超过2M（二百万）像素的照相电话在中至低的光度状况下拍照需要有强光的闪光灯才可保证拍出优质的相片，可是，电池给与系统的能力有限，因它不能传送高电流脉冲给LED有足够的光度输出，从而拍摄明亮的高解像照片。

　　传统的LED闪光驱动器采用流控模式的升压变换器。如图1所示，试举一个例子，如要驱动两个并联相接的LED，比如是Lumileds Luxeon PWF1，每个需1A电流，在使用高度一致性光学透镜下于2米距离处产生大约20lux（流明）。升压变换器的输出电压=LED正向电压+检流电阻Rsense上的降压。最大正向电压=4.8V，并假定检流电阻上有200mV，那么升变换器输出电压=5V。假设照相电话电池电压=3.3V（在负载下）和升压变换器效率为85%。在此例中的电池电流将会=5V／3.3V／85% x 2A=3.6A，这已超出一般电话电池的能力了。

图1  流控升压变换器作为LED灯光灯驱动器

　　另一解决方案是采用氙闪光灯，但这需要：（1）一个对流动电话形态来讲是非常笨重的储存电容器及（2）一个导致电话和安全问题的高压。还有，在LED闪光灯情况来讲，可以采用较低电流的同一LED电路作为捕捉影像和电筒功能。

　　为要克服功率限制，有些照相电话供应商已使用长的闪光曝光时间，补偿光量不足，因此要增加总光能，但此举却造成照片模糊不清。

　　设计方案

　　当中有两个方案可提供足够LED闪光功率，清除因缺少光量下造成暗黑、模糊不清的照片。CAP-XX超级电容以其高C（1F或以上的电容）和低ESR（<100mΩ的内阻）能支援电池。提供LED所需的脉冲功率，而其薄的棱柱形体适合于比如照相电话这类空间紧逼的应用上。因此提出，方案1：将超级电容放置在升压变换器的输出；及方案2：将超级电容与电池串联。

　　图2所示为CAP-XX方案的方框图，而图3为实现的电路。小型、低成本的限流式电荷泵给超级电容预先充电至约5.5V，超级电容一旦充了电，便可启动电流开关，送出高流闪光脉冲，其能量和功率乃来自超级电容，而非电池和电荷泵。在闪光脉冲期间，可以启动或禁止电荷泵，电荷泵电流受限制至约300mA。在手电筒（Torch）模式中，电荷泵处于被启动状态，电池与电荷泵现在送出一个低于电荷泵限流的恒定电流。

图2  大功率LED超级电容方案的方框图

　在参考设计中，CAP-XX选取最强光LED-Lumileds LXCL-PWF1，它可处理1A高脉冲电流达至少200ms之久，这里驱动四个PWF1，每个于900mA，3.6A的总LED电流受到Micrel Mic2545电流开关的限制，挑选这电流开关乃由于其电流能力和相当细小的体形。

　　下面描述的电路是参照图3，当首次施加电源时，Flash/Torch选择线必须在低位或浮动之中，使到U1（SD6685电荷泵）被启动，这样令晶体管M1开闭和U1第5脚（EN）通过R6被拉到高位。视乎超级电容大小而定。需等候10-15秒让超级电容由0V充电至全满。当超级电容处于0V时会出现高的浪涌电流，跟着充电至接近Vin的电压，在电荷泵的输出看似短路，加入R11到电路里目的就是限制起始的浪涌电流至少于750mA。

图3  CAP-XX超级电容方案的实现电路

　　须注意，SP6685只用来给超级电容充电，所以它总是在其Torch模式（第4脚，Flsh与Gnd连接）。

　　超级电容一旦已充电，可选择Flash或Torch模式。当这信号是高时（Flash模式），晶体管M2导通，这是为U2（MIC2545）设定定流电阻=R9//R10，是设定LED闪光电流。

　　当Enable输入（U2第1脚）处于高位时，U2便导通，于是LED有电流供应而发光。由于超级电容的容量非常的大，闪光脉冲只是将超级电容放出很小量的电能，一般少于1V。换言之，闪光拍照之间的再充电时间是短的，一般约2秒，这是比LED由闪光至冷却的所需时间更短。图5说明闪光脉冲期间与之后的超级电容电压电池电流和LED电流的关系。电路加入D6的原因是当U1被禁止时阻止超级电容透过U1放电往电池去。

图5  方案1闪光脉冲期间和之后的电池，LED闪光电流，超级电容电压的情况

　　超级电容的C值与ESR值按照如下选择：

　　总LED电流（I_LED）=3.6A维持一个150ms的闪光脉冲——以PW_FLASH表示。

　　·查Lumileds数据书，得悉在0.9A下的额定LED正向电压=3.75V，容许至4.2V

　　·查Micrel数据书，得R_dson阻值<50mΩ，所以MIC2545电流开关上的降压<180mV

　　·故此，闪光脉冲结束时超级电容上的最小电压≧4.2V+0.18V=4.38V≧4.4V

　　·Vout（电荷泵电压）被设定于5.3V，所以，容许于超级电容上的总降压为V_d=5.3V-4.4V=0.9V

　　·超级电容的降压，V_d= I_LED x(ESR+PW_FLASH/G)

　　·再排列各项数：C≧I_LED x PW_FLASH/（V_d- I_LED  x ESR）

　　在上述例子中，C≧2A x 0.15s/(0.9V-2A x ESR)，假定超级电容有ESR=100mΩ，这样C≧2A x 0.15s/(0.9V-2A x 0.1Ω)=0.43F。挑选的超级电容要有一半的假设ESR值，为寿命上的老化作出准备。因此，CAP-XX GS206（0.55F，50mΩ）符合上述的要求。

　　须注意，电路里采用双超级电容，以求取所需的5.5V最大电压额定值。100mΩ是ESR值的最佳起始点，也许需要在C与ESR之间反复计算，找出一个适合的超级电容。在仍有充裕的空间情况下，设定电荷泵输出电压至可能的最低点上。

　　CAP-XX超级电容有非常低的漏电，一般少于1μA，可是当两个电容串联使用时，就需要平衡电路保证两电容之间的任何漏电差不会造成中点电压漂移而使到其中的电容过压。最简单的平衡电路是一对平衡电阻，如图2和3所示，就流动电话照相闪光电路实现方法来看——超级电容在闪光脉冲之前会被充电至超过5V，平衡电阻的适当数值为22kΩ。如超级电容要维持在正常较佳电压上（～3.6V）的话。总漏电+平衡电路电流就会有约80μA。CAP-XX对于良好的电池备用时间不得不承认会是太高，可行的改善方法包括：（1）当电话不在照相模式时禁止电荷泵功能——换言之，电话在备用状态时，没有超级电容+平衡电路泄漏。（2）使用高阻抗低流运放造成一个有源平衡电路——从CAP-XX的参考设计上取得总电流少于2μF。

　　电荷泵部份没有限制，这里挑选SP6685在于其外型细小，须注意一点，大多数电荷泵的软启动功能未能适当处理超级电容的输出，原因是超级电容放电就好像短路数秒，直至超级电容电压接近于电荷泵输出电压。简单的解决方法是在电荷泵的输入端加插一个限流电阻（图3中的R11）。

　　结果

　　CAP-XX方案能将两个超级电容，图3电路和四个替代的LED加入于现有名牌子的照相电话里面并不用改变原机的外貌。图4示出用来经改良和CAP-XX改良电话所拍摄出来的照片。未改良的电路以160ms时间输送1W的闪光功率，而改良电路则在同一时间输送达15W的闪光功率。

　图5示出在闪光脉冲期间和该脉冲之后超级电容再充电时的电池电流，LED电流和超级电容电压的状况。留意电池电流永不超过300mA，即使闪光脉冲是4A，超级电容提供3.7A的差额。

图6  方案2的配置方框图

　　方案2：超级电容与电池串联

　　图6为方案2的方框图，超级电容与电池正极串联，这种布局方式好处是：

　　·仅需单独一个超级电容

　　·是方案1所需的孖装超级电容的约一半容量，成本低

　　·由于超级电容正极端电压常低于电池电压，没有超级电容浪涌电流

　　·由于单一个超级电容，不需要平衡电路

　　这布局缺点是：

　　·电池电流=LED闪光电流；这与方案1不同，电池电流=只有超级电容充电电流（并可以是零—在LED闪光期间）。

　　这种方式在已定的电池电流下取得的LED电流远远高于采用“标准布局”的流控式升压变换器或电荷泵直接驱动闪光LED的电流。试看电荷泵在70%效率下以LED电流=1A驱动LED的情况。假设LED最大正向电压=4.8V和在负载下的电池电压=3.3V。

　　这样，在没有超级电容下，电池电流=1A x 4.8V/3.3V/70%=2A，对于电池要舒适地输送电流和仍要供电给电话的其余电路实在太多了。以方案2来讲，电池电流仅1A而已，即是说有100%改善。

图7  方案2的实现电路

　　参看图7的方案2的电路实现方法。正如与方案1的情况一样，当首次施加电源时，Flash/Torch选择线必须处于低位或浮动，使到U1被启动，视乎超级电容大小而定，需等3 至 6秒让超级电容从电池电压（超级电容两端0V）完满充电至Vled的起始值（～5.1V或超级电容两端1.2V）。在充电期间，高峰电池电流被限制至约300mA，这是在超级电容充电之时迅速减低的。电荷泵在方案2的行为有别于方案1。因为Vout≧Vin（总是），以及电荷泵永不视超级电容为短路。与方案1一样，电荷泵（U1）只用来给超级电容充电，所以它常在其Torch模式（第4脚Flsh接至Gnd）。

　　超级电容一旦已充电，可选Flash或Torch模式，当这信号是高位时（Flash模式），M2是ON，这将U2（MIC 2545）的设流电阻定在R9//R10=120Ω//1150Ω=110Ω。此举把LED电流定于约2A。Flash/Torch处高位也令M1在ON，这会禁止电荷泵功能（把U1第5脚拉至低位）。这是在方案2中的做法，因为电池经已通过超级电容输送LED电流，如任由电荷泵被启动，会造成电池提供较大的LED电流及效率低于100%。

图8  方案2闪光脉冲期间和之后的电池、LED闪光电流、超级电容电压的情况

　　正如在方案1中，闪光脉冲将超级电池放电只是一个很少数量，所以闪光拍照之间超级电容的再充电时间是很短，一般比LED闪光至冷却所需的时间更短（约2秒）。图8示出当电池供应充电电流给超级电容准备作下一次闪光拍照之时，闪光脉冲期间及之后的超级电容电压、电池电流和LED电流的情况。至于挑选超级电容的C值和ESR值过程则如下：

　·要以0.8A驱动一个Lumileds LXCL-PWF1,产生250ms的闪光脉冲。

　　·查Lumileds数据书，得悉在0.8A下的正向电压=3.7V，容许至4.1V。

　　·查Micrel数据书，得悉Rdson阻值<50mΩ，所以MIC2545电流开关上的降压<40mV。

　　·故此，闪光脉冲结束时超级电容上的最小电压=4.1V+0.04V=4.14V。

　　·Vout（电荷泵电压）设定于5.2V，故在超级电容上容许的总降压Vd=5.2V-4.14V=1.06V

　　·假设超级电容的ESR=50mΩ，故C≧0.8A x 0.25s/(1.06V-0.8A x 0.05Ω)=0.196F。挑选超级电容GW109，其C=250mF，ESR=35mΩ，容许ESR值加大一倍，故在Vd表达式中代入ESR=20mΩ和C=250mF，并检验降压是否少1.06V：

　　V_d=0.8A x (70mΩ+0.25s/0.25F)=0.8 x 1.07=0.86，即少于1.06V。

　　·故选用GW109（250mF，35）超级电容。

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