,所以会出现大量电子向P区扩散,构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合,复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。白光LED作为相机闪光灯在照相手机中应用广泛。本文详细讨论了在照相手机中设计白光LED时的各种考虑因素。文章描述了白光LED驱动电路的串联和并联工作模式,并以安华高科技的HSMW-C830/C850闪光灯模块(mo kuai)为例讨论了具体的电路设计方法。

  如今“标准的”可拍照手机能提供640×480像素分辨率以实现30万像素的像大小。在2004年初,当时最先进的可拍照手机提供了1,600×1,200像素的像——大约200万像素像大小,而且还能拍摄视频短片及使用可插拔的存储卡,在某些产品中还集成了自动对焦和其它相机功能。某制造商宣布在2005年推出700万像素的可拍照手机。

  结果是如今可拍照手机被当成“正式的”数码相机使用(use),并且消费者希望能够在低光照亮度的条件(tiáo jiàn)下拍摄高质量的照片,因此增加一个照明光源并且不会很快耗尽手机电池的需求开始出现( appear)。

  现在有两种数码相机闪光灯可供选择:氙气闪光灯管和白光LED。氙气闪光灯由于具有高亮度和白色光的特点,因而广泛用于胶卷相机和独立的数码相机。而大多数可拍照手机则选择了白光LED照明。表1比较了这两种闪光灯。

  表1:氙(xian)气闪光灯与LED闪光灯的比较

  LED是电流驱动(Driver)器件,其光输出由通过的正向电流决定。LED的频闪速度要快于任何其他光源,包括氙气闪光灯,它具有很短的上升时间,范围在10~100ns之间。现在白光LED的照明质量(Mass)可与冷白色荧光灯媲美,色彩表现指数接近85。

  在多数情况下,LED的最大光输出受其能承受的最大平均正向电流限制,该最大平均电流主要取决于LED芯片/封装的功耗水平以及它所附着的散热片的散热性能(xìng néng)。在闪光灯应用中,可以用占空比很小的脉冲(mài chōng)电流来驱动LED。这使得在实际脉冲期间电流以及电流产生的光输出显著增加,同时仍然保持LED的平均电流水平和功耗在其安全额定值内。

  与氙气闪光灯相比,LED闪光灯具有更低的功耗,而且驱动电路所占空间很小。led台灯又称固态照明,作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术,具有节能、环保、安全可靠的特点,固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源,代表照明技术的未来。发展新固态照明,不仅是照明领域的革命,而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。此外驱动LED闪光灯不会产生很大的电磁干扰。这些优点促成了LED闪光灯在可拍照手机中的应用。而且同一个LED闪光灯还能用作连续的光源,这使得其可用于视频应用以及手电筒功能(function)。1展示了LED闪光灯是如何整合到可拍照手机中的。

  1:LED闪光灯如何集成到可拍照手机中

  为可拍照手机闪光灯应用选择LED

  尽管在闪光灯LED领域没有封装和电子上的标准,但是制造商为相机闪光灯应用定义了很多LED零组件。当要在可拍照手机中进行LED闪光灯设计时,需要考虑的准则是:

  1. 光学特性;

  2. 电子设计简易性和灵活性;

  3. 脉冲调制功能;

  4. 可以有效级联以得到更高光输出;

  5. 散热考虑;

  6. 制造和装配考虑。特别是LED模块与可拍照手机使用(use)的制造工艺(gōng y)的兼容性。

  光学(optics)特性

  当前在可拍照手机中使用的大多数数码相机模块具有50~60°的视角,需要至少3到5勒克斯的亮度以获得好的照片。因此,一个光照角度为50~80°的照相闪光灯是最佳选择。光照角度超过80°将造成一部分光线落到相机覆盖区域之外,从而降低LED光输出的利用率。相反,一个具有更小光照角度的闪光灯可能导致拍摄的照片边角出现暗区。

  现在市场上供应的大多数用于相机闪光灯的LED组件都具有很宽的照明角度。通过二级光学组件可以对该角度进行精细调整,然而这些光学组件有两个主要缺点。首先,由于转换效率的原因,二级光学组件将造成大约12%的光损耗;其次,使用二级光学组件增加了可拍照手机的成本、占用了额外的空间并使制造工艺(gōng y)与设计过程复杂化。

  就安华高科技制造(zhì zào)的LED闪光灯模块来说,其弧形设计(Design)使LED发出的光集中,形成一个60°的朗伯辐射模式,从而使得落在典型的相机视场内的光输出强度最大化。

  每一个闪光灯模块集成了3个InGaN LED裸片,这些裸片在模块内采用并行连接或者串行连接,每个模块只有阴极和阳极两个端子。这两种方式使用起来各有优不好的地方。

  表2:串联LED和并联LED的比较

  易于级联和散热

  安华高科技在设计HSMW-C830和HSMW-C850时,使它们在机械和电子上能够级联。封装特意做得很薄,这样方便设计师将两个模块层叠使光输出倍增,这种组合方式占用空间最小。如果两个模块垂直层叠,其组合后的尺寸只有7.0×4.4mm2。

  大多数LED闪光灯模块采用共阳级方式将LED连在一起。闪光灯模块的串行级联需要驱动器能同时提供高电流和高电压,而将它们并行级联会造成潜在的光输出亮度变化的问题,这是因为在两个模块之间电流可能分配不均匀。HSMW-C850将所有三个芯片串行连接。如果将其级联,只需调节电(energy saving)压,而无需改变驱动电流,从而不会有两个模块接受的电流不同的问题。此外,市场上现有的升压转换器具有高适应电压低电流驱动的特点,而不是高电流驱动低适应电压,因为这样能节省(spare)整体功耗。

  LED闪光灯模块在工作期间可能会产生相当高的热量,因此在设计导入过程中必须考虑散热(radiating)应对措施。大多数手机设计者由于受空间限制,更愿意采用柔性印刷电路板,而不是FR4 PCB材料。安华高科技的闪光灯模块具有较低的封装热阻,可以有效地释放LED产生的热量。闪光灯可以在环境温度+55°C下,以80mA的电流连续5秒照明。

  电路设计

  移动电话中的锂离子电池是电压(voltage)源,其输(shū)出电压随保持的能量大小而变化。因为LED为电流驱动器件,其需要恒流源驱动以获得一致的光输出。电荷泵转换器和电压升压转换器是两种可行的适合于驱动LED闪光灯的DC/DC转换拓扑结构。

  闪光灯照明的必要时间长度由具体相机模块的特定要求决定。只要照明时间不短于模块的成像时间,就不会影响照相效果。一般而言,200~300ms的照明时间就足够了。安华高科技的闪光灯模块在脉宽时间短于200ms的情况下,驱动电流可以达到180mA,提供了10lux的亮度。在连续工作条件下,最大允许电流为80mA,产生大约为6lux的亮度。

  2为HSMW-C830闪光灯模块,其并联LED用TPS60230电荷泵IC供电。

  2:使用电荷泵IC驱动并行连接的LED

  通过从ISET管脚连接一个外部电阻到地,经过D1到D6管脚提供了约16mA的恒定电流。LED闪光灯吸取78mA的电流。需要两个1μF和两个0.47μF的外部电容。此外,由电流控制的电荷泵能确保低EMI干扰。

  使能管脚EN1和EN2用来对器件实现使能控制,或者将其设置为关断模式,如表3所示。

  表3:使用TPS60230电荷泵IC的使能管脚控制(control)LED电流

  在关断模式下,电荷泵、电流源和参考电压、振荡器和所有其它功能被关闭,消耗的电流降低到0.1μA。

  EN1和EN2上的逻辑电平将ISET管脚上的电压设置到地。电流根据VISET可设置为26m

  A、52mA或者78mA,如下所示。当EN1=0、EN2=1的时候,则Eq1。

  这里,Eq2,因此Eq3。通过将D1连接到D5,这个器件提供的Eq4。

  EN1和EN2还可以用于脉宽调制调低亮度。PWM信号可以加在EN1或EN2上,或者将两个管脚连接在一起来控制(control)LED闪光灯的亮度。采用完全充满的电池时,这个电路可以获得大于85%的电源转换效率。

  3显示了用TPS61040作为升压转换(conversion)器来驱动并联LED。

  3:使用(use)升压转换器IC驱动并行连接的LED

  通过在FB管脚和GND之间连接一个15Ω的外部电阻,根据反馈电压,该器件提供80mA的恒定电流。正向电流Eq5。

  该设计允许在输出上使用物理尺寸较小的外部器件,这是由于TPS61040提供的开关频率(frequency)高达1MHz。PWM控制管脚用来控制闪光灯LED的亮度。该电路可以获得85%的电源(向电子设备提供功率的装置)转换效率。

  通过改变R1和D3的值,升压拓扑可以驱动串联的LED。

  4:使用升压转换器IC驱动串行连接的LED

  使用47Ω的接地电阻和1.233V的参考电压(voltage),该器件能提供26mA的电流。led灯珠使用低压电源,供电电压在2-4V之间,根据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源;更安全的电源,特别适用于公共场所;亮度随电流的增大而变亮,小功率LED灯珠工作电流为0-60mA,大功率LED工作电流在150mA以上。

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