高分辨率照相手機的LED閃光燈超級電容設計
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(zhì)量圖像、Wi-Fi網(wǎng)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(zhàn)也正在浮現(xiàn)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(nèi)儲存大電流。
對高級照相手機制造商來說，最重要的挑戰(zhàn)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(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)碼相機的照片質(zhì)量，必須以高達2A的電流驅(qū)動LED閃光燈，或?qū)㈦瘹忾W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(lián)網(wǎng)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(zhàn)
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(chǎn)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(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題，一些照相手機已經(jīng)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(qū)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(tǒng)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(lián)起來的中等容量電容。對于空間受限的便攜式系統(tǒng)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(xù)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(jié)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(diào)整電池和功率電路的大小，減少系統(tǒng)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(gòu)成的，中間隔以被稱為電介質(zhì)的絕緣材料。電容的容值與導電板的面積成正比，與電介質(zhì)的厚度成反比。開發(fā)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(zhì)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(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(tǒng)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(shù)秒內(nèi)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(zhàn)
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(tǒng)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(xiàn)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(zhàn)是如何高效地將電池、DC/DC轉(zhuǎn)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(qū)動器現(xiàn)在已經(jīng)在市場上出現(xiàn)，它可以使得設計師的工作更輕松，并節(jié)省PCB空間、成本和上市時間。數(shù)碼相機的LED閃光燈需要1～2A電流才能持續(xù)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(tǒng)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(shù)秒內(nèi)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(tài)。整個過程不會起火、起煙或爆炸。
編輯：admin 最后修改時間：2017-09-05
