超级电容器解决高分辨率相机的LED闪光电源问题

    传统的LED闪光驱动器采用电流控制模式的升压转换器(见图1)。做为一个实例，考虑通过2个并联LED驱动1A(每个LED)的情况，用强均匀光在2米内大约产生201ux。升压转换器的输出电压等于LED正向电压加跨接在电流感测电阻器上的电压。最大正向电压为4.8V，假定跨接在电流感测电阻器上的电压为200mV，则升压转换器输出电压为5V。假定相机电池电压为3.3V(有负载)、升压转换器效率为85%，在此情况下，电池电流应该是5V/3.3V/85%×2A=3.6A，这超过了一般移动电话电池的能力。

    替代方案是用氙闪光，但这需要：(1)蓄电电容器，这对移动电话形状因数来讲，其体积是相当大的；(2)高电压，这会引起电路和安全问题。而用LED闪光，同样的LED电路可以用在视频Capture/Torch功能的较低电流中。

    为了克服功率限制，一些相机电源采用长闪光曝光时间来补充无光条件，因此，增加总的光能量，但会导致图像模糊。

    设计方案

    有两种方案能提供足够的LED闪光功率，消除无光条件下暗和模糊图像。具有高C值(1F或更大)和低ESR(小于100mΩ)的CAP-XX超级电容器能支持电池工作，并提供LED所需的脉冲功率，而这种薄的(1~3mm)棱柱形形状因数的电容器。适合于空间受限制的应用(如相机手机)。

    方案1：超级电容器放置在升压转换器或电荷泵的输出

    图2示出CAP-XX的低成本电流限制电荷泵预充电超级电容器到5.5V左右。一旦充电超级电容器，使电流开关提供高电流闪光脉冲，其能量和功率来自超级电容器，而不是电池和电荷泵。在闪光脉冲期间，电荷泵可以使能或禁止。电荷泵使电流限制到300mA左右。在Torch模式，电荷泵保持低能，而电池和电荷泵可以提供小于电荷泵电流限制的恒定电流。

    在参考设计中，选择最大功率光亮LED(Lumileds LXCL-PWF1)，可以处理1A峰值脉冲电流(小于200ms)。电路中，要驱动4个PWF1每个900mA。

    下面简述图3所示的电路。当首先加上电源时，Fash/Torch选择必须是低态或浮置，这样U1的引脚5(EN)通过R6拉到高态。根据超级电容器的数值，在超级电容器以0V到充满电前需要等10~15秒。在超级电容器处于0V时，有一个大的侵入电流，直到它充电到电压≥Vim为止，在电荷泵输出像是短路。R11加到电路上，用于限制起动侵入电流，使其小于750mA。

    注意，SP6685仅用于充电超级电容器，所以它总是处于Torch模式(引脚4，Flsh连接到Gnd)。

    一旦超级电容器被充电，选择Flash或Torch模式。当此信号为高态(Flash模式)时，M2导通，设置U2(MIC2545)的电流设置电流器R9//R10。此设置LED闪光电流。

    当使能输入(U2引脚1)保持高态时LED导通。由于超级电容器电容值非常大，所以，闪光脉冲仅以相当小的量(通常小于1V)放电超级电容器。这意味着在闪光照像之间重新充电的时间是短的。通常2秒左右。增加D6以防止超级电容放电，U1关断时通过U1到电池。

    超级电容器C和ESR选择如下：

    对于150ms闪光脉冲，总LED电流以(ILED)为3.6A。

    从数据手册知道：0.9A额定LED正向电压为3.75V，允许到4.2V。

    从数据手册知道，Rdson电组小于50mΩ，所以，跨接在MIC2545电流开关上的压降小于180mV。

    因此，在闪光脉冲结束时，超级电容上最小电压必须是≥4.2V+0.18V=4.38V≥4.4V。

    电荷泵电压Vout设置到5.3V，因此，在超级电容器上所允许的总压降是：Va=5.3V-4.4V=0.9V。

    超级电容器压降：Vd=ILED×(ESR +PWFLASH/C)。

    C≥ILED×PWFLASH/(Vd-ILED×ESR)。

    在该实例中，C≥2A×0.15s/(0.9V-2A×ESR)。

    假定超级电容器ESR=100m Ω，则

    C≥2A×0.15s/(0.9V-2A×0.1Ω)=0.43F。

    CAP-XXGS206(0.55F，50mΩ)满足止要求。

    注意，在电路中用两个超级电容器来实现所必须的5.5V最大额定电压。

    CAP-XX超级电容器具有非常小的漏电流(一般小于1mA)。然而，当用两个超级电容器串联时，需要元件平衡电路来保证两个元件间任何不同的漏电流不引起中点值电压偏移，使其中一个元件处于过压状态。最简单的元件平衡电路是一对平衡电阻器(见图2和图3)。对于蜂窝电话相机闪光实现，超级电容器在闪光脉冲前将被充电到5V以上，电阻器的合适值是2.2KΩ。这将使总漏电加平衡电路，电流大约为80mA。对于良好的电池待机时间，此值是比较大的。可能改善的方法是：(1)当电话不处于待机模式时断开电荷泵，这意味着当电话处于待机状态时，不存在超级电容器和平衡电路漏电流消耗；(2)用一个有源平衡电路(采用高阻抗低电流运放)，一个参考设计可使总电流小于2mA。

    电荷泵的选择不是关键性的。本电路选择小尺寸的SP6685。注意，大多数电荷泵的软启动功能在输出不适合处理超级电容器，这是因为放电的超级电容器短路几秒，直到超级电容器电压接近电荷泵输出电压为止。最简单的方案是在电荷泵的输入增加一个电流限制电阻器(图3中的R11)。

    方案2：超级电容器与电池串联

   此方案实现电路示于图4。超级电容器是与电池的正极串联。这种配置的优点是：

   只需要单个超级电容器。

   体积是方案一所需双超级电容器的1半，而且成本较低。

   由于超级电容器+Ve端电压总是≥电池电压，所以没有超级电容器侵入电流。

   由于只有单个元件，所以不需要平衡电路。

   这种配置的缺点是：电池电流等于闪光电流(方案1中电池电流等于超级电容器充电电流，在LED闪光期间它可以是零)。

   这种配置比电流控制升压转换器或电荷泵直接驱动闪光LED的“标准”拓扑能给出更高的LED电流(在给定电池电流下)。考虑以70%效率电荷泵驱动LED(LED电流为1A)，假定LED最大正向电压4.8V、电池电压欠负载下为3.3V，则不用超级电容器时，电池电流为：1A×4.8V/3.3V/70%=2A，这远远大于电池提供的电流值。采用方案2，电池电流仅为1A，得到100%改进。

   图4所示电路的工作状态类似方案1，当第一次加电时，Flash/Torch选择必须是低态或浮置，这样使U1使能。根据超级电容器值的大小，在超级电容器从电池电压(跨接在超级电容器上的0V)完全充电到V10d起始值(5.1V或跨接在超级电容器上的1.2V)之前需要等3~6秒。在充电期间限制峰值电池电流到300mA左右。随着超级电容器充电快速降低，方案2中的电荷泵工作情况与方案1中的情况是不相同的，因为总是Vout≥Vin，而且电荷泵从来没有把超级电容视为短路。像方案1那样，电荷泵U1仅用来充电超级电容器，所以，它总是处于Torch模式(引脚4Flsh连接到Gnd)。

   一旦电容器被充电，选择Flash或Torch模式。当此信号为高态(Flash模式)时，M2导通，为U2(MIC2545)设置电阻器(Q9，R10)。此设置LED电流为2A左右。Flash/Torch高态也使M1导通，断开电荷泵(U1/引脚5为低态)。方案2能做到这样，因为电池通过超级电容器为LED提供电流。保持电荷泵的使能，能使电池以小于100%效率提供比LED电流大的电流。
像方案1那样，闪光脉冲仅以相当小的量放电超级电容器，所以闪光照像之间重新充电超级电容器的时间是短的，通常此时间短于LED所需闪光到冷却之间2秒时间。

   超级电容器C和ESR选择如下：

   需要250ms闪光脉冲、0.8A驱动每个LXC1-PWF1 LED，0.8A电流时正向电压为3.7V(允许到4.1V)。

   因此，闪光脉冲结束时超级电容器上的最小电压为：4.1V+0.04V=4.14V。

   Vout(电荷泵电压)设置到5.2V，因此，在超级电容器上所允许的总压降Va为：5.2V-4.14V=1.06V。

   假定超级电容器的ESR为50mΩ，因此，C≥0.8A×0.25s/(1.06V-0.8A×50mΩ)=0.196F。选择GW109(C为250mF ESR为35mΩ)。在Von表示式中用70mΩ(加倍)和250mF的ESR和C值代入得到Va=0.8A×(70mΩ+0.25s/0.25F)=0.8×1.07=0.86，此值小于超级电容器所允许的1.06V压降。因此，选用GW109(250mF,35mΩ)。