針對高分辨率照相手機的LED閃光燈超級電容參考設計

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：捕捉高質量圖像、Wi-Fi網絡訪問、清脆的音頻、更長的通話時間、以及更長的電池壽命。不過，一個主要的設計挑戰也正在浮現出來。為了適應高度復雜的移動應用，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儲存大電流。

對高級照相手機制造商來說，最重要的挑戰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，產生高質量圖像所需的光通量也已急劇提高。為了匹配數碼相機的照片質量，必須以高達2A的電流驅動LED閃光燈，或將氙氣閃光管充電到330V以上。手機的其他應用（包括RF功放、GPS導航、互聯網訪問、音樂和視頻）也有可能超過電池電流的供應能力。

設計挑戰
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生曝光充分的圖片。設計師可以選擇LED或氙氣閃光管，但它們兩者都有相應的挑戰。

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

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用。

解決為每個LED閃光燈提供1～2A驅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，就是需要多個并聯起來的中等容量電容。對于空間受限的便攜式系統來說，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，設計師可以為這些短持續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計的情況下應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結果閱讀提供閃光）。它也允許設計師通過僅滿足平均功耗而不是峰值功耗來最佳地調整電池和功率電路的大小，減少系統的占板面積。

設計一個超級電容
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電板構成的，中間隔以被稱為電介質的絕緣材料。電容的容值與導電板的面積成正比，與電介質的厚度成反比。開發超級電容的制造商通過采用多孔碳材料制造導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以將兩塊導電板之間距離減至最小，在最小化尺寸的情況下實現了更高的電容值。

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部電阻或ESR（等效串聯電阻），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，而且可在數秒內完成再充電，可將電池壽命延長5倍，并允許設計師采用更小、更輕和更廉價的電池。

固有挑戰
不過，這一低ESR在充電過程中為設計師帶來了一個問題。在任一系統中，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，就會導致一個巨大的尖峰電流。因此，設計師必須實現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。

設計師面臨的挑戰是如何高效地將電池、DC/DC轉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閃光燈驅動器現在已經在市場上出現，它可以使得設計師的工作更輕松，并節省PCB空間、成本和上市時間。數碼相機的LED閃光燈需要1～2A電流才能持續閃光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。與純電池供電設備相比，帶超級電容的電源系統可提供高達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的周期在數秒內完成再充電，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。整個過程不會起火、起煙或爆炸。

設計解決方案
超級電容供電的LED閃光燈單元可以驅動大電流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，或持續時間超過氙氣燈。如圖1所示，AAT1282含有一個升壓轉換器，它用來將3.2～4.2V電池輸入電壓提升到穩定的5.5V。如果電池電壓為3.5V，且升壓轉換器效率是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。這不是會導致電池保護電路關斷電池，就是會引起一個低電壓關斷，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節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

為更好地實現這一目標， AAT1282具有防止啟動時過大尖峰電流沖擊的內置電路、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部過壓保護電路，可防止轉換器和超級電容免受一個開路LED（開路條件下）的損害。

在開路狀態期間，輸出電壓上升并到達5.5V（典型值），過壓保護電路關閉開關電路，阻止輸出電壓進一步升高。一旦開路狀態解除，開關電路馬上恢復工作。控制器回歸到正常工作狀態，并維持一個平均輸出電壓。一個工業標準I2C串行數字輸入接口使能/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置設定電影模式電流。

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閃光燈驅動器一起使用時可提供9W的LED突發電能。為了達到很高的光亮度，LED閃光燈的驅動電流介于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 不同驅動條件下的LED閃光測試結果

圖4 閃光功能和電影模式選項的數字控制

圖3顯示了采用2個以1A電流驅動的LED閃光燈和1個以2A電流驅動的LED閃光燈的測試結果。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，充電時間在外部設定，可針對不同的電池尺寸和化學原理進行優化。圖4顯示了閃光功能和電影模式選項的數字控制。

結語
超級電容很少用在便攜式系統中。它們的應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換器和超級電容，設計師現在可以創建緊湊的解決方案。