移动设备闪光 LED驱动芯片：克服空间和功率的限制

    智能手机已经成为性能卓越的设备，尽管首款“照相手机”诞生至今已有多年，但是在黑暗中拍照片所使用的闪光功能时至今日仍然发展缓慢，没有取得很大的进展。近期，随着功率LED的发展，其鲜明的亮度和小巧的体积似乎为智能手机制造商带来了无限商机。但是到目前为止，尽管它能实现与智能手机相匹配的极高画面品质，但LED闪光灯仍然较难应用到智能手机模块中，其主要障碍是闪光驱动电路难以满足手机制造商对尺寸、成本和效率的要求。

    闪光驱动电路的种类

    手机内的相机其实是一个照相机模块，包含了镜头、机械元件、自动对焦线圈和CMOS传感器本身。图像传感处理器（Image Sensor Processor,ISP）可能被放置在相机模块或手机的主PCB中。

    目前市场上共有四种不同类型的闪光驱动芯片：电容LED驱动、电感式LED驱动、氙气闪光驱动和超级电容LED驱动。闪光LED具有4.0V-3.3V的电压要求，因此闪光LED驱动电路必须稳定手机电池的电压，使其波动范围在4.2V-3.3V之间（电压波动取决于电池的充电状态）。

    电容LED驱动芯片能够提供约700mA的闪光电流。这类驱动芯片由于易于设计，且体积小巧、价格便宜，因而非常普及。但此类产品有两个主要缺点：虽然他们最适合应用于单LED设备，但是受700mA电流限制的影响，无法为高品质的图像捕捉提供足够的光线输出；此外，该驱动芯片效率较低。阻碍电容驱动芯片的原因是其充电泵只能增加1.5或2倍的电池电压（见图1）。不需要的超出电压必须消散，这会导致效率低下并产生热量。许多使用充电泵的闪光LED驱动芯片供应商都提供DFN和QFN封装，以实现更好的热管理，但这并不能解决根本问题。

图1：奥地利微电子700mA电容LED驱动芯片AS3685与最高2000mA的电感式芯片AS3648效率对比图

    因此，手机设计师开始将目光转向电感式LED驱动芯片，以此弥补电容驱动芯片本身的缺陷。电感式驱动芯片可以产生高达2A的电流，并可以驱动双LED，效率更高。双LED设计可提供更高的光线输出，当然也会比单LED设计占用更多空间以及产生更高的成本。

    电感式驱动芯片的操作在本质上比电容驱动芯片具有更高效率，在电流消耗和热管理方面提供更多优势。另一方面，由于电感式驱动芯片必须容纳相对体积较大的电感器，因此它的体积较大。

    电感式驱动芯片效率高低取决于电感器的损耗、直流转换器中PMOS和NMOS的电阻值以及电流池或电流源的压降。有些闪光LED驱动芯片包含高端电流源，若LED的阴极直接接地可以提供更好的散热效果，但这在一些手机设计中是无法实现的。NMOS的低端电流池具有低电阻和较小晶体管尺寸的优势。

    其他两种类型，氙气和超级电容闪光驱动器，更适合摄像头位于中心位置的智能手机。氙气灯泡提供短而明亮的光脉冲，从而实现非常高的图像品质以及清晰的画面。然而在实践中，氙气灯泡和驱动模块对单薄的智能手机外形显得过于庞大，且对材料预算而言也过于昂贵。

    改善电感式LED驱动芯片

    图片质量的高低为智能手机厂商提供了明确的产品分化手段。这意味着各厂商将争相使用小巧、高效的闪光LED驱动芯片实现高亮度输出，该芯片同时还需具有确保在各种情况下均可安全运行的功能。奥地利微电子的两款新电感式闪光驱动芯片AS3647/8能较好地满足这些测试要求。

图2：标准闪光LED系统——以Osram OSLUX LUW FQ6N为例

    图2显示了闪光LED驱动芯片如何被应用在移动环境下。ISP发出的频闪信号触发闪光驱动芯片。TX掩蔽（TX Mask）信号是一种保护性的信号，其功能是防止产生高电流，同时作为功率放大器。它能导致手机重启，这会令人十分不快。因此，一旦产生TX脉冲，驱动芯片将减少闪光电流以避免电池超载。

图3.1：采用小型WL-CSP 13封装的电感式2A闪光驱动芯片AS3647框图

图3.2：采用小型WL-CSP 13封装的电感式2A闪光驱动芯片AS3647框图

    电感式驱动芯片设计的关键是电流调节器，需要具有低恒流输出电压。（恒定电流是功率LED操作的基本要求。）这种电流调节器可以是高端PMOS电流源或低端NMOS电流池；后者拥有低恒流输出电压，比PMOS电流源更具优势。这反过来将有助于提高效率，实现更小芯片尺寸，并降低成本。

    奥地利微电子采用低端电流池的决定是至关重要的：拓扑结构的低功耗也意味着较少的多余热消散。这就使奥地利微电子能采用更小的封装，与采用高端电流源拓扑结构相比，将提供更高的光线输出。

    智能手机的电池输出电压在放电周期中会逐渐下降。完全充电时，足够高的电池电压可驱动LED闪光灯而无需提升电流池电压。在这种情况下，电源通过PMOS上不断开合的开关流经直流转换器，因此直流转换器的输出电压会接近电池的电压。而电流池将增加其电阻直至LED闪光灯取得特定的电流，而多余的电流将作为热量被消耗掉。

    当局部放电后，电池电压会下降，这时就需要升压转换。驱动芯片的直流转换器被接通以此调节电压，保证能够以特定的电流驱动LED和电流池。电池电压越低，从电池中吸收的电流就越高。

    电感式驱动器的拓扑结构能够提供高强度闪光灯所需的高电流。奥地利微电子已经证明，该技术能够采用特殊封装形式并使其适合在空间和功率受限的应用中使用。

    AS3647和AS3648都采用2.2mmx 1.5mm的晶圆级芯片规模封装（Wafer Level Chip Scale package），13个引脚以菱形阵列排列，如图3所示。这对闪光驱动芯片是一种独一无二的封装，因为不再需要微孔，能使极快速且轻松地完成PCB的布局。 而芯片的直流转换器也经过独特设计用以进一步节省空间。该转换器具有4MHz的工作频率，能产生较低的输入和输出纹波，这也使奥地利微电子能选用小尺寸的电感器。

    直流转换器内NMOS和PMOS晶体管非常低的电阻值将帮助提升效率。采用高功率LED闪光驱动芯片的另一个优点是其可实现的附加功能。高清视频拍摄功能目前是智能手机的卖点，手指轻点两下，用户就可以将自己的视频上传到YouTube或Facebook上与朋友分享。高效的手电筒功能可以使用户在黑暗中拍摄视频。而LED驱动芯片内高效率的直流转换器是确保手电筒功能不过度耗费电池所必不可少的。

    总结

    通过使用电感式拓扑，奥地利微电子的器件能够提供高输出功率（AS3647：1.6A单LED；AS3648：2.0A双LED），而封装也足够小，可用于标准智能手机中。在图4中，可以看到拍摄的高品质图像画面。

图4：使用奥地利微电子AS3648和2个Osram OSLUX LUW FQ6N LED灯拍摄的图像。闪光电流：2x1安;闪光时间：75毫秒。

图5：使用Perkin Elmer公司320V氙气闪光灯拍摄的图像。驱动芯片：AS3636

图4和图5都在奥地利微电子闪光实验室受控的条件下进行拍摄（适马DP1相机，ISO200，曝光时间75毫秒）。这些照片显示，2A LED闪光灯可以实现与氙气闪光灯类似的光线输出和图像质量。