针对高分辨率照相手机的LED闪光灯超级电容参考设计

2014-08-30 来源：互联网

　　手机正在变成终极集大成便携式消费电子平台。它的性能包括：捕捉高质量图像、Wi-Fi网络访问、清脆的音频、更长的通话时间、以及更长的电池寿命。不过，一个主要的设计挑战也正在浮现出来。为了适应高度复杂的移动应用，手机电池仍然需要费很大的力气才能提供足够的峰值功率，这就推动了可为高性能操作提供所需功率的电路的需求，这种电路可以在不过载电池的前提下在短时间内储存大电流。

　　对高级照相手机制造商来说，最重要的挑战就是提供高亮度相机闪光灯所需的大峰值电流。随着照相手机的分辨率增长到三百万像素及以上，产生高质量图像所需的光通量也已急剧提高。为了匹配数码相机的照片质量，必须以高达2A的电流驱动LED闪光灯，或将氙气闪光管充电到330V以上。手机的其他应用（包括RF功放、GPS导航、互联网访问、音乐和视频）也有可能超过电池电流的供应能力。

　　设计挑战

　　照相手机在中度到低度光照条件下需要一个高亮度闪光灯来产生曝光充分的图片。设计师可以选择LED或氙气闪光管，但它们两者都有相应的挑战。

　　大电流LED闪光灯需要4倍于电池提供的功率，才能产生高分辨率图像所需的光亮度。为了克服功率限制问题，一些照相手机已经采用更长的闪光曝光时间来补偿光通量的不足，而这会导致图片的模糊。

　　氙气闪光管可提供很好的光照度，但它的闪光曝光时间很短，因此不能用于视频捕捉/电影模式功能。它所需的电解储存电容对纤薄型设计来说体积太大、工作电压很高，两次闪光之间需要较长时间才能充满电，不能用于手机中其他需要峰值功率的应用。

　　解决为每个LED闪光灯提供1～2A驱动电流问题的方法之一是，用一个电容来储存电流，并在不分流主电池的情况下快速供电。不过，如果采用传统电容要储存大电流，不是需要一个体积非常大的大容量电容，就是需要多个并联起来的中等容量电容。对于空间受限的便携式系统来说，更为实用的解决方案是采用容值非常高的超级电容。通过使用一个超级电容，设计师可以为这些短持续间隔的事件提供所需的大电流，并在这些事件之间通过电池对它们再充电。为了支持电池，设计师可以增加一个很薄的超级电容，这可在不牺牲纤薄手机设计的情况下应对手机的峰值功率需求（如为拍照、音频和视频、无线传输和GPS结果阅读提供闪光）。它也允许设计师通过仅满足平均功耗而不是峰值功耗来最佳地调整电池和功率电路的大小，减少系统的占板面积。

　　设计一个超级电容

　　超级电容（SC）是什么？像任何电容一样，一个超级电容基本上也是由两块并行的导电板构成的，中间隔以被称为电介质的绝缘材料。电容的容值与导电板的面积成正比，与电介质的厚度成反比。开发超级电容的制造商通过采用多孔碳材料制造导电板以使得表面积最大，以及采用像分子那样薄的电解液作为电介质以将两块导电板之间距离减至最小，在最小化尺寸的情况下实现了更高的电容值。

　　采用这一方法，可以制造出容值为16mF～2.3F的电容。这些电容可等效为非常低的内部电阻或ESR（等效串联电阻），这使得它们可在最小化输出电压的同时提供高峰值电流脉冲。通过以相对较小的外形尺寸提供非常高的电容值，这些超级电容降低了系统对PCB板面积的需求。它们可以制造成任何尺寸和形状，而且可在数秒内完成再充电，可将电池寿命延长5倍，并允许设计师采用更小、更轻和更廉价的电池。

　　固有挑战

　　不过，这一低ESR在充电过程中为设计师带来了一个问题。在任一系统中，电容在最初使用前都是放空的。随后，当电源电压施加以后，超级电容看起来就像是一个低值电阻。如果该电流不被控制或限制，就会导致一个巨大的尖峰电流。因此，设计师必须实现某种尖峰电流限制措施，以确保电池不会马上耗尽。任何这种类型的电路通常还需要短路、过压和过流保护。

　　设计师面临的挑战是如何高效地将电池、DC/DC转换器和超级电容连接起来，做到既能限制超级电容的尖峰充电电流，又能在负载之间不断地对超级电容进行再充电。能够满足超级电容充电要求的LED闪光灯驱动器现在已经在市场上出现，它可以使得设计师的工作更轻松，并节省PCB空间、成本和上市时间。数码相机的LED闪光灯需要1～2A电流才能持续闪光120ms。

　　超级电容可用来储存必需的电流，并在不分流主电池的情况下快速供电。与电池一起工作时，超级电容在峰值负载期间释放其储存的电流，在两个峰值负载之间则进行再充电。与纯电池供电设备相比，带超级电容的电源系统可提供高达2倍的电能，而且还可延长电池的寿命。很明显，不管设计师在何时使用超级电容，他们都必须限制尖峰电流。此外，当电压掉到LED闪光灯的工作电压以下时，超级电容就需要再充电。当超级电容充满电时，它必须与充电源断开。另外，它还需要短路保护、源过压保护和过流保护。

　　超级电容带来的好处

　　超级电容可以大于500k的周期在数秒内完成再充电，并将电能储存在静电场中。由于完全充满电时只有大负载电流才可能把电压降得过低，因此超级电容的使用也减少了ESR和阻抗。

　　超级电容可以制造成任何尺寸和外形，不管是扁平型还是小尺寸。超级电容还具有很长的寿命（10～12年）。与电池不同，它们具有非破坏性的开路（高ESR）故障模式。如果一个过高电压施加到该器件上，唯一的后果是ESR的轻微增加，并最终演变到开路状态。整个过程不会起火、起烟或爆炸。

　　设计解决方案

　　超级电容供电的LED闪光灯单元可以驱动大电流LED，它提供的闪光亮度是标准电池供电LED闪光灯单元的许多倍，或持续时间超过氙气灯。如图1所示，AAT1282含有一个升压转换器，它用来将3.2～4.2V电池输入电压提升到稳定的5.5V。如果电池电压为3.5V，且升压转换器效率是90%，那么电池需要提供3A以上的电流，才能维持一个2A闪光脉冲。这不是会导致电池保护电路关断电池，就是会引起一个低电压关断，而此时电池仍具有大量的电能。

图1 用超级电容为LED供电

　　这一解决方案还提供一些闪光灯管理功能，如电影模式和超级电容充电功能。该解决方案控制和调节来自手机电池源的电流、提升电池电压和管理超级电容的充电，以控制和提供终端应用中的LED闪光灯所需要的大电流。

　　为更好地实现这一目标， AAT1282具有防止启动时过大尖峰电流冲击的内置电路、一个固定的800mA输入电流限制器、以及一个超级电容充满电后的负载断开电路。其输出电压受限于内部过压保护电路，可防止转换器和超级电容免受一个开路LED（开路条件下）的损害。

　　在开路状态期间，输出电压上升并到达5.5V（典型值），过压保护电路关闭开关电路，阻止输出电压进一步升高。一旦开路状态解除，开关电路马上恢复工作。控制器回归到正常工作状态，并维持一个平均输出电压。一个工业标准I2C串行数字输入接口使能/锁定LED，以及用高达16个针对更低光输出要求的电影模式设置设定电影模式电流。

　　一个详细的原理图（见图2）显示超级电容周围只需要少量的元器件。一个0.55F、85mΩ的超级电容与AAT1282 LED闪光灯驱动器一起使用时可提供9W的LED突发电能。为了达到很高的光亮度，LED闪光灯的驱动电流介于1～2A之间。LED上的正向电压（VF）可以上升到4.8V。如果我们包括电流控制电路的200mV开销，你就很容易看到在闪光事件期间总的负载电压是如何上升到5V的，这也证明了5.5V输出电压是有必要的。

图2 AAT1282的详细电路原理

　　图3显示了采用2个以1A电流驱动的LED闪光灯和1个以2A电流驱动的LED闪光灯的测试结果。正如所见到的一样，超级电容可以很容易地提供闪光持续120ms所需的电流，同时保持电源电压充分地高于LED的VF电压。在两次闪光之间，超级电容以一个较慢的速率再充电，充电时间在外部设定，可针对不同的电池尺寸和化学原理进行优化。图4显示了闪光功能和电影模式选项的数字控制。