24 Apr 2024
优化形状记忆合金AF和OIS的摄像头性能：SMA的控制系统架构
作者：Chris Avery, 效率和工具主管
康郡机电有限公司（CML）已成为智能手机摄像头提供精确控制形状记忆合金（SMA）光学防抖（OIS）和自动对焦（AF）马达技术的领导者。本文讲述了紧凑型摄像头系统中CML的SMA AF和OIS马达的控制系统架构,所使用的体系架构与现有技术相容。
透过多个硬件与软件控制智能手机摄像头OIS和AF，CML的马达和驱动芯片（IC）与手机应用处理器（AP）一起，熟练地管理AF和OIS需求。透过CML的驱动芯片与陀螺仪和加速度传感器集成为惯性测量单元（IMU），助于实时调整OIS和AF。
CML对这些部件的集成以及对每个马达设计的控制算法的优化确保了在速度和精度方面的最佳性能。下图显示了AF和OIS功能的马达控制系统架构。
图1：SMA马达控制系统架构
随后的章节将详细介绍上图控制系统的各单元，详细地说明它们在管理与增强SMA摄像头AF与OIS功能的作用。请注意，此篇主要说明SMA与其系统架构，摄像头镜头成像不在本文的讨论范围内。
手机PCB
手机印刷电路主板（PCB）是承载和集成电子元件的基础，包括一些支援摄像头功能的电子元件。它承载AP、IMU和摄像头模组与连接器以及其他关键组件。PCB的设计和布局对于确保这些组件之间的高效通信、最大限度地减少延迟以及优化摄像头对用户命令和环境变化的响应时间至关重要。对此CML也提供SMA应用的详细文档，并协助客户进行审查。
惯性测量单元
IMU是现代智能手机中的一个重要组件，尤其是需要OIS的摄像头模组。它结合了陀螺仪和加速器，以高精度监测运动和方向变化。IMU的数据是控制OIS实时调整的基础，实现摄像头马达进行相应运动补偿。
CML的CM824驱动芯片 通过SPI 接口与IMU连接，以实现低延迟的直接通信信道，从而实现对摄像头机械调整的精确控制，并实现对焦和防抖。
应用处理器
应用处理器充当智能手机摄像头系统的大脑，处理来自各方的数据，包括图像传感器和CML的CM824驱动芯片。它运行摄像头应用程序，处理图像，并对AF和OIS调整做出决定。通常，处理器处理这些任务的效率直接影响摄像头的性能，使其成为智能手机整个摄像头系统的关键组件。
在使用CML SMA马达的系统中，CM824驱动芯片可以减轻应用处理器的一些处理负担。基于来自应用处理器的输入，驱动芯片可以利用CML的精度控制算法来管理SMA马达对镜头或传感器位置的调整，以实现对焦和防抖。通过将一些计算需求转移到CML的专用驱动芯片，该系统实现了更高效的任务分配，从而缩短了响应时间，并间接的降低了能耗。
摄像头模组
摄像头模组是大多数摄像头组件所在的位置。它包含了图像传感器、SMA马达、镜头等。由CML驱动芯片控制的SMA马达大大提高了其调整图像对焦和防抖的精度。
让我们仔细观察一下主摄像头模组控制组件的组成结构，如图1所示。
图像传感器
图像传感器是负责将光信号转换为电信号、创建数字图像。其规格会显著影响图像质量。
图像传感器与自动对焦和光学防抖的交互中，自动对焦借由传感器输出信号并由应用处理器进行分析，以判断对焦位置，并控制镜头调整以达到最佳清晰度。
AF系统基于一个简单的光学原理进行操作：为了使图像看起来清晰，来自被摄对象的光必须精确地汇聚到图像传感器上。图像的质量也取决于图像传感器的尺寸。更大的区域能够聚集更多的光，从而实现更高的图像质量。值得注意的是，SMA马达提供的大推力，使得更大的图像传感器可以在不需加大马达尺寸或提高功耗的情况下使用。
图2：带SMA传感器位移式OIS马达的图像传感器
OIS通过实时机械补偿摄像头运动（X轴和Y轴）来保持图像的锐利度和清晰度。该技术主要通过两种方法实现这一点：移动镜头组件或调整图像传感器相对于镜头的位置。通过移动图像传感器的位置，OIS系统可以补偿手机在X轴和Y轴上的运动与旋转。
CM824驱动芯片
CML的CM824驱动芯片是专门设计用于精确控制SMA马达的芯片。它直接通过IMU和应用处理器接口，接收有关运动的数据并相应地调整马达。CM824芯片快速处理信息和高精度控制马达的能力是CML SMA平台提供卓越摄像头性能的核心。
图3：CM824芯片放在回形针旁边进行尺寸比较
CM824驱动芯片包含4个核心功能：
运动处理
运动处理包括分析来自IMU的数据，以判断是否需要由OIS进行补偿。该过程对于确定SMA马达如何调整摄像头模组以稳定图像至关重要。通过CM824驱动芯片中的高级算法，确保比竞争算法在更大的频率范围内具有更好的抑制比效果。
伺服控制
SMA摄像头系统中的伺服控制器包含一个闭环控制机制，其使用连续信号反馈来调整马达的位置、速度和加速度。该回路确保系统的输出，马达的移动，紧密遵循来自摄像头的应用处理器、IMU和马达SMA线的输入命令。
CML开发了算法能准确地计算来自马达的记忆金属丝电阻信号反馈，使记忆金属丝本身能够充当马达的位置传感器。与现有解决方案相比，消除对位置（霍尔）传感器的依赖可以减少部件数（BOM）并简化制造组装过程。伺服控制算法旨在持续分析SMA线电阻反馈，以评估所需马达位置（或速度）与实际位置之间的差异并优化SMA马达对实时位置调整的响应速度。
SMA马达的伺服控制系统是非线性控制、机械工程和先进的算法的结合，这些都是为了提高摄像头自动对焦和防抖的精度和性能。由于SMA马达通常比基于磁铁和线圈的设计具有更高的谐振频率，CML的控制回路可以在较低的频率下运行。
闪存
闪存是储存SMA马达运行所需的控制算法的非易失性存储解决方案。这包括伺服控制算法和运动处理逻辑。闪存的使用使固件能够在摄像头应用程序打开时立即执行。
传统的摄像头模组使用单独的EEPROM芯片来存储图像传感器校准数据和其他必要信息。CML的系统将此功能集成到CM824驱动芯片中，从而减少了摄像头模组中所需的部件数量。这种集成简化了模组设计，降低了成本，并简化了制造过程。
驱动场效应管/功率传输单元
CM824驱动芯片内的驱动场效应管（FET）利用脉宽调节（PWM）来控制输送到形状记忆合金（SMA）马达的功率。PWM是一种高效的技术，可以调节电脉冲来控制输送到负载的平均功率—如SMA马达。CM824驱动芯片根据上述各种元器件的输入产生具有不同占空比的PWM信号。该信号精确地指示驱动FET如何调制到马达的功率，对准镜头或传感器的位置，以获得最佳自动对焦和光学防抖性能。
热敏电阻
热敏电阻是一种电阻器，用作SMA马达系统的温度计。热敏电阻集成在摄像头模组中，用于监测SMA马达运行过程中发生的环境温度变化。热敏电阻确保了SMA马达系统在不同温度条件下的可靠性和性能方面发挥着至关重要的作用。鉴于SMA的物理特性（以及它们的驱动特性）对温度变化很敏感，所以来自热敏电阻的反馈至关重要。
形状记忆合金马达
SMA马达是摄像头模组生态系统中的核心，CML专门针对了精确控制AF和OIS的运动进行了优化。通过CM824驱动芯片控制摄像头SMA马达，确保马达能够动态响应对焦和防抖的机械需求以及环境因素。
图4：智能手机摄像头SMA马达的种类
总结
CML设计并提供了一个完整的SMA系统解决方案，该解决方案集成了先进的硬件和软件控制SMA马达，用于智能手机摄像头的自动对焦和光学防抖。该系统适用于现有架构，在提高SMA产品的摄像头性能前提下，为OEM和制造商提供简化的解决方案。SMA解决方案避免使用位置传感器来降低控制回路频率。通过专注于易集成性和产品性能，CML能够巩固其作为智能手机摄像头SMA马达领域的创新者和领导者的地位。
关于CML：康郡机电有限公司（CML）是一家世界领先的研发公司，利用其形状记忆合金（SMA）平台整合技术，提供从机械、光学、电气、半导体到软件设计方面的系统级解决方案。采用SMA线（大小细如发丝）的马达解决方案，可以控制到亚微米级的精度。这些马达特别适用于生产快速和结构紧凑的轻便设计，并同时提供需要高精度和高强度的应用。
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