Control del flash LED de gran potencia de una cámara PDF Imprimir Correo electrónico
Electronica de Potencia CONVERtronic

LED1La calidad de los teléfonos móviles con cámara mejora continuamente: mayor resolución, mejores objetivos, software de procesamiento de imágenes más potente, estabilizador de imagen, etc. El único campo en el que el avance no ha sido tan notorio es en el de la alimentación y la potencia del flash para tomar fotos en condiciones de poca iluminación.

 

Muchos teléfonos móviles recurren a un compromiso y utilizan un flash LED de baja corriente, que, sin embargo, no proporciona luz suficiente para tomar una fotografía en condiciones de iluminación escasa.

 

LED2Para que una tecnología de flash sea útil en la práctica, la fuente de luz debe ser capaz de ofrecer una iluminación adecuada a una distancia establecida (por ejemplo >50 lux a 1 m). Este objetivo se puede lograr mediante los más recientes LED blancos de gran potencia y alta luminosidad, que admiten hasta 1500 mA por chip.

Los teléfonos móviles multifuncionales someten al mercado a un creciente dinamismo, con constantes exigencias de miniaturización, versatilidad, factor de forma y tiempo de salida al mercado. Para satisfacer estas demandas, TI presenta la familia de circuitos de control de flash LED de tamaño optimizado TPS61050/2/4, que simplifican en gran medida la fase de diseño. Con una superficie ocupada inferior a 25 mm2, estos dispositivos pueden proporcionar hasta 5 W de potencia al LED.

LED3En aplicaciones móviles con baterías de iones de litio (Li-ion) de un solo elemento, la suma de la caída de tensión en el LED blanco y la diferencia de tensión en el regulador de corriente puede ser superior o inferior a la tensión de la batería. Por lo tanto, la topología del circuito de control del LED debe permitir el funcionamiento en modo reductor y en modo elevador.
La manera más sencilla de implementar la conversión por reducción es mediante un regulador lineal controlado en corriente. Las ventajas de este método son el bajo costo y la elevada eficacia, ya que la tensión directa del LED es por lo general ligeramente menor que la tensión nominal de la batería.
Este artículo trata sobre los retos del flash LED para cámaras y las consideraciones sobre la arquitectura de control de los LED de alta potencia, la corriente de la batería y la caída de tensión.

Topología de control del flash LED para cámaras
Independientemente del fabricante, el tamaño o la potencia, el funcionamiento óptimo de los LED se obtiene cuando se proporciona una corriente constante. La potencia de la luz, medida en lúmenes, es proporcional a la corriente, por ello los fabricantes de LED especifican las características de sus productos (iluminancia, temperatura de color, etc.) a una determinada corriente directa IF. Los LED de gran potencia tienden a mostrar una curva I-V muy abrupta, por lo que el control del LED mediante una tensión constante puede dar lugar a variaciones notables y casi impredecibles de la corriente directa.
La familia TPS6105x utiliza un convertidor PWM en modo corriente a una frecuencia constante de 2 MHz para generar la tensión de salida necesaria para controlar los LED de gran potencia. El dispositivo integra una etapa de salida basada en un conmutador NMOS y un rectificador NMOS síncrono. El dispositivo integra también un regulador de corriente de los LED cuando la tensión de la batería es superior a la tensión directa del diodo.

LED4Se ha adoptado el control de corriente por motivos de simplicidad y de superficie ocupada en la oblea de silicio. El circuito de detección de corriente se basa en un espejo de corriente activo diseñado para trabajar en la región de saturación. Dependiendo de la caída de tensión en el sumidero de corriente, el dispositivo conmuta automáticamente entre el modo de reducción lineal y el modo de elevación inductiva presentando una mínima tensión de detección de 250 mV (nominal).
La ventaja de esta arquitectura es la elevadísima eficacia con todas las corrientes de LED y tensiones de batería, ya que la tensión de entrada se puede elevar hasta la suma de la tensión directa del LED y la diferencia de tensión en el sumidero de corriente.

La dificultad de la detección de corriente es lograr que sea exacta y eficaz, dos objetivos directamente contrapuestos. Cuanto menor sea la diferencia de tensión en el circuito de detección/regulación de corriente, menor será el consumo, pero a expensas de la inmunidad al ruido.
Dado que el flash LED no suele utilizarse con mucha frecuencia en los teléfonos con cámara, surgió la idea de utilizar la etapa de elevador inductivo para una función adicional. El TPS6105x no solo funciona como una fuente de corriente regulada, sino también como un regulador elevador de tensión estándar. El funcionamiento en modo tensión se puede activar mediante software o con una señal de hardware (ENVM).
Este modo de funcionamiento adicional puede resultar de utilidad para sincronizar correctamente el convertidor a la hora de alimentar otros dispositivos de gran consumo del sistema, como los circuitos de control de los LED, el amplificador de audio para manos libres o cualquier otro componente que requiera una tensión de alimentación superior a la tensión de la batería.
Para admitir tanto la regulación de corriente del LED como la regulación de la tensión de salida, el TPS6105x implementa un nuevo esquema de regulación polivalente (consulte la Figura 2), que proporciona una transición flexible entre los dos lazos de control.

 

Potencia del LED, corriente de la batería y caída de tensión
La relación de caída de tensión que se utilizará en el cálculo de la eficiencia es PLED = VF x IF. La eficiencia del «controlador» del LED, esto es, la relación entre potencia eléctrica del LED y la potencia de la batería, equivale a:

Formula-1 A la inversa: Formula2

 

 

 

Para una corriente de LED dada, la tensión directa varía según el proceso y la temperatura. Esto significa que la eficiencia de la conversión de energía eléctrica de la batería a producción lumínica puede variar aunque se mantenga una luminosidad constante, ya que esta última depende únicamente de la corriente.
Por lo tanto, la eficiencia no es un parámetro adecuado para evaluar el consumo eléctrico. Lo que se debe tener en cuenta es la corriente de la batería respecto a la luminosidad del LED, es decir, la corriente del LED. La potencia de entrada es la verdadera medida de la energía entregada por la batería para una determinada luminosidad del LED.
Cuando se aplica una gran carga a la batería, cambia la tensión en abierto de la misma por la caída de tensión debida a la impedancia interna de la batería. La impedancia de las baterías está determinada en gran medida por los siguientes parámetros:

LED5- Impedancia interna de los elementos. Los elementos nuevos de Li-ion muestran una impedancia del orden de 50~70 mW. La impedancia depende del elemento y varía aproximadamente un 15% dentro de un mismo lote de producción.
- Efecto de relajación. La tensión de la batería sigue variando tras la aplicación o retirada de la carga pulsante.
- Temperatura. La impedancia del elemento muestra una gran dependencia con respecto a la temperatura y puede aumentar un 50% por cada 10 ºC de descenso.
- Estado de la carga. La resistencia interna depende del estado de la  carga y aumenta al final del proceso de descarga.
- Circuito de protección. Los paquetes de baterías Li-ion disponen de MOSFET de protección en serie con los elementos que ofrecen una resistencia del orden de 50~70 mW.
- Conector. El paquete de baterías se conecta al sistema mediante un par de muelles de contacto, cada uno con una resistencia de 25 mW en CC.

esde el punto de vista eléctrico, las baterías se representan frecuentemente como una fuente de tensión o como una fuente de tensión con una resistencia conectada en serie, que representa la resistencia interna de la batería. Para representar correctamente el comportamiento transitorio de la batería deberemos utilizar un circuito equivalente en lugar de una simple resistencia.
Cuando se carga o descarga una batería su tensión en abierto cambia, por lo que se puede representar como un condensador de capacidad variable (CO).
En la Figura 6, Circuito equivalente de una batería, RA y RC representan las resistencias de conducción, difusión y transferencia de carga del ánodo y del cátodo, respectivamente. CA y CC son las capacidades superficiales. RSER es la resistencia en serie que engloba al electrolito, a los receptores de corriente y a la resistencia del cableado.

 

Cada etapa está asociada a sus propias constantes de tiempo, lo que provoca un comportamiento eléctrico complejo.
Tal como se aprecia en la Figura 7, la respuesta de tensión de la batería ante un escalón de corriente muestra un cierto retraso, para aproximarse tras un tiempo al comportamiento de un condensador con una resistencia en serie. Tras la finalización de la corriente la tensión de la batería no vuelve inmediatamente al estado sin corriente, sino que aumenta despacio hasta alcanzar finalmente el valor de la tensión de condensador equivalente, que es la tensión en abierto.
Incluso aunque la batería contenga la energía suficiente, la caída de tensión en la elevada impedancia interna puede provocar que el sistema alcance la tensión de corte y que se active el indicador de «batería baja». Como consecuencia, el dispositivo móvil se reinicia o deja de funcionar. Hay que tener este aspecto en cuenta a la hora de calcular la tensión de corte del procesador de la cámara y la corriente máxima del flash LED.

En los sistemas basados en TDMA como los teléfonos GSM/GPRS, el amplificador de potencia de radiofrecuencia (RF) también exige fuertes picos de corriente a la batería. El TPS61050 incluye una patilla de E/S de uso general (GPIO) que se puede configurar como una entrada/salida lógica estándar o como una entrada de enmascaramiento de flash (Tx-MASK).

 

Esta función de enmascaramiento hace funcionar el LED como un foco en lugar de un flash, lo que reduce casi instantáneamente el pico de corriente exigido a la batería. Esta función del sistema impide que el teléfono se apague al evitar que dos grandes cargas como el amplificador de RF y el flash LED se activen al mismo tiempo.

Optimización de la corriente del flash LED
En aplicaciones de telefonía móvil, el procesador de la cámara se especifica en un rango de temperaturas que puede bajar hasta 0º C o -10º C. Para lograr un funcionamiento fiable del sistema, la corriente del flash LED se debe ajustar a la máxima caída de tensión admisible de la batería, esto es, máxima impedancia de la batería y mínima temperatura ambiente.

 

Para optimizar dinámicamente la corriente del flash LED (producción lumínica) respecto al estado de la carga y la temperatura de la batería, deberemos tener en cuenta el siguiente procedimiento de autoajuste. Este algoritmo se puede integrar en los algoritmos de exposición automática, balance automático del blanco o preflash para reducción de ojos rojos.
Caracterización «in situ» de la tensión directa del LED, realizada durante la prueba final de producción del procesador de la cámara.
Con el convertidor A/D de 3 bits integrado se puede realizar una aproximación de primer orden de la tensión directa del LED (VF).
Basta con tres breves disparos del flash (unas pocas decenas de milisegundos son suficientes) con tres corrientes diferentes: 200 mA, 500 mA y 1000 mA.

Estos datos permiten estimar con mayor precisión la potencia eléctrica del LED en relación con la corriente del flash.

Preflash para evaluar la impedancia de la batería
Durante un disparo de flash de alta potencia, la tensión de la batería cae normalmente unas centenas de milivoltios. En duraciones cortas, la caída de tensión no se ve influida por la capacidad intrínseca de la batería, esto es, por el efecto de relajación, sino por la impedancia de los elementos de la misma.

Los procesadores digitales de la cámara y de la banda base son generalmente capaces de medir la tensión de la batería antes y después del disparo del flash. Con esta información el sistema puede calcular la impedancia de la batería, que se define de la siguiente manera:

Formula3

, con IBAT = 1.15xIF , funcionamiento en modo reductor lineal (VF < VBAT)

 

, funcionamiento en modo elevador (VF > VBAT)

Basándose en datos como las características eléctricas reales del LED y parámetros de la batería como la impedancia a frecuencias medias, el estado de carga y la temperatura, el software del procesador de la cámara puede optimizar dinámicamente la corriente del flash LED para evitar un peligroso colapso de la batería.

 

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El autor:
Christophe Vaucourt es ingeniero de sistemas de Texas Instruments Alemania, donde ha trabajado más de siete años en la definición de nuevos productos y en la asistencia de aplicaciones para convertidores CC/CC de baja potencia. Antes de integrarse en TI, trabajó para Alcatel como diseñador de la fuente de alimentación del Internet ScreenPhone. Christophe Vaucourt está titulado en ingeniería eléctrica por la Escuela Nacional Superior de Física de Estrasburgo, Francia.

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