LED-Treiber Einen Supercap-LED- Kamerablitz optimal ansteuern

Eine neue Treiberschaltung ermöglicht es, die Klemmenspannungen eines Supercaps und eines Akkus so zusammenzuführen, dass die Spannung über den LEDs während der gesamten Blitzdauer höher als die LED-Durchlassspannung bleibt.

Die Benutzer von Handy-Kameras, Digitalkameras und digitalen Videokameras stehen oft vor dem Problem, dass sie unter den gegebenen Lichtverhältnissen nicht die Bilder machen können, die sie gerne machen möchten. Deshalb ist bei solchen Geräten ein Blitz unverzichtbar. Bei der Aufnahme von Standbildern erlaubt ein Blitz sehr kurze Belichtungszeiten. Dadurch erhält man scharfe Bilder, auch wenn sich das Motiv während der Aufnahme bewegt oder die Kamera nicht ganz ruhig gehalten wird.

Die meisten Handys sind heute mit einem LED-Blitz ausgestattet. Leider sind solche LED-Blitze bei weitem nicht so hell wie eine herkömmliche Xenon-Blitzlampe. Deshalb erfordern LED-geblitzte Aufnahmen relativ lange Belichtungszeiten (manchmal länger als 1/10s). Aus diesem Grund sind geblitzte Aufnahmen, die mit einer Handy-Kamera gemacht werden, lange nicht so scharf wie Aufnahmen, die mit einer größeren Digitalkamera mit Xenon-Blitz gemacht werden.

Ein LED-Blitz hat jedoch auch etliche Vorteile gegenüber Xenon-Blitzlampen:

  • Ein LED-System ist wesentlich flacher,
  • es fügt sich besser in den Montageprozess ein und
  • es kann auch Dauerlicht für Videoaufnahmen liefern.

LEDs eignen sich außerdem besser für Makro-Aufnahmen (Aufnahmen aus sehr geringer Entfernung vom Motiv), weil LEDs gedimmt werden können. Bei Xenon-Blitzlampen hingegen kann man lediglich die Leuchtdauer, nicht aber die Helligkeit steuern; dadurch tendieren Makro-Aufnahmen, die mit einem Xenon-Blitz gemacht werden, zur Überbelichtung.

Aber auch der höchstauflösende Bildsensor kann unter schlechten Lichtverhältnissen ohne Unterstützung durch einen Blitz nur dürftige Bilder liefern. Deshalb haben Mobiltelefon-Hersteller seit jeher versucht, die Helligkeit ihrer LED-Blitze immer weiter zu erhöhen. Während in der Anfangszeit der Handy-Kameras die Treiberströme für LED-Blitze bei lediglich 100 mA lagen, arbeiten heutige High-end-Modelle mit Treiberströmen bis zu 2,5 A (Spitze). Eine weitere Steigerung scheiterte bisher an der Art und Weise, wie die elektrische Energie vom Akku zur LED gelangt. Deshalb haben Mobiltelefon- und Kamerahersteller auf einen technologischen Durchbruch gewartet, der es ermöglicht, die Helligkeit von LEDs-Blitzen so weit zu erhöhen, dass sie näher an die Intensität einer Xenon-Blitzlampe heranreicht. Dieser Durchbruch ist jetzt gelungen: Das Unternehmen ams hat einen Chip entwickelt, der mit zwei DC/DC-Wandlern zwei verschiedene Eingangsspannungen in einen einzigen, geregelten Treiberstrom für einen LED-Blitz umwandelt. Mit dem IC wird es möglich, den Kamera-Akku mit einem Supercap zu kombinieren, der als Hilfsenergiequelle dient. Dadurch steht genügend Gesamtenergie zur Verfügung, um zwei LEDs zu treiben und sehr helle Blitze zu erzeugen.

Das Problem der hohen Durchlassspannung

Ein Akku ist von Natur aus keine optimale Energiequelle für ein Blitzsystem, das hohe Spitzenströme zieht – das gilt gleichermaßen für LED- und Xenon-Blitzlampen. Bei Mobiltelefonen kommt erschwerend hinzu, dass der dem Akku entnehmbare Maximalstrom künstlich begrenzt wird. Akkus in Mobiltelefonen sind so ausgelegt, dass sie den Spitzenstrombedarf des HF-Leistungsverstärkers (PA) decken können. Im GSM-Modus – ein veralteter Standard, der aber von den meisten aktuellen Mobiltelefonen noch unterstützt wird – zieht der PA maximal 3 A. Deshalb sind Mobiltelefon-Akkus heute für einen Spitzenstrom von 3 A ausgelegt; eine interne Schutzschaltung im Akku begrenzt den Strom auf diesen Maximalwert.

Der Maximalstrom von 3 A reicht aus, um eine Blitz-LED mit bis zu 2,5 A anzusteuern. Dazu wird ein Aufwärtswandler benötigt, weil die Durchlassspannung der LED in der Regel höher ist als die Akkuspannung. Das bedeutet, dass der Akku allein nicht ausreicht, um Blitz-LED-Treiberströme von mehr als 2,5 A zu liefern. Mobiltelefon- und Kamerahersteller planen, künftig LED-Ströme bis zu 8 A zu unterstützen. Deshalb verwenden Mobiltelefone oder Digitalkameras, bei denen der Platz erheblich beschränkt ist, eine Hilfsenergiequelle für den LED-Blitz; in der Regel einen Supercap bzw. zwei in Serie geschaltete Supercaps mit einer typischen Kapazität von jeweils 1.000 µF in einem gemeinsamen Gehäuse. Ein solcher Supercap kann kurzzeitig hohe Entladeströme liefern. Bild 1 zeigt eine typische Schaltung. Wird der Blitz aktiviert, dann lädt der Akku zunächst den Supercap; beim Auslösen der Kamera entlädt dieser sich dann über die LEDs. Der Akku wird also nicht direkt mit den LEDs verbunden.

Leider hat ein Supercap in dieser Funktion als Energiequelle für einen LED-Blitz einen gravierenden Nachteil: Beim Entladen sinkt seine Klemmenspannung deutlich ab. Im geladenen Zustand beträgt die Klemmenspannung typischerweise 5,5 V. Die Durchlassspannung einer Blitz-LED liegt  im Bereich von 3,8 V bis 4,2 V. Während des Entladevorgangs bricht die Supercap-Klemmenspannung auf Werte unterhalb der Durchlassspannung der LED ein; ab diesem Punkt fällt der LED-Strom drastisch ab (Bild 2). Dadurch verringert sich die Helligkeit der LED so sehr, dass sie ihre Funktion als Lichtquelle für die Kamera nicht mehr erfüllt. Das Problem bei der Verwendung von Supercaps besteht darin, dass sich der Energieinhalt nicht vollständig nutzen lässt.

Der LED-Treiberstrom bricht also zusammen, bevor der Supercap vollständig entladen ist. Das ist in einer platzbeschränkten Umgebung eines Mobiltelefons äußerst ungünstig: Obwohl es in jüngerer Zeit gelungen ist, die Energiedichte von Supercaps deutlich zu erhöhen, sind sie immer noch voluminöse Bauteile mit großer Grundfläche und großer Bauhöhe. Zwar könnte man den Supercap überdimensionieren, so dass nur der erste Teil der Entladekurve – in dem die Klemmenspannung  mehr als 4,0 V beträgt – genutzt wird. Dann würde der Strom ausreichen, um die Blitz-LEDs zu versorgen. Aber für einen überdimensionierten Supercap ist in einem flachen Consumerprodukt schlicht kein Platz. 

Moderne Mobiltelefone enthalten also „untermotorisierte“ LED-Blitzsysteme und liefern deshalb – ganz gleich, mit wieviel Megapixel die Kamera protzt – bei schlechten Lichtverhältnissen schlechte Bilder.

 

Bilder: 4

LED Blitz

Bilder zur Illustration eines Fachbeitrages zur Ansteuerung eines LED-Blitzes

Ein neuer DC/DC-Wandler

Eine neue entwickelte DC/DC-Wandlerschaltung ermöglicht es, einen Supercap mit einer wesentlich kleineren Kapazität einzusetzen, als für ein herkömmliches LED-Blitzsystem nötig wäre, weil das System den Energieinhalt des Supercaps nahezu vollständig ausschöpft; der Supercap die LEDs nicht alleine treibt, sondern dabei vom Akku unterstützt wird. Diese Vorteile des Zweikanal-DC/DC-Wandler resultieren daraus, dass Energie aus dem Supercap mit solcher aus dem Akku zusammengeführt wird (Bild 3).

Das Konzept eines integrierten Zweikanal-DC/DC-Wandlers ist nicht neu – es gibt schon seit geraumer Zeit Mehrphasen-DC/DC-Wandler. Im Gegensatz zu der hier vorgestellten Lösung verwenden diese Wandler aber in der Regel die gleiche Versorgungsspannung. In der LED-Blitz-Anwendung kann die Akkuspannung von der Supercap-Spannung abweichen. Zudem variieren beide Spannungen – die des Akkus ist vom Ladezustand abhängig, die des Supercaps ändert sich, wie oben beschrieben, während des Entladevorgangs.

Einer der beiden Wandler im AS3630 arbeitet im Bereich von UBAT bis ULED und der andere im Bereich von USUPERCAP bis ULED. Da die beiden Eingangsspannungen unterschiedlich hoch sind und auch noch variieren, muss sichergestellt werden, dass die beiden Regelschleifen sich nicht gegenseitig „in die Quere kommen“, da sie beide um denselben Ausgangskondensator „konkurrieren“.

Das IC kann unter diesen Randbedingungen nur dann einen stabilen, geregelten Ausgangsstrom liefern, wenn die Anforderungen an die Regelung vereinfacht werden. Der erste Wandler (UBAT bis ULED) arbeitet mit einer programmierbaren Strombegrenzung und ist so konfiguriert, dass er stets den programmierten Maximalstrom liefert, der im Extremfall gleich dem Maximalstrom des Akkus sein kann, bei einem typischen Mobiltelefon also 3 A. Der Regelkreis des zweiten Wandlers hält die Spannung über den LEDs auf einem Pegel oberhalb der Durchlassspannung. Messungen an ausgeführten Schaltungen haben gezeigt, dass der Zweikanal-DC/DC-Wandler AS3630 aus einem Supercap und einem typischen Handy-Akku Ströme bis zu 8 A herausholen kann.

Ein weiterer Vorteil des AS3630 ist, dass der Wandler zwei in Serie geschaltete LEDs treiben kann; mit herkömmlichen Blitz-LED-Treiber ist nur eine Parallelschaltung möglich. Bei einer Parallelschaltung müssen die die Durchlassspannungen der beiden LEDs übereinstimmen, da sich sonst der Strom in den beiden LEDs unterschiedlich aufteilt, was bis zur Zerstörung einer der beiden LEDs führen kann. Bei der Verwendung parallel geschalteter LEDs müssen die LEDs paarweise selektiert werden; bei einer Serienschaltung, wie sie mit dem AS3630 möglich ist, kann auf eine Selektion verzichtet werden.

Sofortige Betriebsbereitschaft

Dar ein Teil des Treiberstroms direkt vom Akku (ohne den Umweg über den Supercap) geliefert wird, resultiert noch ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen LED-Treiberschaltungen. Bei konventionellen Schaltungen liefert ausschließlich der Supercap die Blitzenergie. Der Supercap muss vom Akku aufgeladen werden, bevor er entladen werden kann. Das dauert etwa zwei bis drei Sekunden. Beim Fotografieren ist diese Wartezeit in der Regel akzeptabel. Im Taschenlampenmodus sollte jedoch das Licht sofort angehen. Der AS3630 kann nun in einen speziellen „Torch-Modus“ geschaltet werden; die LEDs werden dann direkt durch den Akku gespeist (Bild 4), so dass der Benutzer nicht warten muss, bis der Supercap aufgeladen ist.