可攜式裝置的功能整合，例如結合PDA與行動電話等等功能，是當前正在發生的最新趨勢。

時至今日，若無法為原本僅能用於接收及發話的行動電話以及一些「史前時代」的終端裝置添加新功能的話，則整合將是非常難以達成的目標。這包括MP3/MP4播放器；有線（USB與USB-OTG）；紅外線（IrDA）、藍芽、WiFi、GPS等無線連接；以及最近熱門的數位視訊廣播等，都是最新的行動電話所內建的主要、且極具吸引力的功能。

然而，目前每一種最新款的手機，幾乎都已內建了大多數的通用功能，例如可獲取靜態影像或搭載視訊電話通話功能的高品質攝影相機模組。

過去，由於相機模組的影像解析度相當低，因此它經常被當作簡單的玩具，但現在，相機模組的精密度大幅提升，在影像解析度上已直逼最先進的數位相機。由於相機模組需要能夠在低照明環境下操作的光源，加上最新的高解析度相機需要更高的流明與亮度，因此，內建的閃光燈功能提供了重要功能，並推動了整體相機模組的應用。

早期內建在行動電話中的閃光燈僅僅提供娛樂型閃光燈功能，因為它們提供的拍攝結果幾乎與沒有閃光燈相同。為了支援最新的高解析度相機，讓最終產品能吸引並滿足終端用戶的需求，其照明功能必須獲得更佳的決定性攝影效能。本文接著將探討兩種實現閃光燈的不同方法。

實現閃光燈功能

目前閃光燈照明共有兩種選擇：

(圖一)為一個閃光燈模型。其燈炮是由一個充滿氙氣的玻璃外殼構成。當電極被觸發時，其正極與負極都會注滿氣體，而非連接到燈泡表面。

當氙氣的電氣阻抗降到極低值的時候，由大量電流產生的可見光會從正極流向負極。可透過觸發電極來實現這項功能。該功能提供了高達千伏的高電壓峰值，從而將氙氣離子化，並使其成為低阻抗狀態。

《圖一　閃光燈模組》

此閃光燈具備高品質影像效能所需的傑出特性。其輸出的光照非常密集，而且很容易擴散到廣大區域中。此外，由於閃光燈的色溫大約為5500～6000°K，這與自然光的溫度非常接近，因此無需做任何色彩校正。

另一方面，由於輸出的光照牽涉到非常高的能級（energy level），在正極上通常需要數百伏特，因此需要一些時間來升高電池電壓，以符合行動電話的供電需求。

連續兩次時間範圍為1～5秒的閃光功能，所需之標準充電時間是依照輸入功率、電容值、充電電路特性與所需能源等項目而定。閃光燈的照度可能僅僅是能讓閃光燈成為靜態影像閃光燈良好解決方案的脈衝，但並不適合視訊應用。

此外，由於氙氣閃光燈管及其附加的驅動電路對具有空間限制的行動電話來說，是相當佔空間的；同時，由於觸發氙氣需要更高且更危險的電壓，以提供足夠的能源總量來輸出光照，因此必須使用一個精確但昂貴的設計，這些因素都限制了閃光燈在行動電話中的應用。

針對上述原因，行動電話製造商逐漸轉向採用白光LED做為閃光燈的光源。

LED可提供連續光照，因此相當適合在低照明條件下做為視訊電話的閃光燈光源，另外，LED所需的驅動電路也相當簡單，而且較閃光燈泡便宜許多。

入門級的照相手機解析度通常在次百萬（sub-Mega）畫素範圍內，這些手機通常內建照明能力相對較低的標準白光LED。正因為如此，無論是串聯或是並聯的多個標準白光LED，都必須提供能獲取影像的最低限度光源，否則所拍攝的影像會幾乎看不見而無法使用。

標準的白光LED具備從3.2V～4.5V的標準前向電壓，而驅動它們的單一電源通常在充飽電時電壓範圍會達到4.2V；而在放電時則會降低至2.8V～2.7V的鋰離子電池。

標準的白光LED通常使用步進式（升壓）DC-DC轉換器或電荷幫浦（CP）來驅動。兩種解決方案都必須控制穿過LED的前向電流，而此一前向電流與照明強度成正比。本文接著將同時探討上述兩種方法。

步進式升壓轉換器及電荷幫浦

多個標準白光LED（通常不會少於四個）是以串聯方式連接，以提供閃光燈功能所需的總光照量。(圖二)展示了採用標準步進式轉換器來驅動LED的標準應用電路；而(圖三)則使用了電荷幫浦電路。

《圖二　用於驅動標準白光LED的步進（升壓）轉換器電路》

《圖三　用於驅動標準白光LED的電荷幫浦轉換器電路》

兩種參數會影響設計方案的選擇：電池操作電壓與LED前向電壓。如同前面提到的，今天的行動電話採用單一鋰電池供電，電壓範圍為初始的4.2V到結束時的2.7V，而用於閃光燈的標準白光LED，其驅動電流範圍通常在數百mA之間，轉換為LED前向電壓後，大約是3.3～3.5V。但溫度與製程變異也許會對這些值造成相當大的變化。電感式步進（step-up；SU）轉換器通常用於驅動，它能產生高到足以供給編程電流的輸出電壓，而LED的連接方式最好是串聯而非並聯。透過採用這些方法，LED的亮度會與前向電流成正比，同時無論前向電壓是多少，所有的LED都能接收到相同電流，因此其匹配度非常好。

另一方面，電荷幫浦（CP）會使用一個外部飛馳電容（flying capacitor）產生輸入電壓的整數倍數。為獲得更多相乘結果，必須使用額外的飛馳電容與整流器，因此會將實際CP的使用限制在2X。一些CP可提供少量倍數（1.5X）的輸入電壓，但需要使用兩個飛馳電容。

由於2X是適合使用的最大乘法因數，加上考量到標準前向電壓，CP通常用來驅動使用並聯支線的白光LED。每個支線上的電流都可獨立控制，這將在LED中導致輕微但不可避免的亮度失配。

與整數型CP相比，使用SU轉換器的電子效率較高，在整個電池放電範圍內也幾乎是平坦的。CP的分數會改善CP效率，但它的值與平坦度仍與SU設計相距甚遠。此外，由於採用SU的LED是以串聯方式連接，因此在SU控制器與LED間只需兩條PCB佈線。就設計靈活度而言，這是相當大的優勢。假設LED的數量改變，或是這些LED被安裝在各個相機閃光燈模組中，SU也能很容易地適應這些變化，而CP的PCB則必須從新設計。

此外，就兩種解決方案的PCB面積而言，即使更低腳位總數的SU封裝比CP更小，但由於SU必須使用電感，因此其總PCB面積及厚度都較大。另一方面，這個外部電感通常較CP所使用的外部飛馳電容更為昂貴。

最後，SU轉換器的標準噪音也較CP高，在精確的設計中，通常必須避免或限制不同區段間的干擾。然而，凡是LED驅動器拓樸電路，都會選擇標準白光LED，因為它已成為唯一的市場應用焦點。

改善白光LED技術，以及努力使其滿足市場上更高解析度相機需要更佳閃光燈效能的需求，正驅使部份LED製造商不斷研發更新的大功率白光LED，以應對行動電話閃光燈市場的需求，這些解決方案不僅提供了實用的閃光燈功能與更佳光譜效能，同時其最主要的作用是取代各式各樣的白光LED。

《圖四　不同閃光燈條件下拍攝的圖像結果》

隨著LED閃光燈市場朝大電流方向發展，CP已難以提供對LED供電時所需的更大總數電流，即使它們能夠提供，其整體電氣效能也非常低。

此外，由於SU僅能提供較輸入電壓高的輸出電壓，因此無法容納大功率白光LED的前向電壓（考量所有變動條件，標準值約在3.2到4.8V），以及鋰離子電池的寬廣輸入電壓範圍。

由於這些原因，許多IC製造商正被要求提供能驅動先進大功率LED的全新解決方案。根據這些需求，市場上也開發出新的雙模架構DC-DC轉換器。以下將介紹採用此種雙模架構DC-DC轉換器的完整相機閃光燈設計。

相機閃光燈設計

雙模、升/降壓的高頻（1.8MHz）DC-DC轉換器，能對單一大功率白光LED供電。如果透過LED的電壓與外部設定值不同，無論其前向電壓或電池電壓為何，其內建的四開關架構配置都能讓DC-DC轉換器從降壓模式轉換到升壓或降壓-升壓模式，以控制通過LED的前向電流。(圖四)展示了該轉換器的不同操作方法，而(圖五)是驅動單一大功率白光LED的標準應用方案。

《圖五　降壓–升壓操作》

《圖六　採用STCF02驅動器IC的標準應用方案》

電感的選擇

由於DC-DC轉換器的開關頻率為1.8MHz，因此推薦使用一個採用高頻核心材料的電感。此外，這個電感必須具備極低的DCR，以降低傳導損失並在無飽和狀態下承受峰值電流。基本原則是，10％～30％的全負載電流是良好的峰值-峰值電感電流（ΔIL）設計選項。針對白光LED閃光燈應用，則建議採用4.7μH的電感值。

輸入電容選擇

輸入電容對轉換器來說代表著低阻抗電壓源，它能協助過濾脈衝輸入電流（降壓模式）。

輸入電容與操作時的AC電流相等，依照一般的經驗法則，額定電壓必須高至1.5 VIN（MAX），以應對也許會在瞬變時發生的電壓峰值。

電壓峰值大部份肇因於等效串聯電阻（ESR）與等效串聯電感（ESL），因此必須使用低ESR的陶瓷電容與精確的PCB佈局。這意味著輸入濾波電容必須儘可能靠近DC-DC轉換器的接腳進行連接，以降低PCB佈線長度和因此而產生的寄生ESR及ESL。在本設計中則採用了一個10μF的SMD陶瓷輸入電容。

輸出電容選擇

輸出電容必須在負載瞬變期間內提供降壓能源儲存功能，而且必須在每個開關週期內，於電容的充電與放電期間中，透過限制輸出漣波電壓來改善穩定狀態效能。下式提供了穩定狀態下的輸入電壓鏈波（ΔVO）：

《公式一　》

此處的CO、FSW與IO分別代表了輸出電容值、轉換器的開關頻率以及輸出電流值。再次強調，ESR電容必須儘可能低，因此強烈建議使用陶瓷電容，以實現精確的PCB設計。在這個設計中採用的是4.7μF的SMD陶瓷電容。

反饋迴路補償

DC-DC轉換器整合了一個已經過補償的錯誤放大器，其頻寬設定為2.5kHz，這個值可做為使用外部補償電容的選項。然而，若外部LC濾波器的電極與零值導致系統不穩定，則所有的相位與增益邊沿的波特圖（bode plots）必須使用一個適當的補償電路。

外部補償網路經常需要針對補償系統按順序設計，如此當通過0dB以及相位邊沿為45°時，斜率才會在-20dB/decade之處。透過LC濾波器導入的雙極值如下所示：

《公式二　》

考慮到由電容器等效串聯電阻所導入的零值後，可獲得下式：

《公式三　》

此處的RESR是輸出電容的ESR。在升壓模式下，系統會具有右半面零點（right half plane zero），而這會導致額外的相位遲滯。當系統穩定時，則必須考慮右半面零點，其值如下式所示：

《公式四　》

《圖七　DC-DC轉換器的錯誤放大器》

(圖七)顯示了錯誤放大器的內部架構，在設計一個補償網路選項時，就會用到這個架構。Z1與Z2的阻抗如下所示：

《公式五　》

由於DC-DC轉換器在此設計中是做為穩定的外部元件之用，因此不必再使用外部補償網路。

Power Flash LED

本設計可使用一個前向電壓為2.5V～3.5V的高效率白光LED。考量到各種變化條件，LED的前向電壓範圍必須包含容限、溫度與前向電流。在DC-DC轉換器的電流設計部份，採用了PWF1 Luxeon閃光燈用LED系列。

蕭特基二極體

為了在內部開關轉換期間改善整體系統效率，建議使用一個外部蕭特基二極體。在本設計中，採用了額定值為1A的二極體。

設定閃光燈電流

根據下列方程式，轉換器的閃光燈電流可透過一個外部電阻（RFLASH）設定：

《公式六　》

其中：160mA是內部參考電壓，而RFLASH則是外部電阻。

該參考電壓值必須在電氣損失（IFLASHRFLASH代表功率損失），與操音抑制水平中進行折衷（由於多餘的內部比較器可能被觸發，因此低參考值可能會很危險）。可選擇RFLASH＝0.27Ω，以獲得IFLASH＝60mA的結果。在這個設計中，一個SMD厚膜電阻是不錯的選擇。

由於具有兩個額外的電流，因此LED的光源強度是可改變的，可選擇中階閃光燈與Torch模式。中階閃光燈模式通常被用來減少紅眼（red-eye）效應或用於自動對焦。在主要閃光燈之前的一次或多次中階閃光燈照射，將協助減少人眼視網膜對閃光燈的瞬間反射影響；同時，為了讓相機執行所需的自動對焦調整功能並避免過熱，LED閃光燈也能以比閃光燈更低的電流被激發。

(圖八)為中階閃光燈電流設定曲線圖，中階區域中的直線可用下式計算：

《公式七　》

此處的RMF是外部電阻。而RMF＝8200Ω則可用來將中階閃光燈電流設定為300mA。而Torch模式則可用於影像電話或用於周圍環境的簡單照明。

《圖八　中階閃光燈電流 Vs. RMF（作為IFLASH的百分比）》

Torch模式的電流電平可用以下相關程式設定：

《公式八　》

250mA的torch電流是可編程的，因此必須設定RTORCH＝0.37Ω。

偵測LED溫度

若LED增加的溫度超越其最大可容許的接點溫度，則用於連接DC-DC轉換器的外部負溫度係數（NTC）可能會偵測到這個狀況並立即關斷驅動器，以避免系統損壞或出現過熱情況。

《圖九　LED溫度偵測與NTC電阻》

過溫觸發點可透過下式來設定：

《公式九　》

上式中的EXTVREF是外部穩定電壓源，Rx與RNTC（T）分別為代表著取決於電阻的常數與溫度。

由於所選擇LED的最大接點溫度為85℃，為保證安全邊緣，75℃的比較器觸發點可運用RX＝10KΩ來設定，而NTC則具備一個14KΩ@75℃的電阻。此處選擇了村田（Murata）公司的NCP18WF104J03RB電阻（100kΩ@25℃）。

致能（ENABLE）接腳

三個邏輯輸入訊號能在五種操作模式之間進行選擇：

《圖十　DC-DC轉換器的效率與電池輸入電壓關係圖》

實驗結果

以上建議的元件都能實現電氣效應的量測。(圖九)顯示了此一設計的實驗結果。

在整個鋰離子電池壽命期間內，其效率是完全固定的，同時保證了其效率值不會低於85％。對電池供電裝置來說，這是相當重要的特性，因為它能節省功率，並協助延長電池使用時間。

(表一)概括展示了上述條件：