高分辨率照相手機(jī)的LED閃光燈超級(jí)電容設(shè)計(jì)
手機(jī)正在變成終極集大成便攜式消費(fèi)電子平臺(tái)。它的性能包括：捕捉高質(zhì)量圖像、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)、清脆的音頻、更長(zhǎng)的通話時(shí)間、以及更長(zhǎng)的電池壽命。不過(guò)，一個(gè)主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)也正在浮現(xiàn)出來(lái)。為了適應(yīng)高度復(fù)雜的移動(dòng)應(yīng)用，手機(jī)電池仍然需要費(fèi)很大的力氣才能提供足夠的峰值功率，這就推動(dòng)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(guò)載電池的前提下在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存大電流。
對(duì)高級(jí)照相手機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，最重要的挑戰(zhàn)就是提供高亮度相機(jī)閃光燈所需的大峰值電流。隨著照相手機(jī)的分辨率增長(zhǎng)到三百萬(wàn)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(jī)的照片質(zhì)量，必須以高達(dá)2A的電流驅(qū)動(dòng)LED閃光燈，或?qū)㈦瘹忾W光管充電到330V以上。手機(jī)的其他應(yīng)用(包括RF功放、GPS導(dǎo)航、互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)、音樂(lè)和視頻)也有可能超過(guò)電池電流的供應(yīng)能力。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
照相手機(jī)在中度到低度光照條件下需要一個(gè)高亮度閃光燈來(lái)產(chǎn)生曝光充分的圖片。設(shè)計(jì)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(wèn)題，一些照相手機(jī)已經(jīng)采用更長(zhǎng)的閃光曝光時(shí)間來(lái)補(bǔ)償光通量的不足，而這會(huì)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(shí)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(chǔ)存電容對(duì)纖薄型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)體積太大、工作電壓很高，兩次閃光之間需要較長(zhǎng)時(shí)間才能充滿(mǎn)電，不能用于手機(jī)中其他需要峰值功率的應(yīng)用。
解決為每個(gè)LED閃光燈提供1～2A驅(qū)動(dòng)電流問(wèn)題的方法之一是，用一個(gè)電容來(lái)儲(chǔ)存電流，并在不分流主電池的情況下快速供電。不過(guò)，如果采用傳統(tǒng)電容要儲(chǔ)存大電流，不是需要一個(gè)體積非常大的大容量電容，就是需要多個(gè)并聯(lián)起來(lái)的中等容量電容。對(duì)于空間受限的便攜式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，更為實(shí)用的解決方案是采用容值非常高的超級(jí)電容。通過(guò)使用一個(gè)超級(jí)電容，設(shè)計(jì)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(guò)電池對(duì)它們?cè)俪潆?。為了支持電池，設(shè)計(jì)師可以增加一個(gè)很薄的超級(jí)電容，這可在不犧牲纖薄手機(jī)設(shè)計(jì)的情況下應(yīng)對(duì)手機(jī)的峰值功率需求(如為拍照、音頻和視頻、無(wú)線傳輸和GPS結(jié)果閱讀提供閃光)。它也允許設(shè)計(jì)師通過(guò)僅滿(mǎn)足平均功耗而不是峰值功耗來(lái)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(jì)一個(gè)超級(jí)電容
超級(jí)電容(SC)是什么?像任何電容一樣，一個(gè)超級(jí)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(chēng)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(kāi)發(fā)超級(jí)電容的制造商通過(guò)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(shí)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(shí)提供高峰值電流脈沖。通過(guò)以相對(duì)較小的外形尺寸提供非常高的電容值，這些超級(jí)電容降低了系統(tǒng)對(duì)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(zhǎng)5倍，并允許設(shè)計(jì)師采用更小、更輕和更廉價(jià)的電池。
固有挑戰(zhàn)
不過(guò)，這一低ESR在充電過(guò)程中為設(shè)計(jì)師帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題。在任一系統(tǒng)中，電容在最初使用前都是放空的。隨后，當(dāng)電源電壓施加以后，超級(jí)電容看起來(lái)就像是一個(gè)低值電阻。如果該電流不被控制或限制，就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)巨大的尖峰電流。因此，設(shè)計(jì)師必須實(shí)現(xiàn)某種尖峰電流限制措施，以確保電池不會(huì)馬上耗盡。任何這種類(lèi)型的電路通常還需要短路、過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)。
設(shè)計(jì)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(jí)電容連接起來(lái)，做到既能限制超級(jí)電容的尖峰充電電流，又能在負(fù)載之間不斷地對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行再充電。能夠滿(mǎn)足超級(jí)電容充電要求的LED閃光燈驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在已經(jīng)在市場(chǎng)上出現(xiàn)，它可以使得設(shè)計(jì)師的工作更輕松，并節(jié)省PCB空間、成本和上市時(shí)間。數(shù)碼相機(jī)的LED閃光燈需要1～2A電流才能持續(xù)閃光120ms。
超級(jí)電容可用來(lái)儲(chǔ)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(shí)，超級(jí)電容在峰值負(fù)載期間釋放其儲(chǔ)存的電流，在兩個(gè)峰值負(fù)載之間則進(jìn)行再充電。與純電池供電設(shè)備相比，帶超級(jí)電容的電源系統(tǒng)可提供高達(dá)2倍的電能，而且還可延長(zhǎng)電池的壽命。很明顯，不管設(shè)計(jì)師在何時(shí)使用超級(jí)電容，他們都必須限制尖峰電流。此外，當(dāng)電壓掉到LED閃光燈的工作電壓以下時(shí)，超級(jí)電容就需要再充電。當(dāng)超級(jí)電容充滿(mǎn)電時(shí)，它必須與充電源斷開(kāi)。另外，它還需要短路保護(hù)、源過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。
超級(jí)電容帶來(lái)的好處
超級(jí)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(chǔ)存在靜電場(chǎng)中。由于完全充滿(mǎn)電時(shí)只有大負(fù)載電流才可能把電壓降得過(guò)低，因此超級(jí)電容的使用也減少了ESR和阻抗。
超級(jí)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(jí)電容還具有很長(zhǎng)的壽命(10～12年)。與電池不同，它們具有非破壞性的開(kāi)路(高ESR)故障模式。如果一個(gè)過(guò)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(kāi)路狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程不會(huì)起火、起煙或爆炸。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-05
