面向拍照手机的高性能 LED闪光灯

互联网是面向社交网络及图片与视频共享最受欢迎的媒介。以多媒体为核心的手机，正在夺取以通话为主手机的市场份额，这将导致手机向更大尺寸，以及具有更高分辨率的彩色显示屏方向发展。这类显示屏的背光功能，要求便携式电池电源提供更大的电力。除显示屏的变化外，移动手机还正在变成一部高品质的数码相机，而且要求具备特殊照明功能，能够在昏暗照明环境下进行摄像和照相。当然，该功能对电池峰值功率和能量的消耗也更多。

在以电池供电的应用中，广泛采用LED技术为小型 LCD提供照明。LED发出的白光穿过偏光片传输到LCD上，白光被阻挡或衰减，并转送到RGB滤色片产生彩色光。

　　

当在光线昏暗的条件下用手机拍照时，同样的LED技术可用于为手机提供照明。图1显示了使用美国国家半导体LM3554的相机闪光灯系统级图片，其中包含升压DC/DC转换器和两个稳流器，能够驱动一个或两个高电流白色LED。这需要多亮的光线？闪光等灯部分将消耗多少电流？回答这些问题可以帮助设计员选择适合的LED闪光灯装置。

图 1：使用 LM3554 的相机闪光灯系统。

CMOS图像传感器的快门操作

目前的数码相机虽可以采用高分辨率，但该技术很难被应用于手机。手机最重要的功能是拨打和接听电话,不能因为相机功能而增大手机的成本、尺寸和功耗，使待机和通话时间缩短。CMOS图像传感器使用标准CMOS工艺制成，通过在一个芯片上集成图像感应和数字信号处理功能实现移动成像应用，从而降低系统的尺寸和成本。此外，CMOS传感器符合手机应用中严格的功耗限制。CMOS图像传感器由覆盖滤色片的二维像素阵列组成，它们分别由一个光电二极管和几个晶体管构成。图像由很多微小的彩色图点组成，并通过在感光区域(即光电二极管)将光对象转换为电压进行采集。穿过各二极管的光电流会合产生输出电压电平，这取决于落在像素上的光量I。I与光强EV (单位：勒克司)和曝光时间t(单位：秒)相关，即：

图 2：卷帘式快门的操作。

在数码相机中，曝光时间由机械快门的开启持续时间控制。机械快门既会增加手机成本又会使机身变得更加厚重，因此大多数CMOS图像传感器利用片上电子卷帘式快门替代了机械快门。图2显示了带有卷帘式快门的CMOS图像传感器如何捕捉图像。一帧图像由N行组成，每行有M个像素。从图像顶部开始依次读取和重置每行像素。在捕捉图像时，在第一帧忽略每个像素的电压，然后在第二帧读取和处理。阵列中的每个像素在帧持续时间内积聚入射光。当全部的N x M个像素在同一时间内曝光，就捕捉到全幅图像，这在两帧的间隔期内发生。这种快门机制被称为“全帧结合”。但在某些情况下，需要缩短允许阵列中像素积聚入射光的时间，但不改变帧速率。这被称为“部分帧结合”机制，可以通过在选择读取行之前重置指定行中的像素实现。LED闪光装置可以为图像捕捉期提供恒定照明，因此可结合卷帘式快门使用，而氙闪光需要机械快门阻止环境光过度曝光图像。氙闪光持续仅不足毫秒，但间歇期间每行仍在积聚环境光。例如，如果帧速率为30fps，则需要LED闪光灯为场地提供2 x 1/30sec=66ms的照明。带有卷帘快门模式CMOS成像器的闪光LED驱动器的工作方式总结如下：

1. 开启闪光灯LED；

2. 重置流程逐行扫描图像；

3. 逐行依次读取像素；

4. 关闭闪光灯LED。

[p]

闪光灯LED驱动器系统

设计人员必须面对的主要限制是光输出和峰值电流消耗。手机电池有严格的峰值电流限制，例如耗费太多电流的闪光灯装置可能导致手机关机。另一方面，随着相机的分辨率翻倍或三翻，需要降低像素尺寸以容纳更多像素。像素尺寸降低需要更多的光。在指定输入功率预算的情况下，有三种途径可以增加闪光亮度，以帮助设计人员达到照明目标。LED 选择、LED 电流驱动以及LED配置，都能在优化给定闪光灯LED驱动器的光输出中，起到重要作用。

LED闪光灯装置设计的第一步，在于量化应用所需的光线数量。闪光指数(GN)衡量了相机在特定传感器速度下，为场景提供合适照明的能力。闪光指数可以通过将闪光灯与物体间的距离乘以该距离下物体正确曝光所需的光圈数(f-stop)得出。

其中，d是闪光灯与物体间的距离(米)，N是孔径，以光圈值表示。虽然这里可以使用任何距离，但通常采用的值是1米。更高的闪光指数将产生更强的相机闪光。在一米距离产生的正确曝光的基本方程为：

其中t是曝光时间(秒)，Ev是场地的照明度(勒克司)，S是图像传感器的灵敏度(以ISO表示)，C是曝光表制造商选择用以代表“正确曝光”定义的任意常数。以具有下列规格的相机系统为例：

根据以下公式计算场地照明目标：

设计的第二步是选择 LED 闪光装置的合适配置。为了更清楚地阐述问题，我们选择具有以下规格的闪光灯LED：

现在，让我们计算LM3554驱动单个LED情况下的电池电流，假定转换效率为100%，VIN =3.6V：

其中，D是升压转换器的占空比。可以达到与LM3554在500mA电流下同时驱动两个闪光LED 相同的光输出：

这里的电池电流等于：

电池电流降低了 25%，使手机设计人员可以更灵活地为系统的其余部分制定电源管理方案。

[p]

突破限制

如今的电池技术限制峰值电流消耗不能超过1.5A。这样就难以通过更大光输出实现缩小像素尺寸，实现高分辨率相机市场提出的目标。将LED电流提高1.2A以上将提供更大的光输出，但却会消耗额外的电池供电。以具有下列规格的相机系统为例：

再次根据以下公式计算照明目标：

更高电流的 LED 通常具有以下共同特征：

如今的手机结构不可能实现5.13A的电池电流，因为一旦电压下降将导致手机关机。要解决这一问题并达到475lx，可以在电池和负载之间加装法拉电容，如图3所示。美国国家半导体的LM3550闪光灯驱动器在可接受电池电流低于1A时，优化法拉电容的充电，同时利用法拉电容装置提供4A以上的闪光灯电流。

图 3：配有法拉电容的LED驱动系统。

电压降和ESR对电池的影响降低，但需要监控法拉电容以优化闪光灯的电流和持续时间。图4显示了在LM3550的闪光期间法拉电容的典型电压值。

图 4：法拉电容电压值。

开启闪光时，法拉电容的电压立即下降。此电压降通过将闪光电流乘以法拉电容的ESR计算得出，通常小于电池的ESR：

法拉电容的电压降通过以下方程式计算得出，其中 IFLASH 是闪光电流，tFLASH 是闪光持续时间，CSC 是法拉电容的电容值：

在 tFINISH 时间点，电压升高到与VESR相同的值，在tSTART时间点电压由于电流降低而下降。根据电压降和法拉电容的ESR调节闪光电流和持续时间，以确保LED保留足够的回旋空间，并提供最佳闪光灯方案。

现在只有极少的高端拍照手机采用了氙闪光技术。但对于日趋小巧的手机市场而言，法拉电容的轻薄特点被证实比厚重的氙相机模块更具吸引力。氙闪光可以在短时间内产生高光功率(通常几千勒克司)，而法拉电容在长时间内产生更小的光功率。就光输出或光能量(lux.sec)而言，两项技术在捕捉优质图像方面可以媲美。日益增长的手机录像功能需要使用单独的氙闪光LED模块，从而可以在昏暗的灯光条件下进行录像，而法拉闪光驱动器(例如 LM3550)可以使用相同的闪光LED提供录像照明。法拉电容 LED 闪光驱动器不需要高电压触发器开启闪光，也不需要在大尺寸330V电解电容中储存大量能量，此电解电容在手机通话过程中靠近人耳，所有这些优点都使其成为氙技术更安全的替代品。

　　

手机正在集成更多的功能，因此对电池提出了更多的挑战，同时还要求更长的电池寿命。与氙闪光不同的是，通过构建可用于高功率音频和射频系统及其他应用的系统轨道，法拉电容的功能不仅局限于相机闪光。法拉电容解决方案能构建高电流闪光脉冲、简化设计并保护电池不发生功率突增。

作者：Dario Nurzad 和 Humair Khan

　　　美国国家半导体