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高解析度照相手機LED閃光電源解決方案
超級電容應用參考設計

【作者: Thomas Delurio】   2008年07月25日 星期五

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手機已經成為具最終整合性的消費性可攜式裝置,其已具備高品質攝影、Wi-Fi網路存取、清楚的聲音、延長的通話時間,以及更長電池壽命之特性。而目前,有一個主要設計挑戰現正逐漸湧現,手機電池正努力提供足夠的峰值電力,以供電某些高度複雜性的行動應用,而這也驅動了可短時間儲存高電流而不造成電池超載,以提供高效能操作所必須之電力的電路需求。


對於先進照相手機製造商而言,提供高亮度相機閃光所消耗之高鋒值電流是最重要的。隨著照相手機的解析度已成長至三百萬畫素以上,用來完成高品質影像所要求的亮度也大幅提升。為與數位相機的照片品質有所匹配,手機必須以如2A之高電流驅動閃光LED,或以氙閃光管充電至330V以上。手機的其它應用,如RF功率放大器、GPS繪圖、網路存取、音樂和影片也超越了來源電流之可用性。


設計挑戰

照相手機要求在中至低亮度條件下提供高強度閃光,以此方能產生高品質的圖片。設計者可於LED或氙閃光元件中進行選擇,但每一項選擇都具備挑戰:


要達到高解析度影像所需光度,高電流閃光LED所要求的電力需高於電池所能提供的四倍。為克服此電源限制,某些照相手機使用長閃光曝光時間來補償所缺乏的光,但這會造成相片影像的模糊。


氙閃光管提供良好光源之電力,但僅擁有短閃光曝光,並且無法用於影像捕捉/電影模式功能。為了達到薄型設計並使其能操作於高電壓,所需的電解儲存電容非常龐大,因此在閃光事件之間需要長時間充電,並且無法滿足手機內其它峰值電源需求。


一項分別於1A至2A驅動閃光LED的解決方案,是使用電容來儲存電流,並在無需汲取主要電池電力的情況下快速達成。然而,使用傳統電容要求非常大的機箱尺寸、或須將多個元件並聯。因此,對於具空間限制之可攜式系統的更實用解決方案,是使用非常高值的「超級」電容。這些元件在相對小、平坦機殼尺寸下提供高位準的電容。透過超級電容,設計者將能提供這些短期事件所需的高電流位準,並於事件間重新將電池充電。而為支援此電池,設計者必須加入一薄型超級電容,以處理手機的峰值電源需求-閃光照片、音頻和影片、無線傳輸和GPS讀取-而不影響薄型手機之設計。其也可使設計者透過最佳化評估電池和電源電路,以僅涵蓋平均功率消耗而非峰值位準的方法來縮小系統接腳佔位。


超級電容之定義

什麼是超級電容(SC)?一如任何電容,超級電容基本上是由一塊俗稱為介電質之絕緣材質所分開的二塊平行導電片。電容的價值與導電片的面積直接成正比,並與電介質的厚度成反比。超級電容之製造商在達到此高電容值的同時,並將尺寸縮減至最小,其運用多孔碳材料為板材,以將表面積最大化,同時運用分子化薄電解質為介電質,將導電片間的距離縮減至最小,如此將使其能製造出從小如16mF至大如2.3F的電容。這些元件之架構導致非常低的內阻或ESR(等效串聯電阻),使其能於輸出電壓提供高峰值電流脈衝,而無太多降幅。這些超級電容透過相對較小的尺寸提供非常高電容,而能降低系統接腳佔位需求。其可以運用任何尺寸及形狀來製造,並於幾秒內完成再充。透過平均高功率需求,其能使設計者運用更小、更輕及更經濟的電池。


固有的挑戰

然而,在任何電容被第一次充電時,對設計者而言,低ESR衍生了一個於充電週期的問題。當供應電壓供電時,超級電容類似一個低值電阻,如果此電流不加以控制或限制,則將導致大量突波電流,因此,設計者必須建置類似突波電流限制方法,以確保電池不會關閉。此類型的任何電路一般都要求短路、過壓及電流浮動保護。


設計者的挑戰,是如何高效率地互聯電池、DC/DC轉換器和超級電容,以限制超級電容突波充電,並持續於負載事件間對超級電容再充。可管理超級電容充電要求之LED閃光驅動器的問世,使設計者的工作更容易,同時整合了電路來縮減空間、成本和上市時間。


超級電容可用於儲存所需的電流,並在無需從電池汲取電力的情況下迅速完成。透過與電池搭配,超級電容在鋒值負載期間釋放其電源,並於峰值間進行再充,以從由電池操作之主控端提供操作系統所需電力,其達2倍長,並可延長電池壽命。很明顯的,不論何時,當設計者使用超級電容時,突波電流都必須被限制。 此外,當電壓下降或落至低於LED的運作限制時,此超級電容需被再充。當此超級電容被充分充電後,其必須從電源斷開,同時,短路保護、於電壓間的輸出保護、及電流流動保護也是必須的。


超級電容的優勢

傳統的電容技術要求非常大的機箱尺寸或多個元件並聯,以達到高電容值。超級電容可於>500k週期之幾秒內再充,並將能量儲存於電場中。當完全充電時,由於電壓只在達到高負載電流後才大幅下降,因此使用超級電容同樣可減少ESR和阻抗。


超級電容可以透過任何尺寸和形狀製造。其可透過平均高功率需求而延長五倍壽命,因此允許使用更小、更輕和更便宜的電池。超級電容同樣也具備長使用壽命(10到12年)特性。不同於電池,其具備一個不具損壞性的開路(高ESR)故障模式。同樣的,如果過壓情況產生,唯一的結果是輕微的膨脹和ESR的上升,最後形成開路。因此不會有火花、煙霧或爆炸的情況。


設計解決方案

由超級電容供電之LED閃光元件,可驅動高電流LED,以提供比標準電池供電LED閃光元件或氙閃光燈高數倍的亮度。如圖一所示,AAT1282包含一個用來提高3.2V至4.2V電池輸入電壓達恆定5.5V的升壓轉換器。如果電池電壓為3.5V,而升壓轉換器效率為90%,此電池將需要針對2A閃光脈衝期間提供3A以上之電壓。這將造成電池保護電路關閉電池、或低壓關機,而大量的能量仍儲存於電池中。此種解決方案也提供閃光管理功能,例如電影模式和超級電容充電能力。此解決方案可控制並調控來自手機電池來源的電流,以提高電池電壓並為超級電容充電,以此為終端應用之閃光LED達到高電流之控制和供應。



《圖一 使用超級電容,將針對超亮度LED閃光驅動非常高LED電流。此超級電容的實際尺寸很小且扁平,是手機應用之理想選擇。》
《圖一 使用超級電容,將針對超亮度LED閃光驅動非常高LED電流。此超級電容的實際尺寸很小且扁平,是手機應用之理想選擇。》

為達到此目的,升壓轉換器須內建電路,以防止在開機期間的過量突波電流,同時須包含800mA之固定輸入電流限制器,和超級電容充電後的真實負載斷開。AAT1282升壓轉換器的輸出電壓由內部過壓保護電路限制,其能避免對AAT1282轉換器和來自開路LED之超級電容(開路狀態)的損壞。在開電路期間,輸出電壓上升並達到5.5V(典型值),而過壓電路則關閉開關功能,以防止輸出電壓升高。一旦開路狀況排除,開關將恢復功能,此控制器將回復正常運作,並維護平均輸出電壓。工業標準之I2C連續數位輸入可致能、禁能LED,並以達16個電影模式設定來設置電影模式電流,以達到更低的亮度輸出。


如圖二所示,一個詳細的概要說明其只須少量零組件,0.55F、85mOhm超級電容使用AAT1282 LED閃光驅動器以提供9W LED電源觸發,其擁有整合升壓DC/DC LED驅動器之超級電容電器。為達到高亮度位準,閃光LED於1A和2A電流之間被驅動。其順向電壓(VF)橫跨LED,因這些高電流可達到4.8V。如果針對電流控制電路納入200mV負載,便很容易可以看出閃光時的總負載電壓為何可達到5V,由此也展示了對於5.5V升壓電壓的需求。



《圖二 詳細的電路圖解。此LED以各2A驅動,提供比K800i氙閃光燈更高亮度。此超級電容解決方案厚度小於2mm。》
《圖二 詳細的電路圖解。此LED以各2A驅動,提供比K800i氙閃光燈更高亮度。此超級電容解決方案厚度小於2mm。》

圖三分別顯示於1A運用兩個閃光LED,及於2A時用運用一個LED之測試結果,其中可見超級電容可針對120ms輕易地供應必須的電流,同時阻止供應電壓超過LED的順向電壓。在閃光事件中,此超級電容透過較低的速率被再充,以針對下次拍照進行準備。在兩次閃光間,充電超級電容的時間是由外部設定,並能根據不同的電池尺寸/化學性而被最佳化。圖四顯示閃光功能及電影模式選項之數位控制。



《圖三 效能結果,於各1A時的2個LED或2A時的1個LED。》
《圖三 效能結果,於各1A時的2個LED或2A時的1個LED。》

《圖四 閃光及電影模式控制。此電影模式透過I2C介面控制,而閃光透過閃光致能針腳控制。》
《圖四 閃光及電影模式控制。此電影模式透過I2C介面控制,而閃光透過閃光致能針腳控制。》

結語

超級電容很少用於可攜式系統。其用途典型被限制於備份或待機功能,這些功能所需的電流相對較,並提供相當久的充電時間。透過結合新型的升壓轉換器與超級電容,設計者現在將能創造出纖小的解決方案,其能於短時間內提供高位準的電流,同時,達到更長的電池壽命,並允許使用更小、更輕和較低花費的電源。


透過使用超級電容和擁有完整參考設計之閃光LED控制器,要為超亮LED閃光提供非常高的LED閃電流是可能的。例如,提供比K800i氙閃光燈更高之亮度。此超級電容厚度少於2mm,並可提供其他更多優點,如更長的通話時間和改良的聲音品質。


…作者為Advanced Analogic Technologies, Inc應用經理…


參考資訊

Comparison of xenon flash and high current LEDs for photo flash in camera phones


Use of Supercapacitors to Improve Performance of GPRS Mobile Stations


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