針對高分辨率照相手機的LED閃光燈超級電容參考設(shè)計

針對高分辨率照相手機的LED閃光燈超級電容參考設(shè)計

手機正在變成終極集大成便攜式消費電子平臺。它的性能包括：捕捉高質(zhì)量圖像、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)訪問、清脆的音頻、更長的通話時間、以及更長的電池壽命。不過，一個主要的設(shè)計挑戰(zhàn)也正在浮現(xiàn)出來。為了適應(yīng)高度復(fù)雜的移動應(yīng)用，手機電池仍然需要費很大的力氣才能提供足夠的峰值功率，這就推動了可為高性能操作提供所需功率的電路的需求，這種電路可以在不過載電池的前提下在短時間內(nèi)儲存大電流。

對高級照相手機制造商來說，最重要的挑戰(zhàn)就是提供高亮度相機閃光燈所需的大峰值電流。隨著照相手機的分辨率增長到三百萬像素及以上，產(chǎn)生高質(zhì)量圖像所需的光通量也已急劇提高。為了匹配數(shù)碼相機的照片質(zhì)量，必須以高達2A的電流驅(qū)動LED閃光燈，或?qū)㈦瘹忾W光管充電到330V以上。手機的其他應(yīng)用（包括RF功放、GPS導(dǎo)航、互聯(lián)網(wǎng)訪問、音樂和視頻）也有可能超過電池電流的供應(yīng)能力。

設(shè)計挑戰(zhàn)
照相手機在中度到低度光照條件下需要一個高亮度閃光燈來產(chǎn)生曝光充分的圖片。設(shè)計師可以選擇LED或氙氣閃光管，但它們兩者都有相應(yīng)的挑戰(zhàn)。

大電流LED閃光燈需要4倍于電池提供的功率，才能產(chǎn)生高分辨率圖像所需的光亮度。為了克服功率限制問題，一些照相手機已經(jīng)采用更長的閃光曝光時間來補償光通量的不足，而這會導(dǎo)致圖片的模糊。

氙氣閃光管可提供很好的光照度，但它的閃光曝光時間很短，因此不能用于視頻捕捉/電影模式功能。它所需的電解儲存電容對纖薄型設(shè)計來說體積太大、工作電壓很高，兩次閃光之間需要較長時間才能充滿電，不能用于手機中其他需要峰值功率的應(yīng)用。

解決為每個LED閃光燈提供1～2A驅(qū)動電流問題的方法之一是，用一個電容來儲存電流，并在不分流主電池的情況下快速供電。不過，如果采用傳統(tǒng)電容要儲存大電流，不是需要一個體積非常大的大容量電容，就是需要多個并聯(lián)起來的中等容量電容。對于空間受限的便攜式系統(tǒng)來說，更為實用的解決方案是采用容值非常高的超級電容。通過使用一個超級電容，設(shè)計師可以為這些短持續(xù)間隔的事件提供所需的大電流，并在這些事件之間通過電池對它們再充電。為了支持電池，設(shè)計師可以增加一個很薄的超級電容，這可在不犧牲纖薄手機設(shè)計的情況下應(yīng)對手機的峰值功率需求（如為拍照、音頻和視頻、無線傳輸和GPS結(jié)果閱讀提供閃光）。它也允許設(shè)計師通過僅滿足平均功耗而不是峰值功耗來最佳地調(diào)整電池和功率電路的大小，減少系統(tǒng)的占板面積。

設(shè)計一個超級電容
超級電容（SC）是什么？像任何電容一樣，一個超級電容基本上也是由兩塊并行的導(dǎo)電板構(gòu)成的，中間隔以被稱為電介質(zhì)的絕緣材料。電容的容值與導(dǎo)電板的面積成正比，與電介質(zhì)的厚度成反比。開發(fā)超級電容的制造商通過采用多孔碳材料制造導(dǎo)電板以使得表面積最大，以及采用像分子那樣薄的電解液作為電介質(zhì)以將兩塊導(dǎo)電板之間距離減至最小，在最小化尺寸的情況下實現(xiàn)了更高的電容值。

采用這一方法，可以制造出容值為16mF～2.3F的電容。這些電容可等效為非常低的內(nèi)部電阻或ESR（等效串聯(lián)電阻），這使得它們可在最小化輸出電壓的同時提供高峰值電流脈沖。通過以相對較小的外形尺寸提供非常高的電容值，這些超級電容降低了系統(tǒng)對PCB板面積的需求。它們可以制造成任何尺寸和形狀，而且可在數(shù)秒內(nèi)完成再充電，可將電池壽命延長5倍，并允許設(shè)計師采用更小、更輕和更廉價的電池。

固有挑戰(zhàn)
不過，這一低ESR在充電過程中為設(shè)計師帶來了一個問題。在任一系統(tǒng)中，電容在最初使用前都是放空的。隨后，當電源電壓施加以后，超級電容看起來就像是一個低值電阻。如果該電流不被控制或限制，就會導(dǎo)致一個巨大的尖峰電流。因此，設(shè)計師必須實現(xiàn)某種尖峰電流限制措施，以確保電池不會馬上耗盡。任何這種類型的電路通常還需要短路、過壓和過流保護。

設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是如何高效地將電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器和超級電容連接起來，做到既能限制超級電容的尖峰充電電流，又能在負載之間不斷地對超級電容進行再充電。能夠滿足超級電容充電要求的LED閃光燈驅(qū)動器現(xiàn)在已經(jīng)在市場上出現(xiàn)，它可以使得設(shè)計師的工作更輕松，并節(jié)省PCB空間、成本和上市時間。數(shù)碼相機的LED閃光燈需要1～2A電流才能持續(xù)閃光120ms。

超級電容可用來儲存必需的電流，并在不分流主電池的情況下快速供電。與電池一起工作時，超級電容在峰值負載期間釋放其儲存的電流，在兩個峰值負載之間則進行再充電。與純電池供電設(shè)備相比，帶超級電容的電源系統(tǒng)可提供高達2倍的電能，而且還可延長電池的壽命。很明顯，不管設(shè)計師在何時使用超級電容，他們都必須限制尖峰電流。此外，當電壓掉到LED閃光燈的工作電壓以下時，超級電容就需要再充電。當超級電容充滿電時，它必須與充電源斷開。另外，它還需要短路保護、源過壓保護和過流保護。

超級電容帶來的好處
超級電容可以大于500k的周期在數(shù)秒內(nèi)完成再充電，并將電能儲存在靜電場中。由于完全充滿電時只有大負載電流才可能把電壓降得過低，因此超級電容的使用也減少了ESR和阻抗。

超級電容可以制造成任何尺寸和外形，不管是扁平型還是小尺寸。超級電容還具有很長的壽命（10～12年）。與電池不同，它們具有非破壞性的開路（高ESR）故障模式。如果一個過高電壓施加到該器件上，唯一的后果是ESR的輕微增加，并最終演變到開路狀態(tài)。整個過程不會起火、起煙或爆炸。

設(shè)計解決方案
超級電容供電的LED閃光燈單元可以驅(qū)動大電流LED，它提供的閃光亮度是標準電池供電LED閃光燈單元的許多倍，或持續(xù)時間超過氙氣燈。如圖1所示，AAT1282含有一個升壓轉(zhuǎn)換器，它用來將3.2～4.2V電池輸入電壓提升到穩(wěn)定的5.5V。如果電池電壓為3.5V，且升壓轉(zhuǎn)換器效率是90%，那么電池需要提供3A以上的電流，才能維持一個2A閃光脈沖。這不是會導(dǎo)致電池保護電路關(guān)斷電池，就是會引起一個低電壓關(guān)斷，而此時電池仍具有大量的電能。

這一解決方案還提供一些閃光燈管理功能，如電影模式和超級電容充電功能。該解決方案控制和調(diào)節(jié)來自手機電池源的電流、提升電池電壓和管理超級電容的充電，以控制和提供終端應(yīng)用中的LED閃光燈所需要的大電流。

圖1 用超級電容為LED供電

圖2 AAT1282的詳細電路原理

為更好地實現(xiàn)這一目標， AAT1282具有防止啟動時過大尖峰電流沖擊的內(nèi)置電路、一個固定的800mA輸入電流限制器、以及一個超級電容充滿電后的負載斷開電路。其輸出電壓受限于內(nèi)部過壓保護電路，可防止轉(zhuǎn)換器和超級電容免受一個開路LED（開路條件下）的損害。

在開路狀態(tài)期間，輸出電壓上升并到達5.5V（典型值），過壓保護電路關(guān)閉開關(guān)電路，阻止輸出電壓進一步升高。一旦開路狀態(tài)解除，開關(guān)電路馬上恢復(fù)工作。控制器回歸到正常工作狀態(tài)，并維持一個平均輸出電壓。一個工業(yè)標準I2C串行數(shù)字輸入接口使能/鎖定LED，以及用高達16個針對更低光輸出要求的電影模式設(shè)置設(shè)定電影模式電流。

一個詳細的原理圖（見圖2）顯示超級電容周圍只需要少量的元器件。一個0.55F、85mΩ的超級電容與AAT1282 LED閃光燈驅(qū)動器一起使用時可提供9W的LED突發(fā)電能。為了達到很高的光亮度，LED閃光燈的驅(qū)動電流介于1～2A之間。LED上的正向電壓（VF）可以上升到4.8V。如果我們包括電流控制電路的200mV開銷，你就很容易看到在閃光事件期間總的負載電壓是如何上升到5V的，這也證明了5.5V輸出電壓是有必要的。

圖3 不同驅(qū)動條件下的LED閃光測試結(jié)果

圖4 閃光功能和電影模式選項的數(shù)字控制

圖3顯示了采用2個以1A電流驅(qū)動的LED閃光燈和1個以2A電流驅(qū)動的LED閃光燈的測試結(jié)果。正如所見到的一樣，超級電容可以很容易地提供閃光持續(xù)120ms所需的電流，同時保持電源電壓充分地高于LED的VF電壓。在兩次閃光之間，超級電容以一個較慢的速率再充電，充電時間在外部設(shè)定，可針對不同的電池尺寸和化學原理進行優(yōu)化。圖4顯示了閃光功能和電影模式選項的數(shù)字控制。

結(jié)語
超級電容很少用在便攜式系統(tǒng)中。它們的應(yīng)用通常局限于備份或待機，這些功能使用相對較低電流，并需要相當長充電時間。通過整合最新推出的升壓轉(zhuǎn)換器和超級電容，設(shè)計師現(xiàn)在可以創(chuàng)建緊湊的解決方案。