手机已经成为具最终整合性的消费性便携设备，其已具备高质量摄影、Wi-Fi网络存取、清楚的声音、延长的通话时间，以及更长电池寿命之特性。而目前，有一个主要设计挑战现正逐渐涌现，手机电池正努力提供足够的峰值电力，以供电某些高度复杂性的行动应用，而这也驱动了可短时间储存高电流而不造成电池超载，以提供高效能操作所必须之电力的电路需求。

对于先进照相手机制造商而言，提供高亮度相机闪光所消耗之高锋值电流是最重要的。随着照相手机的分辨率已成长至三百万画素以上，用来完成高质量影像所要求的亮度也大幅提升。为与数字相机的照片质量有所匹配，手机必须以如2A之高电流驱动闪光LED，或以氙闪光管充电至330V以上。手机的其它应用，如RF功率放大器、GPS绘图、网络存取、音乐和影片也超越了来源电流之可用性。

设计挑战

照相手机要求在中至低亮度条件下提供高强度闪光，以此方能产生高质量的图片。设计者可于LED或氙闪光组件中进行选择，但每一项选择都具备挑战：

要达到高分辨率影像所需亮度，高电流闪光LED所要求的电力需高于电池所能提供的四倍。为克服此电源限制，某些照相手机使用长闪光曝光时间来补偿所缺乏的光，但这会造成相片影像的模糊。

氙闪光管提供良好光源之电力，但仅拥有短闪光曝光，并且无法用于影像捕捉/电影模式功能。为了达到薄型设计并使其能操作于高电压，所需的电解储存电容非常庞大，因此在闪光事件之间需要长时间充电，并且无法满足手机内其它峰值电源需求。

一项分别于1A至2A驱动闪光LED的解决方案，是使用电容来储存电流，并在无需汲取主要电池电力的情况下快速达成。然而，使用传统电容要求非常大的机箱尺寸、或须将多个组件并联。因此，对于具空间限制之可携式系统的更实用解决方案，是使用非常高值的「超级」电容。这些组件在相对小、平坦机壳尺寸下提供高位准的电容。透过超级电容，设计者将能提供这些短期事件所需的高电流位准，并于事件间重新将电池充电。而为支持此电池，设计者必须加入一薄型超级电容，以处理手机的峰值电源需求－闪光照片、音频和影片、无线传输和GPS读取－而不影响薄型手机之设计。其也可使设计者透过优化评估电池和电源电路，以仅涵盖平均功率消耗而非峰值位准的方法来缩小系统接脚占位。

超级电容之定义

什么是超级电容（SC）？一如任何电容，超级电容基本上是由一块俗称为介电质之绝缘材质所分开的二块平行导电片。电容的价值与导电片的面积直接成正比，并与电介质的厚度成反比。超级电容之制造商在达到此高电容值的同时，并将尺寸缩减至最小，其运用多孔碳材料为板材，以将表面积最大化，同时运用分子化薄电解质为介电质，将导电片间的距离缩减至最小，如此将使其能制造出从小如16mF至大如2.3F的电容。这些组件之架构导致非常低的内阻或ESR（等效串联电阻），使其能于输出电压提供高峰值电流脉冲，而无太多降幅。这些超级电容透过相对较小的尺寸提供非常高电容，而能降低系统接脚占位需求。其可以运用任何尺寸及形状来制造，并于几秒内完成再充。透过平均高功率需求，其能使设计者运用更小、更轻及更经济的电池。

固有的挑战

然而，在任何电容被第一次充电时，对设计者而言，低ESR衍生了一个于充电周期的问题。当供应电压供电时，超级电容类似一个低值电阻，如果此电流不加以控制或限制，则将导致大量突波电流，因此，设计者必须建置类似突波电流限制方法，以确保电池不会关闭。此类型的任何电路一般都要求短路、过压及电流浮动保护。

设计者的挑战，是如何高效率地互联电池、DC/DC转换器和超级电容，以限制超级电容突波充电，并持续于负载事件间对超级电容再充。可管理超级电容充电要求之LED闪光驱动器的问世，使设计者的工作更容易，同时整合了电路来缩减空间、成本和上市时间。

超级电容可用于储存所需的电流，并在无需从电池汲取电力的情况下迅速完成。透过与电池搭配，超级电容在锋值负载期间释放其电源，并于峰值间进行再充，以从由电池操作之主控端提供操作系统所需电力，其达2倍长，并可延长电池寿命。很明显的，不论何时，当设计者使用超级电容时，突波电流都必须被限制。 此外，当电压下降或落至低于LED的运作限制时，此超级电容需被再充。当此超级电容被充分充电后，其必须从电源断开，同时，短路保护、于电压间的输出保护、及电流流动保护也是必须的。

超级电容的优势

传统的电容技术要求非常大的机箱尺寸或多个组件并联，以达到高电容值。超级电容可于>500k周期之几秒内再充，并将能量储存于电场中。当完全充电时，由于电压只在达到高负载电流后才大幅下降，因此使用超级电容同样可减少ESR和阻抗。

超级电容可以透过任何尺寸和形状制造。其可透过平均高功率需求而延长五倍寿命，因此允许使用更小、更轻和更便宜的电池。超级电容同样也具备长使用寿命（10到12年）特性。不同于电池，其具备一个不具损坏性的开路（高ESR）故障模式。同样的，如果过压情况产生，唯一的结果是轻微的膨胀和ESR的上升，最后形成开路。因此不会有火花、烟雾或爆炸的情况。

设计解决方案

由超级电容供电之LED闪光组件，可驱动高电流LED，以提供比标准电池供电LED闪光组件或氙闪光灯高数倍的亮度。如图一所示，AAT1282包含一个用来提高3.2V至4.2V电池输入电压达恒定5.5V的升压转换器。如果电池电压为3.5V，而升压转换器效率为90%，此电池将需要针对2A闪光脉冲期间提供3A以上之电压。这将造成电池保护电路关闭电池、或低压关机，而大量的能量仍储存于电池中。此种解决方案也提供闪光管理功能，例如电影模式和超级电容充电能力。此解决方案可控制并调控来自手机电池来源的电流，以提高电池电压并为超级电容充电，以此为终端应用之闪光LED达到高电流之控制和供应。

《图一 使用超级电容，将针对超亮度LED闪光驱动非常高LED电流。此超级电容的实际尺寸很小且扁平，是手机应用之理想选择。》

为达到此目的，升压转换器须内建电路，以防止在开机期间的过量突波电流，同时须包含800mA之固定输入电流限制器，和超级电容充电后的真实负载断开。AAT1282升压转换器的输出电压由内部过压保护电路限制，其能避免对AAT1282转换器和来自开路LED之超级电容（开路状态）的损坏。在开电路期间，输出电压上升并达到5.5V（典型值），而过压电路则关闭开关功能，以防止输出电压升高。一旦开路状况排除，开关将恢复功能，此控制器将回复正常运作，并维护平均输出电压。工业标准之I2C连续数字输入可致能、禁能LED，并以达16个电影模式设定来设置电影模式电流，以达到更低的亮度输出。

如图二所示，一个详细的概要说明其只须少量零组件，0.55F、85mOhm超级电容使用AAT1282 LED闪光驱动器以提供9W LED电源触发，其拥有整合升压DC/DC LED驱动器之超级电容电器。为达到高亮度位准，闪光LED于1A和2A电流之间被驱动。其顺向电压（VF）横跨LED，因这些高电流可达到4.8V。如果针对电流控制电路纳入200mV负载，便很容易可以看出闪光时的总负载电压为何可达到5V，由此也展示了对于5.5V升压电压的需求。

《图二 详细的电路图解。此LED以各2A驱动，提供比K800i氙闪光灯更高亮度。此超级电容解决方案厚度小于2mm。》

图三分别显示于1A运用两个闪光LED，及于2A时用运用一个LED之测试结果，其中可见超级电容可针对120ms轻易地供应必须的电流，同时阻止供应电压超过LED的顺向电压。在闪光事件中，此超级电容透过较低的速率被再充，以针对下次拍照进行准备。在两次闪光间，充电超级电容的时间是由外部设定，并能根据不同的电池尺寸/化学性而被优化。图四显示闪光功能及电影模式选项之数字控制。

《图三 效能结果，于各1A时的2个LED或2A时的1个LED。》

《图四 闪光及电影模式控制。此电影模式透过I2C接口控制，而闪光透过闪光致能针脚控制。》

结语

闪光及电影模式控制。此电影模式透过I2C接口控制，而闪光透过闪光致能针脚控制。

超级电容很少用于可携式系统。其用途典型被限制于备份或待机功能，这些功能所需的电流相对较，并提供相当久的充电时间。透过结合新型的升压转换器与超级电容，设计者现在将能创造出纤小的解决方案，其能于短时间内提供高位准的电流，同时，达到更长的电池寿命，并允许使用更小、更轻和较低花费的电源。

透过使用超级电容和拥有完整参考设计之闪光LED控制器，要为超亮LED闪光提供非常高的LED闪电流是可能的。例如，提供比K800i氙闪光灯更高之亮度。此超级电容厚度少于2mm，并可提供其他更多优点，如更长的通话时间和改良的声音质量。

…作者为Advanced Analogic Technologies, Inc应用经理...

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