Controllore di ST consente di sostituire i flash allo xenon con i LED di potenza


Un innovativo circuito integrato di STMicroelectronics permetterà di realizzare macchine fotografiche digitali compatte e fotocamere per cellulari capaci di soddisfare la domanda di una maggiore potenza dell’unità flash integrata, offrendo contemporaneamente agli utenti controlli sempre più sofisticati.
Il nuovo chip della ST, STCF04, è un controllore integrato per flash per fotocamera e torcia che aumenta la potenza massima di un modulo flash a LED, portandola dai pochi watt tipici delle architetture attuali a oltre 40 W, producendo un’illuminazione equivalente a quella dei sistemi utilizzati per l’illuminazione a giorno di spazi aperti, per motivi di sicurezza. Il nuovo dispositivo offre inoltre controlli aggiuntivi di luminosità per la torcia e il flash e permette all’utente di scegliere tra otto diversi livelli di luminosità per il flash e dodici per la torcia, oltre a disporre di un ingresso per sensore di luce. Integra inoltre temporizzatori di sicurezza per il flash e la torcia, sistemi per la rilevazione della temperatura e protezioni contro i cortocircuiti.
L’STCF04 è utilizzato in una configurazione innovativa che unisce un supercondensatore, un interruttore MOSFET discreto ad alta corrente e LED bianchi ad alta potenza, ed è particolarmente indicato per luci di emergenza ad alta intensità, oltre che nelle macchine fotografiche e fotocamere per telefoni cellulari.
Il MOSFET discreto è un elemento fondamentale che permette all’STCF04 di erogare una potenza superiore rispetto ad altri controllori che normalmente utilizzano un MOSFET di prestazioni inferiori e integrato nel chip. La potenza addizionale disponibile permette ai progettisti di fornire la maggior quantità di energia luminosa necessaria per gli attuali sensori per fotocamera, ad elevato numero di Mpixel, utilizzando un modulo flash a LED al posto della tradizionale lampada ad alta potenza allo xenon, offrendo quindi il vantaggio di un’architettura compatta e semplificata.
Da quando la ST ha iniziato a rendere disponibili i primi campioni dell’STCF04, due partner importanti – Murata, fornitore leader di supercondensatori, e OSRAM, uno dei principali produttori di moduli flash per le più importanti piattaforme smartphone, hanno iniziato ad utilizzare il dispositivo per cercare di ottenere le massime prestazioni dalle proprie tecnologie.

Caratteristiche principali dell’STCF04:

• Massima potenza flash >40W
• Corrente di torcia 1 x 320mA
• Uscita da 100mA per LED rosso “privacy indicator”; 12 livelli regolabili
• I2C bus con indirizzo selezionabile
• Funzioni per la rilevazione della temperatura, protezione da cortocircuiti, da sovra-tensioni e temporizzatori di sicurezza per flash/torcia

L’STCF04 viene fornito nel  package TFBGA da 3×3 mm con 25 terminali “bump”.

Perché le moderne macchine fotografiche digitali hanno bisogno di flash più potenti

I sensori di immagine delle macchine fotografiche digitali e dei gadget multifunzionali, come i telefoni cellulari con fotocamera, aumentano normalmente il numero di Megapixel con l’introduzione di ogni nuova serie di modelli. Le macchine fotografiche digitali compatte (DSC, digital still camera) sono passate dai 2-3 Megapixel dei primi modelli agli attuali 8-10 Megapixel e le fotocamere per telefoni cellulari sono passate da 1-2 Megapixel a circa 8 Megapixel, senza cambiare le dimensioni complessive del sensore.
L’aumento della densità di pixel del sensore d’immagini permette di ottenere immagini più nitide e di migliore qualità, soprattutto quando si deve visualizzare la foto su uno schermo di grandi dimensioni come un televisore al plasma o LCD. D’altra parte, però, ogni singolo pixel del sensore è più piccolo e assorbe una minor energia luminosa a parità di tempo di esposizione.
Nonostante questo non sia normalmente un problema in condizioni di illuminazione normale, poiché il sole fornisce energia luminosa sufficiente per ogni pixel, la riduzione delle dimensioni dei pixel può causare delle difficoltà in condizioni di scarsa illuminazione. Diventa quindi necessario utilizzare un flash ad alta potenza per garantire un’esposizione adeguata. Nonostante la sensibilità tipica dei pixel aumenti, con ogni generazione di sensori, questi incrementi non sono sufficienti a compensare la riduzione di area.
Le unità flash miniaturizzate allo xenon, che utilizzano la stessa tecnologia dei tradizionali flash per macchina fotografica, producono una illuminazione istantanea ad alta potenza che è più che sufficiente per la maggior parte delle macchine fotografiche digitali. Tuttavia, il flash allo xenon può creare notevoli inconvenienti in prodotti di piccole dimensioni come un telefonino o una macchina fotografica digitale compatta. Sono infatti necessari circuiti ad alta tensione, come un sistema di alimentazione per la carica del flash che supera i 300 V e un trigger che funziona a diversi kV. Questi blocchi circuitali devono essere separati dagli altri componenti, per motivi di sicurezza. Inoltre, i condensatori ad alta tensione che devono essere utilizzati tendono ad essere grandi e ingombranti.
Un sistema alternativo che ha avuto successo utilizza moduli flash con LED bianchi ad alta potenza. Il vantaggio è una circuiteria di controllo molto più semplice, tensioni di funzionamento intrinsecamente più sicure e componenti meno ingombranti. Un flash a LED garantisce un’intensità di picco inferiore a un modulo allo xenon ma può funzionare per un tempo più lungo. In questo modo l’energia luminosa emessa durante tutto il tempo di esposizione è sufficiente per permettere a ogni singolo pixel di rilevare l’immagine.
Tuttavia, siccome gli attuali sensori per fotocamera a elevato numero di Megapixel richiedono sempre più luce per energizzare i pixel, le fotocamere più compatte hanno bisogno di moduli flash a LED di potenza crescente. Oggi, i moduli più potenti utilizzano un supercondensatore capace di fornire rapidamente l’energia necessaria per illuminare il flash, cosa che sarebbe impossibile per la piccola batteria di un telefonino con fotocamera. Un supercondensatore è in grado di immagazzinare energia elevata in volumi ridotti. Inoltre presenta una resistenza serie equivalente (ESR, Equivalent Series Resistance) molto bassa; un effetto parassita che riduce il tempo di scarica di un normale condensatore. La batteria carica il supercondensatore in un tempo relativamente lungo, circa un secondo. Quando il supercondensatore è completamente carico può scaricare la sua energia velocemente sul circuito LED, producendo un potente impulso di luce la cui durata può essere controllata tramite circuiti esterni. Successivamente il supercondensatore può essere ricaricato dalla batteria, pronto per il prossimo flash.
Un circuito integrato (CI) di controllo gestisce la carica del supercondensatore e attiva la scarica sulla circuiteria LED. Il CI normalmente controlla anche funzioni come la regolazione della luminosità o la durata del flash, o l’impiego dei LED in modalità torcia. La funzione torcia, detta anche flashlight, viene spesso introdotta come caratteristica aggiuntiva nel prodotto finito. Questa combinazione di uno o più supercondensatori con LED ad elevata potenza, con un circuito integrato di controllo, è un’alternativa più che soddisfacente rispetto alla tradizionale unità flash allo xenon nelle macchine fotografiche digitali compatte e nelle fotocamere integrate, ed elimina le problematiche di sicurezza tipiche del flash allo xenon.
Continua a crescere il numero di Megapixel delle fotocamere e i consumatori esigono prestazioni sempre migliori. Per questo i produttori di moduli flash necessitano di circuiti integrati di pilotaggio più sofisticati, capaci di erogare quantità sempre maggiori di energia luminosa. I progettisti dei prodotti finiti inoltre apprezzano le caratteristiche, aggiuntive come controlli sempre più sofisticati per la modalità di funzionamento “torcia”, che permettono di offrire ai consumatori prestazioni sempre migliori, con ogni nuova generazione di modelli. Uno dei limiti della maggior parte circuiti integrati di controllo, tuttavia, nasce dal fatto che il MOSFET di potenza necessario per controllare il trasferimento di energia da e verso il supercondensatore normalmente è integrato nel dispositivo e ha prestazioni in corrente relativamente limitate. Di norma riesce ad erogare al flash solo alcuni Watt.
L’STCF04 della ST permette di fornire ai LED una potenza molto più alta – superiore a 40 W – come già illustrato nei paragrafi precedenti. Offre inoltre alcuni controlli aggiuntivi e funzioni ulteriori a vantaggio degli utenti, rispondendo positivamente quindi a due esigenze dei progettisti di macchine fotografiche e di moduli flash: la possibilità di aumentare la potenza e di aggiungere nuove funzioni. La ST è riuscita a ottenere questo risultato progettando dispositivi che utilizzano un MOSFET esterno in grado di gestire una potenza decisamente superiore rispetto a quella raggiungibile con un componente integrato.
Il fatto di trasferire all’esterno del chip l’interruttore di potenza ha permesso inoltre alla ST di implementare altre funzioni nell’STCF04. È il controllore di flash/torcia più completo e ricco di caratteristiche attualmente disponibile in commercio, con otto livelli di potenza selezionabili per il flash e 12 per la torcia, il controllo di quattro o più LED singoli di potenza e un ingresso per un sensore di luminosità per controllare la durata del flash, oltre a tutte le classiche funzioni di sicurezza e protezione.
Un modulo flash completo realizzato con l’STCF04 occupa circa 60 mmq sulla scheda a circuito stampato. Sebbene sia più grande di altri moduli LED di potenza inferiore, è comunque decisamente più piccolo e semplice di un circuito per un flash allo xenon, e risponde adeguatamente alla esigenza di Buinun flash ad elevata energia luminosa.
Da quando la ST ha iniziato a rendere disponibili i primi campioni dell’STCF04, due partner importanti – un produttore di supercondensatori e uno dei principali fornitori di moduli flash per le più importanti piattaforme smartphone, hanno iniziato ad utilizzare il dispositivo per mettere in mostra le massime prestazioni che i propri rispettivi prodotti sono in grado di raggiungere.
www.st.com

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