Buzení LED, používaných ve fotoaparátech a jejich blescích s vysokou účinností
Aby mohly fotoaparáty s vysokým rozlišením pořizovat solidní fotografie i při sníženém osvětlení, vyžadují záblesková zařízení s vysokým jasem. Taková řešení již ostatně patří ke standardní výbavě celé řady mobilních telefonů, ve kterých si je zákazníci žádají. Mobilní telefon, vybavený takovým zdrojem osvětlení, se tak z hlediska své prodejnosti stává ještě atraktivnějším. V praxi to však znamená dostatečně velké světelné toky a s nimi související návrhy systémů buzení LED s vysokou účinností.
Návrh systému
S ohledem na velká napětí v propustném směru, proudové odběry zábleskových LED a také stanovená napětí baterie v mobilních telefonech se jako nejvýhodnější řešení jeví zvyšující měniče. Zvyšující měniče, využívající indukčnosti, vykazují i při velkých proudových odběrech dostatečnou míru účinnosti. V případě LED pak musíme uvažovat proudové buzení, protože dochází ke změnám velikosti propustného napětí a to nejen z titulu teploty (např.), ale také prostých odchylek sobě vlastních. Rozdíly ve velikosti napěťového úbytku v propustném směru mají svůj původ již ve výrobních postupech, přičemž se zde setkáváme s rozsahem až ±20 %, viz. obrázek.
Obr. 1: V-A charakteristika pro zábleskové LED v propustném směru
Jednoduchý přístup, spočívající v sériovém řazení LED se snímacím rezistorem a buzením ze zvyšujícího měniče jsme znázornili na dalším obrázku.
Obr. 2: Návrh jednoduchého budiče LED s externím snímacím rezistorem
Výstupní napětí zvyšujícího regulačního obvodu je řízeno tak aby odpovídalo nastavenému proudu LED, který snímáme vnějším rezistorem. Takovým způsobem se však budeme poněkud vzdalovat původnímu záměru dosáhnout v rámci dané baterie a souvisejícího energetického přídělu maximálního světelného toku. Na vnějším snímacím rezistoru, který byl navržen tak aby vhodně podpořil využitelný napěťový prostor i v případě menších proudových odběrů, vykazovaných během trvalého osvětlení natáčené scény, zase vznikají značné výkonové ztráty. Na druhé straně, bude – li se zvyšovat velikost protékajícího proudu, rovněž tím navýšíme velikost napěťového úbytku na snímacím rezistoru a dosáhneme tak ještě větších výkonových ztrát. Kromě toho, velmi přesné rezistory s dostatečnou výkonovou rezervou jsou poměrně drahé a ještě k tomu zvyšují rozměry celého řešení, protože takovým rezistorem vybavujeme každý kanál s LED.
Jako lepší řešení se proto jeví aktivní odvod (Sink) nebo také zdroj (Source) proudu, který by byl součástí budiče LED, znázorněného na obrázku. V závislosti na proudu LED dochází k nastavení velikosti interního, snímacího odporu tak aby nedocházelo ke zbytečně velkým napěťovým úbytkům a tudíž i výkonovým ztrátám. V případě malých proudů LED pak úbytek udržíme dostatečně vysoký s ohledem na precizní snímání signálových úrovní.
Obr. 3: Zdokonalený návrh budiče LED s adaptivním odvodem proudu a snímáním
Takové řešení odtoku proudu však nevyužíváme jen pro snímání velikosti proudu LED. Díky dynamickému nastavování odporu proud LED vhodně regulujeme. Výsledný úbytek napětí na sinku slouží jako informace pro dynamické nastavení výstupního napětí zvyšujícího měniče, takže udržíme výkonové ztráty na přijatelném minimu bez ohledu na velikost protékajícího proudu.
Obr. 4: Aktivní snímání ve srovnání s odporovým přístupem
Na obrázku jsme porovnali výsledky plynoucí ze snímání velikosti proudu na rezistoru 1 Ω s přístupem, založeným na aktivním snímání (úbytek 400 mV). Výhoda aktivního řešení v podobě snížených výkonových ztrát se následně zcela jasně odráží i v dosahované účinnosti celého systému.
Připojená baterie a otázka světelného toku
V minulosti byly příčinou největších pulsních, proudových odběrů z baterie mobilního telefonu vysokofrekvenční koncové stupně. Během posledních pěti let však došlo k výrazné orientaci na telefony s bohatou výbavou. O největší spotřebě tak dnes hovoříme ve spojitosti se samotným procesorem nebo, vrátíme – li se k původnímu zaměření tohoto článku, zábleskovými zařízeními s LED. Budeme – li například pracovat s proudem LED o velikosti 1,5 A, musíme uvažovat odběr z baterie, který se může z důvodu napěťového poměru zvyšujícího měniče „vyšplhat“ až na 3 A. Zmíněné vysoké odběry stojí za výrazným poklesem napětí bateriového zdroje. V takových případech se pak aktivují detekční mechanismy podpěťové ochrany před nežádoucí činností systému. Mezi stavy, které budou z pohledu zákazníka naprosto nepřijatelné, patří celkové vypnutí telefonu se značně vybitou baterií, budeme – li aktivovat blesk. Taková situace se pak běžně řeší softwarem, který v případě nízkého napětí baterie vypíná blesk fotoaparátu – blesk je tak vyřazen z činnosti, ale funkčnost zbylých částí je stále zachována, takže uživatel si již nemůže tolik stěžovat. Poměrně široké rozptyly v otázce bezpečnostní rezervy ještě ovlivní pomalá odezva PMIC na změny napětí baterie (způsobeno obnovovací rychlostí), její stárnutí, teplota nebo další nepřesnosti.
Bude – li samotný budič blesku schopen předejít příliš rychlému poklesu napětí na baterii, získáme v otázce velikosti bezpečnostní rezervy ještě lepší výsledky. Lze toho dosáhnout díky náběhu proudu LED s řízenou rychlostí přeběhu a také nepřetržitým monitorováním napětí na baterii během takového spouštění.
TI nabízí technologii s monitorováním napětí na baterii pro blesky a jejich budiče. Abychom zajistili plynulé průběhy proudu LED a zabránili nadměrnému poklesu napětí na baterii, řídíme v případě takových budičů aktivně vzestupnou i sestupnou sekvenci proudu LED. Během vzestupné fáze (strmost kroku činí 25 mA / 12 μs) dochází k monitorování vstupního napětí. Poklesne – li vstupní napětí pod nastavenou mez, součástka okamžitě zastavuje další navyšování proudového odběru vzhledem k nastavené úrovni a udržuje odběr blesku na aktuální velikosti, viz obrázek.
Obr. 5: Monitorování poklesu napětí na baterii
Díky takovému postupu lze udržovat bezpečnostní rezervu poměrně malou, přičemž se nemusíme obávat nežádoucího vypnutí přenosné elektroniky. Zároveň tím předejdeme nevratným změnám napětí na baterii během jejího provozního cyklu a ještě prodloužíme dobu celkové provozuschopnosti.
Integrace bezpečného systému
V souvislosti s vysokými, pulsními odběry bodových světel často hovoříme o bezpečném a také bezchybném provozu. Vůbec tedy nepřekvapí, že se výrobci mobilních telefonů budou dožadovat řešení s ohledem na bezproblémovou integraci celého systému. V praxi to pak vyžaduje soubor vlastností, které svou působností zasahují až za standardní prvky bezpečného provozu, takové jako omezení proudu, protékajícího indukčností, podpěťová ochrana a tak dále. Budič pro blesky a jejich LED s označením TPS61310 byl pro takovou náročnou činnost potřebným souborem prvků již vybaven.
Detekce selhání LED
Abychom předešli hazardním stavům nejen během výroby, ale také při samotné činnosti, potřebujeme detekovat zkratovanou LED. Jeden ze způsobů detekce takových podmínek spočívá v propustně orientovaném průtoku proudu o velikosti několika mA. Protože zmíněný test zkoumá LED v oblasti, kde ještě nemohou vyzařovat světlo, nebude koncový uživatel vnímat nic rušivého. Setkáme se zde však s určitými nedostatky: Výrobci LED své produkty v tomto sub – rozsahu obvykle netestují. Budeme tak pracovat s obrovskou nepřesností, která se z titulu odchylek výrobního procesu liší nejen mezi jednotlivými typy LED, ale dokonce i v rámci jediného typu LED. Ve výsledku tak můžeme zkratovanou LED přehlédnout nebo jindy zase detekovat falešné chyby. V případě TPS61310 však pracujeme odlišným způsobem. Vyskytne – li se během provozu LED nebo také jejich většího počtu zkrat, omezí low side struktury pro odvod proudu LED1, LED2 a LED3 maximální velikost výstupního proudu s ohledem na definovanou úroveň pro režim video svítilny, resp. blesku, čímž dochází k navýšení jejich vstupního odporu a zamezení nepřiměřeného proudového odběru. Dále zde dochází k monitorování a zachycení stavu zkratované LED prostřednictvím rozhraní I2C do testovacího systému během výroby nebo do systému fotoaparátu během samotné činnosti. Podobným způsobem rovněž detekujeme přerušení.
Detekce tepelného přetížení
Atraktivní návrh mobilních telefonů za určitých okolností nemusí odpovídat nejlepšímu možnému řešení s ohledem na tepelné namáhání. Zábleskové LED s vysokými výkony zvládají jen omezené (přípustné) pulsní řízení. Bude – li tedy telefon vystaven vysokým teplotám, příp. LED zahřány předchozím provozem, mohou v souvislosti s tepelným odporem a výkonovou ztrátou na LED nastat problémy. Hovoříme pak o nevratném snížení účinnosti při vyzařování světla na teplotách, převyšujících 85 °C a také omezené životnosti nebo dokonce výpadcích. Abychom překonali propast mezi požadavky na teplotně vyhovující a zároveň praktický (atraktivní) návrh, máme v případě obvodu TPS61310 k dispozici měření teploty LED, realizované odporovým snímačem (NTC). Dojde – li k překročení kritické teploty, můžeme použitým softwarem jednoduše snížit pulsní poměr LED (doba zapnuto / vypnuto) a nechat LED během provozu ochladit. Stejným způsobem vyřešíme i ochranu prstů před popálením o žhavý povrch.
V případě TPS61310 rovněž dochází k monitorování teploty samotného čipu. Přístup, vedoucí až za standardní funkce teplotního shutdownu, zde nabízí možnost včasné výstrahy fotoaparátu, přičemž brání nepředvídatelné aktivaci teplotního shutdownu, resp. dává prostor pro ochlazení součástky.
Podpora osvětlení při natáčení nebo fotografování s budičem TPS61310
Obvod TPS61310 byl vyvinut s ohledem na buzení aplikací s jednou, dvěma nebo také třemi zábleskovými LED a proudy až do 1,5 A. Speciální prvky typu dohledu nad napětím baterie, úsporného provozu, spolehlivé detekce zkratované LED apod. vytváří jednoduché integrované řešení pro záblesková zařízení nebo přisvětlení natáčené scény. Díky možnosti naprogramování prostřednictvím vysokorychlostního rozhraní I2C může struktura nabídnout nejvyšší míru flexibility pro návrhy na různých platformách. Volitelně rovněž můžeme využít vyhrazené logické vstupy pro spouštění s nulovým zpožděním. O řešení s nepatrnými rozměry se zase zasloužilo pouzdro typu Chip Scale s rozměry 2 x 2 mm (4 mm2), které ke své činnosti nevyžaduje žádné vnější součástky, definující velikost proudu nebo délku záblesku.
Vzorky, eval. boardy nebo demonstrační software lze získat na domovské stránce produktu TI (klikací odkaz).
Autor článku: Andreas Schaefer, Portable Power Systems Engineer, Texas Instruments
