Treiberdesign eines LED-Blitzlichtes LED-Treiber für das Blitzlicht im Mobiltelefon

Autor / Redakteur: Andreas Schäfer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein Blitzlicht auf LED-Basis soll bei maximalem Wirkungsgrad einen optimalen Lichtstrom aus der Batterie herausholen. Dazu muss der Treiber so beschaffen sein, dass ein sicherer Betrieb garantiert wird.

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Hochauflösende Kameras benötigen hell leuchtende Blitzlösungen, um auch bei schlechten Lichtverhältnissen einwandfreie Bilder aufnehmen zu können. Den gleichen Funktionsumfang erwarten Verbraucher von ihren Mobiltelefonen, insbesondere von Smartphones. Weiterhin ist die Ausstattung mit einem Blitz ein wichtiges Verkaufsargument für den Hersteller. Da ein Kamerablitz einen hohen Lichtstrom benötigt, stellt sich für die Designer die Herausforderung, ein hocheffizientes LED-Treibersystem zu entwickeln.

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Hohe Treiberströme und zufriedenstellender Wirkungsgrad des LED-Treibers

Angesichts der Rahmenbedingungen, die sich aus der für Blitz-LEDs typischen hohen Flussspannung und Stromstärke sowie der Akkuspannung der Mobiltelefone ergeben, ist ein Aufwärtswandler die beste Lösung.

Die auf induktive Gleichspannungskonvertierung basierende Lösung erreicht bei hohen Treiberströmen einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad. LEDs müssen mit einem geregelten Strom angesteuert werden, da ihre Flussspannung nicht nur temperaturabhängig ist, sondern auch von sich aus der Streuung unterliegt. Diese ist produktionsbedingt und kann typischerweise ±20% betragen

Die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers wird so geregelt, dass der mit einem Messwiderstand erfasste LED-Strom dem programmierten Sollwert entspricht. Die Lösung scheitert daran, dass die aus dem Akku entnommenen Energiemenge nicht ausreicht, einen möglichst hohen Lichtstrom zu realisieren. Der externe Messwiderstand verursacht zwangsläufig einen hohen Energieverlust, da er so dimensioniert sein muss, dass er auch bei niedrigen Stromstärken ein hinreichend hohes Spannungssignal liefert.

Ein maximaler Lichtstrom bei gegebener Akkukapazität

Bei höheren Strömen würde in diesem Fall eine höhere Spannung am Widerstand abfallen und eine hohe Verlustleistung entstehen. Präzisionswiderstände mit ausreichender Belastbarkeit sind wiederum recht teuer und beanspruchen Platz, zumal für jeden LED-Kanal ein eigener Widerstand benötigt wird. Als bessere Lösung empfiehlt sich deshalb eine aktive, in den LED-Treiber integrierte Stromquelle oder -senke. Die interne Stromausschaltung kann abhängig vom LED-Strom so angepasst werden, dass der Spannungsabfall und damit die Verlustleistung reduziert werden.

Andererseits lässt sich der Spannungsabfall bei niedrigen LED-Strömen so hoch halten, dass ein präzises Messsignal zur Verfügung steht. Die Stromsenke erfasst nicht nur den LED-Strom, sondern regelt ihn auch durch Variieren des Widerstands. Der resultierende Spannungsabfall an der Senke dient als Stellgröße, um die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers dynamisch zu variieren, damit die Verlustleistung bei jeder Stromstärke auf einem hinreichend niedrigen Niveau bleibt.

Vergleich zwischen aktiver und resistiver Abtastung

Der Vergleich zwischen aktiver und resistiver Abtastung mit einem Widerstand von 1 Ω und einer auf einen Spannungsabfall von 400 mV eingestellten aktiven Messung. Dank der geringeren Verlustleistung führt die aktive Messung zu einer deutlichen Steigerung des Systemwirkungsgrades.

In der Vergangenheit waren es Display und HF-Leistungsverstärker, die dem Akku die höchsten Ströme entnahmen. Der Trend geht allerdings zu leistungsfähigeren Ausstattungsmerkmalen moderner Mobiltelefone.

Neben dem Prozessor ist der LED-bestückte Kamerablitz die Komponente, die ebenfalls wesentlich zur Stromaufnahme beiträgt. Wird beispielsweise die LED mit einem Strom von 1,5 A angesteuert, kann der aus dem Akku entnommene Strom wegen des Spannungsverhältnisses des Aufwärtswandlers bis zu 3 A betragen. Ein derart hoher Strom lässt die Akkuspannung deutlich einbrechen lassen. Mechanismen zur Erkennung von Spannungen, die unter einem gewissen Grenzwert liegen, schützen das System unter solchen Umständen vor Fehlfunktionen. Schließlich wäre es keinesfalls erstrebenswert, wenn bei niedriger Akkuspannung der Blitz ausgelöst wird und das Telefon daraufhin seinen Dienst komplett einstellt. Die übliche Abhilfe gegen solche Situationen besteht darin, dass die Kamerasoftware den Blitz bei zu niedriger Akkuspannung schlicht deaktiviert. Die seltene Aktualisierung der Akkuspannungsinformation durch die PMICs sowie Temperatur und Alterungseffekte des Akkus führen zu erheblichen Sicherheitsmargen. Diese Margen könnten entscheidend verringert werden, wenn der Blitztreiber selbst in der Lage wäre, ein zu starkes Einbrechen der Batteriespannung zu verhindern. Erreichen lässt sich dies, indem man den LED-Strom mit einer kontrollierten Rate ansteigen lässt und die Akkuspannung während des Anstiegs fortlaufend überwacht.

Spannungseinbrüche beim Entladen vermeiden

Einen entsprechende Blitztreiber-Technologie von TI überwacht die Akkuspannung. Um einen gleichmäßigen Verlauf des Akkustroms zu gewährleisten und ein übermäßiges Einbrechen der Akkuspannung zu verhindern, wird die Zu- und Abnahme des LED-Stroms vom LED-Treiber aktiv geregelt. Während der Anstiegsphase mit 25 mA/12 µs wird die Eingangsspannung überwacht. Fällt diese unter einen bestimmten Grenzwert, wird das Hochfahren des LED-Stroms umgehend gestoppt. Stattdessen bleibt der Strom auf dem gerade eingestellten Wert. Irreversible Einbrüche der Akkuspannung während eines Entladezyklus werden vermieden und die Akkulaufzeit nimmt insgesamt zu.

Wenn es um hohe gepulste Treiberströme geht, hat ein sicherer, ausfallfreier Betrieb höchste Priorität. Mobiltelefon-Hersteller fordern eine Lösung für eine reibungslose und sichere Systemintegration. Voraussetzung hierfür ist ein Funktionsumfang, der sich nicht auf herkömmliche Sicherheitsmerkmale wie Spulenstrombegrenzung oder Unterspannungsschutz beschränkt. Ein Kurzschluss der LED muss erkannt werden, um kritische Situationen zu vermeiden – und das in der Produktion wie im praktischen Einsatz.

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