Yhä useampi ottaa valokuvia vain älypuhelimellaan. Niiden kuvanlaatu on kuitenkin heikko, erityisesti huonoissa valaistusoloissa. Kameran salamasta voidaan kuitenkin saada nykyistä enemmän irti.

Kirjoittaja Christopher Wolf on itävaltaisen ams:n sovellusinsinööri. Hän tuli yhtiön palvelukseen vuonna 2008 lineaarituotteiden tuotepäälliköksi vastaten esimerkiksi DC-DC-muuntimista, lediajureista, audiovahvistimista ja kytkimistä. Vuonna 2012 Christopher siirtyi Yhdysvaltoihin vastaamaan ams:n avainasiakkaista. Hänellä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Kapfenbergin yliopistosta Itävallasta.

Matkapuhelimen kameran toiminta pimeässä on tärkeä ominaisuus, jonka avulla se voi erottautua kilpailijoistaan. Kännyköiden kameran laatu on ylipäätään tasaisesti parantumassa. Resoluutio paranee, suljinnopeudet kasvavat ja optiikan ominaisuudet tulevat lähemmäksi digikameroiden tasoa.

Jotta voisi ottaa hyvän kuvan pimeässä, tarvitaan eräs tärkeä komponentti: kirkas valonlähde. Matkapuhelimessa tämä on sitäkin tärkeämpää. Pikselikilpajuoksu johtaa pienempiin ja pienempiin pikselikokoihin, jotka edellyttävät kirkasta valaisua. Erityisesti tämä pätee silloin, kun ympäröivää valoa on vähän, jolloin olisi muuten vaikeaa ottaa hyvää – eli matalakohinaista – kuvaa. Yksinkertaistaen, kirkkaan valon saavuttaakseen suunnittelijan pitää kasvattaa salamaledin läpi ajettavaa virtaa.

Kännykässä erilaiset alijärjestelmät imevät akun virtaa samaan aikaan, kun kameran salamaa käytetään. Akun kykyyn syöttää haluttua virtaa salamaledille vaikuttavat myös muut tekijät, kuten sen varaustila ja ympäröivä lämpötila. Jos samalle otetaan liikaa tehoa, akun jännite putoaa järjestelmän vaatiman vähimmäisrajan alle, mikä johtaa puhelimen sammumiseen. Tätä halutaan välttää kaikin keinoin.

Tämän päivän kännöiden tapa arvioida sitä, kuin paljon tehoa salamalle voidaan akusta ajaa, on aika karkea. Sen tuloksena salama ei yleensä ole niin kirkas kuin se voisi olla, ja käyttäjä kärsii tarpeettoman huonosta kuvanlaadusta pimeissä olosuhteissa.

Tässä artikkelissa kuvataan tekniikkaa, minkä ams on toteuttanut uudessa salama-ajuripiirissään maksimoidakseen salamalle syötettävän virran määrän kaikissa olosuhteissa. Tämän ansiosta kuvanlaatu on aina paras mahdollinen.

Vaihtelevia kuormia akulle

Matkapuhelimen salamajärjestelmän heikoin kohta on akku. Tai ollaksemme tarkempia, se on maksimivirta (peak current), joka akusta voidaan ottaa. Ongelman aiheuttaa matkapuhelimen tehoa käyttävien komponenttien määrä. Eniten tehoa kuluttavat GSM-radion tehovahvistin, sovellusprosessori, kantataajuusprosessori, bluetooth- ja wifi-radiot, sekä lcd-näytön taustavalo. Nämä kaikki alijärjestelmät saattavat olla päällä yhtä aikaa. Samalla akku voi olla uusi ja täyteen ladattu tai useita vuosia vanha ja varaukseltaan lähes tyhjiin purettu.

Jotta ymmärtäisimme tämän kaiken vaikutuksen salaman suorituskykyyn, on hyödyllistä tietää salaman ajurijärjestelmän arkkitehtuuri. Ajuri itse on suoraan liitetty akkuun ja myös kuvaprosessoriin. Kuvaprosessori kontrolloi kameraa, ja asettaa salamavalon parametrit (kesto ja virran määrä) kuvaprosessorin lukemien perusteella (ks. kuva 1).

Kuva 1: Ledisalaman tyypillinen ajuripiiri matkapuhelimessa.

Salamavalon toiminnalla voi olla peräti disruptiivinen vaikutus koko matkapuhelimeen. Kun lediajuri yhtäkkiä ottaa suuren virra akusta,sen jännite putoaa huomattavasti, suhteessa akun sisäiseen ESR-resistanssiin (ESR, equivalent series resistance). Vaarana on, että tämä äkillinen virrankulku pakottaa akun jännitteen järjestelmän jännitteen alaraja-arvon alle. Tässä tapauksessa puhelimen tehonhallinnan ohjain (PMIC) resetoi koko järjestelmän, minkä takia käyttäjän pitää syöttää uudelleen PIN-tunnukseksensa voidakseen käyttää kännykkää uudelleen.

Tehosuunnittelijan kannalta ongelman muodostavat eri muuttujien väliset riippuvuudet, jotka määrittelevät miten paljon tehoa voidaan käyttää ilman, että järjestelmä pakotetaan käynnistymään uudelleen. Alijärjestelmien vaatiman tehon määrä voi vaihdella, samoin akun varaustila (ja siksi myös sen avoimen piirin jännite ennen kuin siihen voidaan pakottaa mitään kuormaa): akun ESR myös vaihtelee lämpötilan ja akun iän mukaan.

Tällä hetkellä matkapuhelimet osaavat vain arvioida karkeasti sen maksimivirran, mikä akusta voidaan vetää. Tieto hyväksyttävästä virran määrästä tiettyjen parametrien vallitessa (mukaan lukien varaustila, lämpötila ja toiminnassa olevat tehoa kuluttavat sovellukset) tallennetaan LUT-taulukkoon. Kuvaprosessori asettaa salaman arvot näiden tietojen perusteella.

Tähän taulukkoon on kuitenkin mahdotonta tallentaa täsmällisiä ja tarkkoja arvoja. Tämä johtuu monesta syystä. Tehovahvistimen kaltaisten alijärjestelmien vaatima teho vaihtelee suuresti, mikä riippuu osin matkapuhelimen ja tukiaseman välisestä etäisyydestä. Myös akun ESR-resistanssin määrittely ajan suhteen on tyypillisesti epätarkkaa, sillä siihen vaikuttavat käyttäjän toiminta ja ympäristön olosuhteet, pääasiassa lämpötila.

Käytännössä matkapuhelinten valmistajat lisäävät leveät marginaalit LUT-taulukon virtalukemiin, jotta salaman toiminta ei uhkaisi sulkea koko laitetta. Tämä tarkoittaa, että salamaan johdettu virta on selvästi maksimivirtaa pienempi, mikä heikentää kuvien laatua.

Reaaliakaista tietoa akun oikeasta tilasta

Tarvitaan siis tapa tietää, mikä on kuvanottohetkellä suurin mahdollinen virta, joka akusta voidaan vetää niin, ettei sen jännite mene raja-arvon alle. Itse asiassa, mikäli tämä tiedetään, tieto akun varaustilasta, akkuun kohdistuvasta kuormasta ja ympäröivästä lämpötilasta tulee tarpeettomaksi.

Ams:n kehittämä innovaatio perustuu tähän oivallukseen. Yhtiö on kehittänyt tekniikan, jolla voidaan ajaa ”diagnostista pulssia”. Tämä pulssii testaa järjestelmän käyttäytymistä vaihtuvien kuormien alla, ja laskee tämän käyttäytymisen perusteella, kuinka paljon virtaa ja kuinka kauan salamaan voidaan syöttää. Kuvaprosessori voi sitten asettaa valaistusajan ja ISO-lukeman ledisalaman lähtötehon perusteella.

Tämä diagnostinen pulssi -toiminto on lisätty ams:n uuteen lediajuripiiriin AS3649, joka monitoroi sekä akun jännitettä että ledin virtaa yhtäaikaisesti pulssin vaikutuksen alla. Pulssi kalibroidaan huolellisesti aiheuttamaan jännitepudotus akussa niin, ettei alijännitteen vaaraa ole.

Diagnostinen pulssi käynnistyy ennen jokaista normaalia salamatoimintoa (ks. kuva 2). Kuten voidaan nähdä, pulssi on niin lyhyt, ettei käyttäjä voi huomata sen aiheuttamaa viivettä.

Lisäksi diagnostisen pulssin tuottama valo, joka tulee alle 20 millisekuntia ennen salaman välähdystä, ei ole käyttäjän havaittavissa (esisalamaa käytetään kameran automaattitarkennukseen pimeissä olosuhteissa).

Kuva 2: Tyypilliset matkapuhelimen akun virta- ja jännitearvot esisalaman, diagnostisen pulssin ja normaalin salamavalon välähdyksen aikaan.

Diagnostinen pulssi on vain neljän millisekunnin mittainen. Kaikki muut ajoitusparametrit (kuten esisalaman kesto ja esi- ja pääsalaman välinen viive) ovat järjestelmäsuunnittelijan määriteltävissä. Pääsalaman keston määrittelee kuvaprosessori ISO-laatuvaatimuksen mukaisesti. Virran määrittelee diagnistinen pulssi.

Diagnostinen pulssi toimi tehokkaasti akun koko eliniän ajan. Kun akku ikääntyy, se menettää kapasiteettiaan ja sisäinen ESR-resistanssi kasvaa, ja siksi alijänniterajaa täytyy nostaa jotta järjestelmille syötettävä virta olisi riittävä. Muussa tapauksessa vanhemman akun suurin virta olisi matalampi, mikä johtaisi himmeämpään samalavaloon. Diagnostisen pulssin avulla akusta voidaan aina vetää suurin mahdollinen käytettävissä oleva virta.

Vieläkin laadukkaampia kuvia

AS3649-piirillä toteutettu ams:n diagnostisen pulssin tekniikka mahdollistaa sen, että salamaledin virta on mahdollisimman suuri kaikissa toiminta- ja ympäristöolosuhteissa. Se myös automaattisesti kompensoi ledin tehokkuuden pienenemisen kasvattamalla salaman pulssin kestoa. Tehokkuuden pieneneminen on seurausta ledin kuumenemisesta korkeilla virroilla, kun se käynnistetään kylmänä.

AS3649-piirillä on toinenkin ominaisuus, joka tuottaa kirkkaamman salaman ja paremman kuvanlaadun. Sitä voidaan ajaa 2,5 ampeerin virralla, mikä on huomattava lisäys nykyisten kännykkäsalamien lediajurien maksimiin 1,3 ampeerin virtaan.

Etuja myös tuotannossa

Tässä artikkelissa on kuvattu, miten diagnostista pulssia voidaan käyttää mittaamaan akun toimintaa juuri ennen salamaledin käyttöä, ja kuinka tämän informaation perusteella salamaan syötetään mahdollisimman suurta virtaa ilman, että seurauksena on alijännite akussa. Tämä johtaa parempaan kuvanlaatuun alhaisemmalla ISO-arvolla, kuin mihin tämän päivän matkapuhelimissa päästään, kun virtarajat haetaan LUT-taulukosta.

Matkapuhelinvalmistajat arvostavat myös toista ominaisuutta diagnostista pulssia hyödyntävässä AS3649-komponentissa: piiri kompensoi automaattisesti tuotantoprosessin aiheuttamat vaihtelut yksittäisissä komponenteissa. Jokainen LUT-taulukkoon nojaava matkapuhelin pitää karakterisoida täsmällisen tarkasti. Diagnostinen pulssi -menetelmä on sen sijaan järjestelmän sisäinen mittaustapa ja se osaa sopeutua vaihteluihin ja muutoksiin järjestelmässä ilman kvalifiointia.

AS3649-piirin käyttämisestä tulee näin etuja sekä matkapuhelimen käyttäjälle että valmistajalle. Kirkkaampi salama tuottaa laadukkaampia kuvia ja lisäksi lopputuote on aiempaa helpompi valmistaa.

Lisätietoa AS3649-piiristä löytyy ams:n nettisivuilta osoitteesta www.ams.com.