CN106170062B - 智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路 - Google Patents

智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路方案，主要解决传统音圈马达存在的工艺复杂，微型化困难以及微电马达存在的行程短，抗摔性差的技术问题。本发明驱动控制芯片包括：逻辑控制器U1，数模转换器U2,模数转换器U3,前端放大器U4，电源管理器U9，振荡器U7,前端漂移消除器U8,电流源U10，I2C通讯接口；U1输入端连接U3，U1输出端连接U2,U2输出端接U10，U3的输入端直接接到U4的输出端，U8接运算放大器输入负极，U10接运算放大器输入正极，运算放大器输出端接U4，U10连接记忆合金一端，记忆合金另一端连接U9，U10的回路里还连接有U5，U7和集成电路芯片与外界采用I2C通讯接口。本发明实现对形状记忆合金高精度大电流驱动，实时监测形状记忆合金阻抗变化，准确反馈镜头位置信息以辅助实现光学聚焦和光学防抖功能。

Description

智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路
技术领域
本发明涉及驱动控制形状记忆合金做出规定动作的集成电路(IntegratedCircuit) 设计领域，特别涉及一种应用于智能手机摄像模组的光学聚焦和防抖技术的形状记忆合金的驱动控制集成电路。
背景技术
智能手机是增长速度最快的消费类电子产品并且将在一定时间内持续这种增长趋势。从用户的角度而言，他们希望手机的图片质量能够与数码相机相媲美；然而数码相机的高清技术并未马上就转移到智能手机上， 这里面最主要的原因在于技术上的制约以及用户对两者的产品定义不同。数码相机的最主要功能就是照相功能，即“高质量的照片”；而智能手机的主要功能是“手机”，照相功能只是诸多额外功能里的一种。如果这种技术转移需要明显的牺牲手机其它性能（如尺寸和功耗）或者提高手机成本，那么就不会有成功的产品问世。要追求“高画质”，对手机摄像模组供应商来说，在现有的手机尺寸和成本前提下，克服其中的技术壁垒既是严峻的挑战，也意味着巨大的商机。这其中的关键技术之一就是微型化的光学聚焦和光学防抖技术。
因为市场的推动，智能手机摄像模组的光学聚焦和防抖技术经历了一个相对快速的演变过程，从最初采用数码相机上成熟的步进马达和超声波马达，逐渐过渡到音圈马达(Voice-Coil Motor, VCM)，以及最近才开始采用的形状记忆合金马达(Shaped MemoryAlloy, SMA)和微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems, MEMS）马达，才满足了手机摄像模组微型化，模组化与高精度的需求。MEMES马达集成度高，但是需要特殊工艺实现，成本高，而且行程短，抗摔性差，良率难以保证，目前处于试验推广阶段。而形状记忆合金马达既有尺寸小，精度高，驱动简单的优势，又无需传统音圈马达方案中的霍尔传感器件用以确定镜头位置信息，其相对低廉的价格更是决定了它是智能手机摄像模组进行光学聚焦和防抖的优选技术方案。
一般金属材料收到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，金属就产生塑性变形，应力消除后就产生了永久变形。有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形，从而形成残余形变。当材料加热时，材料的残余形变消失，并回复到高温下所固有的形状。再进行加热或冷却时，形状保持不变，这就是所谓的形状记忆效应，它就像合金记住了高温状态的形状一样。如果给形状记忆合金注入电流，控制形状记忆合金的温度在马氏相变特征温度范围内变化，就可以实现可控的形状记忆合金的压缩或者拉伸，达到驱动摄像模组镜头移动的目的。这是智能手机摄像模组形状记忆合金马达的工作原理。
实际的工程实现中，要达到形状记忆合金马达在微小尺寸范围内(300微米)推动镜头组(lens)高精度移动的目的，除了高性能的形状记忆合金之外，形状记忆合金动作的驱动控制芯片是摄像模组另外一个最为关键的器件。驱动控制芯片除了需要驱动形状记忆合金动作之外，还需要能够利用形状记忆合金的阻抗变化特性准确反馈镜头的位置信息，形成闭环控制，实现摄像模组镜头的高精度移动。这种形状记忆合金驱动方案去除了传统音圈马达方案中的霍尔传感器，实现了摄像模组的轻薄，模块化，和微型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可靠、低成本、可以高效率驱动摄像模组马达的芯片架构方案并且实现摄像模组镜头位置信息的监测和反馈的智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路。主要解决传统音圈马达存在的工艺复杂，微型化困难的技术问题以及微电马达存在的行程短，抗摔性差的技术问题。
本发明采用如下技术方案：智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路，其特征是驱动控制芯片包括如下电路模块：逻辑控制器U1，数模转换器U2, 模数转换器U3,前端放大器U4，电源管理器U9，振荡器U7,前端漂移消除器U8,电流源U10；集成电路芯片与外界采用I2C通讯接口；逻辑控制器U1输入端连接模数转换器U3，逻辑控制器U1输出端连接数模转换器U2, 数模转换器U2输出端接电流源U10，模数转换器U3的输入端直接接到前端放大器U4的输出端，前端漂移消除器U8接运算放大器输入负极，电流源U10接运算放大器输入正极，运算放大器输出端接前端放大器U4，电流源U10连接记忆合金一端，记忆合金另一端连接电源管理器U9，电流源U10的回路里还连接有温度补偿器U5，振荡器U7和集成电路芯片与外界采用I2C通讯接口。
由前端漂移消除器U8，前端放大器U4，模数转换器U3，逻辑控制模块U1，模数转换器U2以及电流源U10形成闭环负反馈构成偏置电压控制回路U6。
所述逻辑控制器U1含有8位微处理器，用以控制驱动模块的动作节拍，与集成电路芯片外围通信以及实现形状记忆合金驱动算法。
所述数模转换器U2采取电流线性驱动加上脉宽调制方式（PWM）驱动相结合的方式，通过控制电流源管U2上流过的电流大小和时间达到对记忆合金的加热控制和相态转换控制。模数转换器U2的转换精度为16位。
所述模数转换器U3的输入端直接接到前端放大器U4的输出，采样时钟和系统的微处理器的工作时钟同频率。模数转换器U3的参考电压采用电源管理模块的带隙基准源电压；模数转换器U3的数字输出直接送到逻辑控制模块U1进行数据处理，转换精度要求为11位；模数转换器U3在系统要求的动态范围内必须满足单调特性。
所述前端放大器U4和前端漂移消除器U8检测记忆合金的相对阻抗变化，通过阻抗到电压的差分运算，把记忆合金的伸缩或者扩展位置信息转换成电压信号，输出到模数转换器U3。前端漂移消除器U8动态范围必须满足记忆合金在标准制造偏差内的阻抗变化以及在系统工作的温度范围内因为温度变化引起的阻抗变化；前端漂移消除器U8在系统要求的动态范围内必须满足单调特性。
所述偏置电压控制回路U6的输入由逻辑控制模块U1控制，基于系统的前端自适应模块，输出合适的数值给前端漂移消除器U8。确保芯片驱动控制功能启动后，整个闭环系统工作在系统设定的动态范围之内。
所述温度补偿器U5在芯片的工作模式下实时监测系统的环境温度，并且根据温度的变化对记忆合金的温度阻抗特性系数做出补偿；
所述电源管理器U9提供适当的直流工作电压和偏置电流输出到：数模转换器U2,模数转换器U3,前端放大器U4，温度补偿器U5，振荡器U7,前端漂移消除器U8,偏置电压控制电路U6,电流源U10。集成电路驱动控制方案必须满足2.3V到5.5V的工作电压范围。
所述振荡器U7提供逻辑控制电路的时钟和模数转换器，数模转换器的采样时钟。时钟精度在校准之后必须达到0.5%的绝对精度。
所述电流源U10直接接到系统工作电源，提供记忆合金的驱动电流，输出最小电流2mA; 输出最大电流100mA;饱和电阻必须小于2欧姆。
本发明的有益效果是是：本发明能够实现镜头位置的监测和反馈，有良好自适应性，同时实现对形状记忆合金的高精度电流驱动和对镜头位置的监测和反馈。提出了一种能够根据形状记忆合金特性参数自动调节驱动偏置的大小和动态范围,具有高精度特性的形状记忆合金马达驱动集成电路设计方案。本方案能够实时监测形状记忆合金的阻抗变化，准确反馈镜头的位置信息以辅助智能手机摄像模组的光学聚焦和防抖功能需要，相比传统音圈马达搭配霍尔传感器的方案，具有成本低、摄像模组轻薄，模块化，微型化的优点。
附图说明
图1为本发明形状记忆合金驱动集成电路方案架构示意图。
图2为本发明对形状记忆合金阻抗变化集成电路自适应原理图。
图3为本发明低噪声自动调零前端放大器U4电路图。
图4为本发明模数转换器U3电路工作时序示意图。
图5为本发明形状记忆合金驱动集成电路方案工作时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
参考图1是形状记忆合金驱动电路驱动集成电路方案架构示意图。应用于智能手机摄像模组中镜头的光学聚焦和防抖，形状记忆合金驱动集成电路的核心是要产生精确电流驱动形状记忆合金并且能准确检测到形状记忆合金的阻抗变化量，形成闭环控制。
智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路，其特征是驱动控制芯片包括如下电路模块：逻辑控制器U1，数模转换器U2, 模数转换器U3,前端放大器U4，电源管理器U9，振荡器U7,前端漂移消除器U8,电流源U10；集成电路芯片与外界采用I2C通讯接口；逻辑控制器U1输入端连接模数转换器U3，逻辑控制器U1输出端连接数模转换器U2, 数模转换器U2输出端接电流源U10，模数转换器U3的输入端直接接到前端放大器U4的输出端，前端漂移消除器U8接运算放大器输入负极，电流源U10接运算放大器输入正极，运算放大器输出端接前端放大器U4，电流源U10连接记忆合金一端，记忆合金另一端连接电源管理器U9，电流源U10的回路里还连接有温度补偿器U5，振荡器U7和集成电路芯片与外界采用I2C通讯接口。
由前端漂移消除器U8，前端放大器U4，模数转换器U3，逻辑控制模块U1，模数转换器U2以及电流源U10形成闭环负反馈构成偏置电压控制回路U6。图1中的虚线所框部分即为系统的前端自适应模块。
闭环控制原理如下：逻辑控制器U1发出镜头移动指令，数模转换器U2根据指令输出8位精度的稳定电流。这个电流经过电流源U10像，输出符合比例要求的电流到形状记忆合金，使得形状记忆合金的温度处于相态转换特征温度范围，并且产生相应的形变（移动）。接着系统发出对应的形状记忆合金阻抗测量时间脉宽周期，在此周期之内，前端放大器U4和模数转换器U3开始工作，系统会侦测到形状记忆合金对应的阻抗变化值。因为形状记忆合金的形变和阻抗存在特定的对应关系，系统可以得知形状记忆合金的相对位置信息。对比通过前端放大器U4和模数转换器U3测量得到位置信息和微控制器发出的指令移动值，系统可以形成闭环控制。系统对数模转换器U2有高线性度的要求，一方面高线性保证了驱动位移高精度，但是另一方面，高精度的线性电流驱动会使镜头移动的速度受到影响，不仅延长了驱动时间而且浪费了驱动电流的效率。为了实现对形状记忆合金的快速, 精确控制同时又保证效率，本发明引入了脉宽调制（PWM）方法加上8位精度的数模转换来实现16位精度。这样既能够快速的加热合金，同时通过脉宽调制控制对合金加热的时间，放宽了系统对数模转换器的电流线性度精度要求，节省了芯片的功耗和面积，而且保证了一定的设计裕量。参考图2是本发明实施例的形状记忆合金阻抗变化自适应原理图。因为生产工艺的偏差和应用环境的变化，形状记忆合金的特性阻抗也会随之变化，前端放大器U4和前端漂移消除器U8需要对记忆合金的阻抗偏移量有自适应性。形状记忆合金的电阻值和记忆体合金线圈的温度系数、位置状态密切关联。正是通过读回形状合金记忆体的电阻值的变化我们才能够准确的知道合金记忆体的位置状态，进而确定镜头的移动位置信息。应用于智能手机摄像模组聚焦防抖的形状记忆合金阻抗典型值变化范围为20欧姆到50欧姆。驱动控制芯片中的前端放大器U4和漂移消除器U8必需有对应足够大的动态范围和自动调节功能。
对形状记忆合金的自适应特性主要通过调节前端放大器U4的偏压和共模设置来实现。因为在前端放大器U4后面的模数转换器U3的算法U22采用逐次逼近算法实现，模数转换器U3内嵌双数模转换U23。出于匹配考虑，双数模转换U23设计成双路电阻串形式，一路用于模数转换器U3内嵌参考电压分压，一路用于前端放大器U4的偏置和共模。
参考图5，芯片上电之后进入等待模式，在电源管理器上电、参考电压初始化、振荡器初始化和微处理器初始化正常之后，微处理器首先从一次性存储中读入系统配置信息，进行温度测定，然后进行形状记忆合金的阻抗自适应性校正。做校正时，前端放大器U4的输入端为位置感应；增益控制设为最大值；模数转换器U3的模式选择设置为S3；微处理器从中间值开始给双模数转换器U23输入偏置电压控制，采用逐次逼近算法，目标设定值是指定的最小11位模数转换器U3输出值，直到系统得到输入偏置电压控制的8位数值。
参考图3为前端放大器U4的具体集成电路实现图。本发明和传统的采样保持电路不同的是：（1）加入采样电阻RS；采样电容CS和采样电阻RS共同决定采样时间；采样时间可调；平衡噪声特性和转换速率；（2）满足对形状记忆合金自适应要求的共模电压和偏置电压设置。
前端放大器U4的连接关系是：共模电压连接到双数模转换器的电阻串分压的中间点；偏置电压同样连接到双数模转换器的电阻串，连接点由上述采用逐次逼近算法得到的8位数值决定。
前端放大器U4工作在双向非交叠时钟CK1和CK2下，CK1为采样相位，CK2为保持相位。输入端信号在采样时钟CK1周期内经过采样电容CS和采样电阻RS之后，电荷存储在CS上，运算放大器的漂移存储在电容CO；CI电荷在时钟CK1周期内清零；在保持时钟CK2周期内，采样电容CS上的电荷通过闭环的运算放大器转移到CI上，运算放大器的漂移依旧保持在电容CO从而抵消，信号放大；需要指出的是采样电阻RS不会给前端放大器U4引进额外的噪声，采样保持电路的噪声特性仍然由CS决定；前端放大器U4的放大倍数由CS和CI的比值决定；前端放大器U4的输出共模电压由共模电压输入决定；前端放大器U4的输出差值电压由输入电压和偏置电压决定。
参考图4为前端放大器U4和模数转换电路U3的工作时序图。在前端放大器U4和模数转换电路U3使能的情况下，电路开始采样，进行数模转换。第一个采样脉冲和模块的复位信号同步，周期固定为大约200ns。从第二个采样脉冲开始，采样时间由CS和RS决定，系统可设置；保持时间和逐次逼近算法的执行时间均为2us；在这段时间内模数转换器的输出数据在保持状态。在全部11位寄存器信号有效后，转换完成标志位置位；模数转换器U3的输出数据更新，同时复位脉冲产生，采样电路和模数转换电路进入下一次转换周期。
本发明进一步指出，因为大电流驱动以及驱动电流可能的跳跃式变化特性，在不同的应用要求和驱动要求条件下，驱动控制芯片的工作结温变化可以达到30度。在以上温度变化下，控制芯片都必须提供稳定的工作性能（例如镜头的位置信息读回误差要在性能要求的1um以内）。设计中需要把温度补偿模块放在了提供大电流驱动的数模转换器旁边，提高温度补偿模块的灵敏度。
为了能够实现读回功能，在驱动形状记忆合金的时序中间，我们加入了前端放大器U4的采样保持时序，利用这个时间空隙（约占驱动电流时间空隙的十分之一）来读回形状记忆合金的阻抗值，并由此确定镜头的位置信息。设计的关键是保持这种情况下数模转换器的稳定输出电流，而且这个电流值必需足够下不至于影响记忆合金的温度变化和位置变化，并且能够准确确定合金电阻值的变化和位置变化的关联。同时为了减小串扰噪声的影响，在前端放大器U4和模数转换器U3工作的同时，微处理器被置于休眠模式保证了模数转换器的转换精度要求。
以上对本发明实施例所提供的，一种应用智能手机摄像模组光学聚焦和防抖形状记忆合金的驱动控制集成电路进行了详细介绍，对于本领域的其他设计方案，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路，其特征是：驱动控制芯片包括如下电路模块：逻辑控制器U1，数模转换器U2, 模数转换器U3,前端放大器U4，电源管理器U9，振荡器U7,前端漂移消除器U8,电流源U10；集成电路芯片与外界采用I2C通讯接口；逻辑控制器U1输入端连接模数转换器U3，逻辑控制器U1输出端连接数模转换器U2, 数模转换器U2输出端接电流源U10，模数转换器U3的输入端直接接到前端放大器U4的输出端，前端漂移消除器U8接运算放大器输入负极，电流源U10接运算放大器输入正极，运算放大器输出端接前端放大器U4，电流源U10连接记忆合金一端，记忆合金另一端连接电源管理器U9，电流源U10的回路里还连接有温度补偿器U5，振荡器U7和集成电路芯片与外界采用I2C通讯接口；所述模数转换器U3的输入端直接接到前端放大器U4的输出，采样时钟和系统的微处理器的工作时钟同频率，模数转换器U3的参考电压采用电源管理模块的带隙基准源电压，模数转换器U3的数字输出直接送到逻辑控制模块U1进行数据处理，转换精度要求为11位；模数转换器U3在系统要求的动态范围内必须满足单调特性；所述前端放大器U4和前端漂移消除器U8检测记忆合金的相对阻抗变化，通过阻抗到电压的差分运算，把记忆合金的伸缩或者扩展位置信息转换成电压信号，输出到模数转换器U3；前端漂移消除器U8动态范围必须满足记忆合金在标准制造偏差内的阻抗变化以及在系统工作的温度范围内因为温度变化引起的阻抗变化；前端漂移消除器U8在系统要求的动态范围内必须满足单调特性；- 偏置电压控制回路U6的输入由逻辑控制模块U1控制，基于系统的前端自适应模块，输出数值给前端漂移消除器U8；所述温度补偿器U5在芯片的工作模式下实时监测系统的环境温度，并且根据温度的变化对记忆合金的温度阻抗特性系数做出补偿。
2.根据权利要求1所述的智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路，其特征是：由前端漂移消除器U8，前端放大器U4，模数转换器U3，逻辑控制模块U1，模数转换器U2以及电流源U10形成闭环负反馈构成偏置电压控制回路U6。
3.根据权利要求1所述的智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路，其特征是：所述逻辑控制器U1含有8位微处理器，用以控制驱动模块的动作节拍，与集成电路芯片外围通信以及实现形状记忆合金驱动。
4.根据权利要求1所述的智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路，其特征是所述数模转换器U2采取电流线性驱动加上脉宽调制方式驱动相结合的方式，通过控制电流源管U2上流过的电流大小和时间达到对记忆合金的加热控制和相态转换控制。
5.根据权利要求1所述的智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路，其特征是：所述振荡器U7提供逻辑控制电路的时钟和模数转换器，数模转换器的采样时钟。
6.根据权利要求1所述的智能手机摄像模组形状记忆合金驱动控制集成电路，其特征是：所述电源管理器U9提供直流工作电压和偏置电流输出到：数模转换器U2, 模数转换器U3,前端放大器U4，温度补偿器U5，振荡器U7,前端漂移消除器U8,偏置电压控制电路U6,电流源U10，所述电流源U10直接接到系统工作电源，提供记忆合金的驱动电流，输出最小电流2mA，输出最大电流100mA，饱和电阻必须小于2欧姆。
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