CN114586333B - 用于控制透镜致动器的驱动电路和方法 - Google Patents

用于控制透镜致动器的驱动电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于控制透镜致动器的驱动电路，其中，所述驱动电路用于向所述透镜致动器输出脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)载波，其中，所述PWM载波包括脉冲串，所述脉冲串具有脉冲宽度相同的两个或更多个脉冲，当复位电平和信号电平相同时，所述脉冲的周期等于用于采样所述复位电平和所述信号电平的时间间隔，所述复位电平和所述信号电平通过模数转换器(analog to digital converter，ADC)采样，所述模数转换器在用于检测穿过透镜的图像的图像传感器中执行相关双采样(correlated double sampling，CDS)，并且所述PWM载波的周期等于模数转换周期的整数倍。本发明实现了降低相机模块中图像传感器上的噪声。

Description

用于控制透镜致动器的驱动电路和方法
技术领域
本发明涉及控制相机模块中的透镜致动器。
背景技术
许多电子设备都具有相机模块。相机模块包括透镜致动器，如光学防抖(opticalimage stabilization，OIS)和自动对焦(auto-focus，AF)致动器。作为驱动OIS/AF致动器的方法，脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)技术可以是一种很好的候选技术，因为这种技术可以降低相机模块的功耗。但是，由于PWM驱动器重复输出具有高电平和低电平的PWM载波，所以该PWM驱动器可以是电磁噪声发射源。特别是，在小型相机模块中，透镜单元靠近图像传感器放置，用于移动透镜单元的OIS/AF致动器也靠近图像传感器放置。因此，实现小型相机模块是困难的。
发明内容
提供了一种驱动电路，以实现降低相机模块中图像传感器上的噪声。
根据第一方面，提供了一种用于控制透镜致动器的驱动电路，其中，所述驱动电路用于向所述透镜致动器输出脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)载波，其中，所述PWM载波包括脉冲串，所述脉冲串具有脉冲宽度相同的两个或更多个脉冲，当复位电平和信号电平相同时，所述脉冲的周期等于用于采样所述复位电平和所述信号电平的时间间隔，所述复位电平和所述信号电平通过模数转换器(analog to digital converter，ADC)采样，所述模数转换器在用于检测穿过透镜的图像的图像传感器中执行相关双采样(correlated double sampling，CDS)，并且所述PWM载波的周期等于模数转换周期的整数倍。
在所述第一方面的一种可能的实现方式中，当所述ADC采样所述复位电平和所述信号电平时，所述PWM载波的电平相同。
在所述第一方面的一种可能的实现方式中，通过参考VSYNC、HSYNC或ADC产生的其它信号，所述PWM载波与ADC操作同步。
在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述PWM载波相对于所述ADC生成的所述信号以固定延迟生成。
根据第二方面，提供了一种用于控制透镜致动器的方法，其中，所述方法包括：驱动电路向所述透镜致动器输出脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)载波，其中，所述PWM载波包括脉冲串，所述脉冲串具有脉冲宽度相同的两个或更多个脉冲，当复位电平和信号电平相同时，所述脉冲的周期等于用于采样所述复位电平和所述信号电平的时间间隔，所述复位电平和所述信号电平通过模数转换器(analog to digital converter，ADC)采样，所述模数转换器在用于检测穿过透镜的图像的图像传感器中执行相关双采样(correlated double sampling，CDS)，并且所述PWM载波的周期等于模数转换周期的整数倍。
根据第三方面，提供了一种相机模块，其中，所述相机模块包括：根据第一方面所述的驱动电路；所述驱动电路驱动的透镜致动器；图像传感器，用于通过应用CDS的ADC输出每个像素的光量作为数字数据。
由上述PWM驱动电路产生的脉冲串仅发射CDS可抵消的噪声。PWM致动器产生的噪声可通过图像传感器中的ADC中实现的CDS抵消。根据本发明，PWM驱动与ADC操作同步，从而降低了相机模块中图像传感器上的噪声。根据上述PWM波形，通过考虑PWM占空比和实际CDS时间间隔的波动，可以降低CDS单斜率ADC(single slope ADC，SS-ADC)的PWM噪声。
附图说明
为了更清楚地描述本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下文对描述实施例或现有技术所需的附图进行简要介绍。显然，以下描述中的附图仅示出了本发明的一些实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1示出了SMA-OIS的结构和PWM控制器与SMA线之间的电连接示例。
图2示出了应用于相应SMA线的PWM载波波形示例。
图3示出了用于估计SMA线温度的电路图示例。
图4示出了CDS在实际CMOS图像传感器中的实现示例。
图5包括(a)、(b)和(c)，其中，图5中的(a)示出了图4中所示的ADC周期的四个周期；图5中的(b)示出了PWM载波周期与ADC的CDS时间间隔(在此期间没有信号)相同的示例；图5中的(c)示出了本发明实施例提供的PWM脉冲的示例。
图6包括(a)、(b)和(c)，其中，图6中的(a)示出了图4中所示的ADC周期的四个周期；图6中的(b)示出了作为图5中的(b)中的PWM波形的反转的PWM波形示例；图6中的(c)示出了由3个脉冲组成的PWM波形的示例，这些脉冲具有相同的脉冲宽度，并以CDS时间间隔生成。
具体实施方式
下文结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例应属于本发明的保护范围。
图1示出了SMA-OIS的结构和PWM控制器与SMA线之间的电连接示例。可移动单元2在圆形区域中具有透镜单元，穿过透镜单元的图像由图像传感器(未示出)检测。可移动单元2通过四根形状记忆合金(shape memorable alloy，SMA)线31至34连接到固定底座1上。例如，可移动单元2的右上角处的一个固定点通过SMA线31连接到固定底座1的左上角，可移动单元2的右上角处的另一个固定点通过SMA线32连接到固定底座1的右下角。可移动单元2的左下角处的一个固定点通过SMA线33连接到固定底座1的左上角，可移动单元2的左下角处的另一个固定点通过SMA线34连接到固定底座1的右下角。四根SMA线31至34分别通过由控制器产生的PWM脉冲控制。需要说明的是，SMA线的数量不限于四根。实施例描述了用于相对于图像传感器的表面在水平方向上移动透镜单元的PWM控制器，但本发明可以应用于用于相对于图像传感器的表面在竖直方向上移动透镜单元的PWM控制器。
控制器可以通过利用SMA线的长度随着其温度升高而收缩的原理来控制可移动单元2的位置。控制器可以实现为驱动电路。控制器估计SMA线的温度，并更新PWM脉冲的占空比。由于SMA线的电阻值随着其温度升高而增加，因此例如通过计算SMA线的电阻值来估计SMA线的温度。为了加热线，可以向SMA线施加电流。可以用PWM方法驱动电流控制，以降低其巨大的功耗。图2示出了应用于相应SMA线的PWM载波的四个周期的波形示例。
此外，还使用温度传感器来测量每根线的温度，以提高控制精度。可以应用包括一个温度传感器和通过时分驱动而驱动的多个SMA线的结构，以减小相机模块尺寸。在图3中，四根SMA线31至34共用温度传感器4，PWM载波以时分方式施加在四根SMA线31至34中的一根上。每根SMA线的温度可以根据ADC输入电压计算，该ADC输入电压与每根SMA线测量值成正比。具体地，在图3中，假设电阻器35的电阻值不随温度而变化，则SMA线的电阻值可以基于控制器中的ADC 40测量的电压计算，SMA线的温度可以根据SMA线的电阻值计算。
如上所述，施加到SMA线上的PWM脉冲可能会干扰图像传感器。当用PWM脉冲控制SMA线时，SMA线在高电平与低电平之间变化会产生电磁场，该电磁场可能会干扰图像传感器(如电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)、互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)等图像传感器)中的ADC(如列ADC)和相机模块内的其它部件上的信号。通常，相机模块包括图像传感器中的ADC以及上述PWM控制器。为了抵消几种噪声，相关双采样(correlated double sampling，CDS)通常在图像传感器中的ADC上实现。图4示出了CDS在实际CMOS图像传感器中的实现示例。在CDS操作中，对复位电平和信号电平执行2采样，输出被定义为复位电平和信号电平的差值。因此，该操作可以抵消复位和信号采样之间通常包含的噪声。在这种图像传感器噪声中，kTC噪声、Vth偏移和1/f噪声是众所周知的。该技术通常通过2次单斜率类型A/D转换实现。在每个ADC周期中，使用图4中示出为RAMP的波形。
在图4中，示出了一个ADC周期内RAMP和比较器输出的波形。水平虚线表示复位电平。ADC从图像传感器的像素接收信号，信号的电平称为信号电平。当第一下降斜率与复位电平相交时，比较器输出第一脉冲。之后，如果没有来自像素的信号，即信号电平与复位电平相同，则当第二下降斜率与复位电平(图4中的水平虚线)相交时，比较器输出第二脉冲。如果有来自像素的信号，则水平虚线下降到与复位电平以下的信号对应的电平，并且当第二下降斜率与水平虚线(信号电平)相交时，比较器输出第二脉冲。根据信号电平，第二脉冲的上升沿从没有信号的情况的位置偏移。
如上所述，施加到SMA线的PWM脉冲可能会影响图4中上述比较器输出。像素输出可以波动，即相对于复位电平的信号电平可以波动，因此，比较器输出的第一脉冲的上升沿和第二脉冲的上升沿可以波动，这也意味着有效的CDS时间间隔可以根据这些波动而变化。
图5中的(a)至(c)示出了本发明实施例提供的与ADC相关的波形与PWM载波的波形之间的相位关系的示例。图5中的(a)示出了图4所示的ADC周期(模数转换周期)的四个周期。
图5中的(b)示出了PWM载波周期与ADC的CDS时间间隔(在此期间没有信号)相同的示例。由于PWM载波周期与ADC周期不一致，因此PWM载波的相位相对于ADC的采样时序逐渐变化。例如，在图5中的(a)中的第二ADC周期中，第二PWM2脉冲落在比较器输出的第一脉冲的上升沿处，第三PWM2脉冲落在比较器输出的第二脉冲的上升沿处。在这种情况下，ADC的采样值对第二PWM2脉冲或第三PWM2脉冲的下降沿的抖动敏感，这是因为当在ADC中采样复位电平和信号电平时，PWM2脉冲的电平可能不同，因此，复位电平与信号电平之间的差值可以波动。类似地，在图5中的(a)中的第四个ADC周期中，第二PWM0脉冲在比较器输出的第一脉冲的上升沿处上升，第三PWM0脉冲在比较器输出的第二脉冲的上升沿处上升。在这种情况下，ADC的采样值对第二PWM0脉冲或第三PWM0脉冲的上升沿的抖动敏感，这是因为当在ADC中采样复位电平和信号电平时，PWM0脉冲的电平可能不同，因此，复位电平和信号电平之间的差值可以波动。在另一种情况下，在图5中的(a)中的第三个ADC周期期间，PWM3的占空比在第二PWM3脉冲与第三PWM3脉冲之间变化，当比较器输出的第一脉冲上升时，PWM3脉冲的电平为高，而当比较器输出的第二脉冲上升时，PWM3脉冲的电平为低，因此，复位电平与信号电平之间的差值可以波动。
因此，图5中的(b)中的PWM波形无法避免由于ADC的比较器输出和PWM输出波形的抖动在复位和信号采样时改变PWM输出状态的风险，这是因为ADC的比较器可以切换PWM输出的附近电平变化。此外，SMA致动器的CDS时间间隔/SMA线数量也有最大脉冲宽度限制。这可能会导致用于正常驱动SMA线的脉冲与用于测量温度的脉冲之间的脉冲宽度差异很大。
图5中的(c)示出了本发明实施例提供的PWM脉冲的示例。在该实施例中，四根线以时分方式控制，每个PWM载波的周期为图5中的(a)所示ADC周期的4倍，PWM0是第一ADC周期期间的输出，PWM1是第二ADC周期期间的输出，依此类推。但是，PWM载波的周期可能与线的数量不成正比。
图5中的(c)的每个ADC周期包括两个PWM脉冲。高电平的总周期对应于指定的占空比。两个PWM脉冲的高电平周期是相同的。两个PWM脉冲的上升沿之间的距离(PWM脉冲的周期)与CDS时间间隔(在此期间没有来自像素的信号)相同。第一PWM脉冲在比较器输出的第一脉冲的上升沿之前上升，以确保当比较器输出的第一脉冲上升时，PWM脉冲的电平为高电平，即使比较器输出的第一脉冲的位置由于噪声而波动。两个PWM脉冲的高电平周期被设置成确保当比较器输出的第二脉冲上升时，PWM脉冲的电平为高电平，即使比较器输出的第二脉冲的上升沿根据来自像素的信号电平而移位以及比较器输出的第二脉冲的位置由于噪声而波动。即，当在ADC中执行采样时，两个PWM脉冲的电平都为高电平。
因此，图5中的(c)中的PWM波形可以调整到复位和信号采样时序，以保持足够的时间裕度来切换PWM和比较器，因为PWM波形可以通过与ADC周期匹配的PWM载波频率和以CDS时间间隔生成的脉冲串与ADC操作完全同步。
图6中的(a)至(c)示出了本发明的另一实施例提供的与ADC相关的波形与PWM载波的波形之间的相位关系的示例。图6中的(a)与图5中的(a)相同。图6中的(b)示出了作为图5中的(b)中的PWM波形的反转的PWM波形示例。图6中的(c)示出了由3个脉冲组成的PWM波形的示例，这些脉冲具有相同的脉冲宽度，并以CDS时间间隔生成。脉冲的数量可以是大于3的整数。可以很容易地为这些波形保持足够的裕度，来在高电平与低电平之间切换。在任何情况下，PWM波形被设置成当ADC采样像素的复位电平和信号电平时，PWM载波的电平相同。为了调整占空比，控制器可以切换图5中的(c)、图6中的(b)、图6中的(c)中的PWM波形，等等。
通常，PWM控制器生成PWM波形，如下所示：
(1)PWM载波频率等于图像传感器的ADC周期的整数倍。
(2)PWM载波有一个脉冲串，该脉冲串包括至少2个或更多个具有相同脉冲宽度的脉冲。
(3)脉冲串以与CDS时间间隔相同的时间间隔生成。
(4)PWM载波可以通过参考VSYNC/HSYNC或ADC生成的其它信号与ADC操作同步。
(5)PWM载波相比于ADC操作生成的上述同步信号可以以固定延迟生成。
通过上述定义的PWM波形，PWM控制器发出的噪声可以被CDS抵消。此外，载波频率与ADC周期相同，因此也没有产生拍频噪声的风险。为了实现以时分方式驱动多根SMA线，对复位和信号采样也施加相同的脉冲宽度，以便通过CDS的ADC输出也不会受到连续PWM载波之间占空比的显著变化的影响。
相机模块可以构成为使图像传感器具有产生限定PWM切换禁止周期的掩码信号的功能，并且掩码信号周期应包括复位和信号采样相位，PWM控制器具有避免在掩码信号内切换自身输出的功能，但还保持几个PWM载波的占空比的平均值等于原始占空比。
上文公开的仅仅是本发明的示例性实施例，当然并不意欲限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分过程以及根据本发明的权利要求所做的等效修改都应属于本发明的范围。

Claims (6)

1.一种用于控制透镜致动器的驱动电路，其特征在于，
所述驱动电路用于向所述透镜致动器输出脉冲宽度调制PWM载波，其中，所述PWM载波包括脉冲串，所述脉冲串具有脉冲宽度相同的两个或更多个脉冲，当复位电平和信号电平相同时，所述脉冲的周期等于用于采样所述复位电平和所述信号电平的时间间隔，所述复位电平和所述信号电平通过模数转换器ADC采样，所述模数转换器在用于检测穿过透镜的图像的图像传感器中执行相关双采样CDS，并且所述PWM载波的周期等于模数转换周期的整数倍。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，当所述ADC采样所述复位电平和所述信号电平时，所述PWM载波的电平相同。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，通过参考VSYNC、HSYNC或ADC生成的其它信号，所述PWM载波与ADC操作同步。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述PWM载波相对于所述ADC生成的所述信号以固定延迟生成。
5.一种用于控制透镜致动器的方法，其特征在于，包括：
驱动电路向所述透镜致动器输出脉冲宽度调制PWM载波，其中，所述PWM载波包括脉冲串，所述脉冲串具有脉冲宽度相同的两个或更多个脉冲，当复位电平和信号电平相同时，所述脉冲的周期等于用于采样所述复位电平和所述信号电平的时间间隔，所述复位电平和所述信号电平通过模数转换器ADC采样，所述模数转换器在用于检测穿过透镜的图像的图像传感器中执行相关双采样CDS，并且所述PWM载波的周期等于模数转换周期的整数倍。
6.一种相机模块，其特征在于，包括：
根据权利要求1所述的驱动电路；
所述驱动电路驱动的透镜致动器；
图像传感器，用于通过应用CDS的ADC输出每个像素的光量作为数字数据。
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