在手機(jī)照相機(jī)光源應(yīng)用領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)大電流LED的高性能技術(shù)

引言

當(dāng)前在手機(jī)中比較流行的一種功能就是內(nèi)置能夠拍攝高分辨率靜止和視頻圖像的數(shù)碼相機(jī)。隨著寬帶寬 3G  網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，對(duì)更高的照片分辨率以及新應(yīng)用領(lǐng)域 (如視頻會(huì)議) 的需求不斷提升了集成相機(jī)的性能指標(biāo)。相機(jī)性能的增強(qiáng)對(duì)相機(jī)于室內(nèi)或昏暗光線下使用時(shí)的大功率白光源也提出了更高的需求。

白光 LED 早已廣泛用于彩色顯示器背光，也成為在具相機(jī)功能的手機(jī)主要光源。白光 LED 具備了當(dāng)前手機(jī)設(shè)計(jì)者所需的性能結(jié)合：小尺寸、大的光輸出、以及能夠提供“閃光”或連續(xù)“視頻”景物照明。開發(fā)大輸出功率 LED 以專門用于集成照相機(jī)光源。雖然這些專用的照相機(jī) LED 非常適用于對(duì)景物進(jìn)行照明，但它們同時(shí)也是消耗電池功率的另一個(gè)重要因素。 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)者的觀點(diǎn)來講，有三個(gè)主要問題與驅(qū)動(dòng)大電流白光LED有關(guān)：1）提供高效的電源；2）調(diào)整LED電流；3）在相機(jī)光源關(guān)閉時(shí)，保證LED與電源完全斷接。大電流白光LED的電特性類似普通的二極管，但其正向電壓為3.4V或有一個(gè)“典型的” 350mA正向工作電流（見表1）。

表 1  大功率白光LED的典型正向電壓特性 Current(mA) VOLTS Min. VOLTS Typ. VOLTS MAX 200 2.78 3.27 3.77 350 2.79 3.24 3.99 700 3.05 3.76 4.47 1000 3.16 3.95 4.88 來源: Lumileds Lighting U.S. LLC 更大的LED電流（"閃光" 模式，500mA - 700mA）會(huì)引起更高的正向電壓。

較低的電流（"手電筒" 或 "視頻" 模式，100mA - 350mA）產(chǎn)生較低的正向電壓。正向電壓還會(huì)隨著溫度的上升而下降，正如任何一個(gè)二極管的正向電壓在手機(jī)工作溫度范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生數(shù)百mV的漂移。因此，有效地給LED提供電源是非常具挑戰(zhàn)性，LED的正向電壓會(huì)因工作條件的不同可能會(huì)高于或低于鋰離子電池的電壓。驅(qū)動(dòng)大電流LED的最常用解決方案是包含一個(gè)傳統(tǒng)的升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，并在FB管腳到GND上裝一個(gè)電阻用來調(diào)整LED的電流?；谶@種方法，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出與LED的陽極相連，LED的電流從陰極流過FB電阻到地。輸出電壓被提升直至LED電流達(dá)到由FB電阻器所設(shè)置的值，也就是直到FB電阻器上的壓降達(dá)到FB伺服電壓。同時(shí)這種方法提供了精確的調(diào)節(jié)，但也有明顯的缺點(diǎn)，其中最嚴(yán)重的就是效率低?？蔂幷摰氖窃诙虝r(shí)間的“閃光” 應(yīng)用中，高效率并不重要，但在“手電筒” 或“視頻” 模式下，由于運(yùn)作時(shí)間較長，效率就比較重要了。

不幸的是在“手電筒” 模式下的升壓型轉(zhuǎn)換器性能是最差的。在升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，輸入電流保證大于或等于輸出電流。由于LED正向電壓通常比電池電壓低，即使在最好的情況下，相對(duì)于降壓或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其升壓效率也是非常低。而且，由于升壓型轉(zhuǎn)換器無法良好控制低于VIN的輸入電壓，因此需要一個(gè)相對(duì)較高值的FB電壓以保證穩(wěn)壓器總是升壓。這對(duì)調(diào)整高VIN和低VLED條件下的LED電流是必需的。由于ILED * VFB代表額外的功耗，因此對(duì)高VFB的需要會(huì)進(jìn)一步損失效率。在大多數(shù)大電流相機(jī)光源應(yīng)用中，普通升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PLED/PIN效率在60%到70% 之間。因?yàn)榫哂械湫偷拇箅娏鱈ED的特點(diǎn)，一個(gè)優(yōu)化的LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)適用于降壓和升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換，同時(shí)能夠于最小壓降范圍內(nèi)在電流控制電路中調(diào)整LED的電流。如果在一個(gè)相機(jī)光源中使用2個(gè)或更多的并聯(lián)LED，由于在任何2個(gè)LED之間的正向壓降會(huì)有很大的變化，因此額外需要一些保證電流匹配精度的器件。最明顯的方法是將LED串聯(lián)，這樣升壓型轉(zhuǎn)換器能夠很好的工作。

然而，如果需要并聯(lián)連接，解決方案必須能夠?qū)γ總€(gè)LED提供獨(dú)立的電流控制。在任何一種方式下，電流控制電路在電流感測(cè)電阻上應(yīng)產(chǎn)生盡可能低的壓降。相機(jī)光源應(yīng)用中的另一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)是從具有低至微安級(jí)正向電流的大電流LED中出現(xiàn)可見光。沒有固有的LED斷接，需要將一個(gè)獨(dú)立的開關(guān)串聯(lián)在LED上，保證在關(guān)斷時(shí)，LED上不會(huì)有電流流過。用大功率LED產(chǎn)生可見光的基本工作是非常簡單的，但是在現(xiàn)有設(shè)計(jì)上要產(chǎn)生高性能電源和電流控制解決方案就非常困難。在這些應(yīng)用中，沒有專門的電源IC來解決上述問題的話，電池壽命仍會(huì)受到損失。

凌特公司的LTC3453是專門在大電流相機(jī)光源領(lǐng)域中優(yōu)化效率、準(zhǔn)確度以及控制LED電流的產(chǎn)品（見圖1）。

來源：凌特公司 

圖1  同步降壓-升壓型大功率LED控制器 LTC3453利用了一個(gè)同步的降壓-升壓型電源結(jié)構(gòu)和可編程的低壓降電流源以調(diào)整LED電流。器件根據(jù)VIN和LED正向電壓，在同步降壓、同步升壓、以及4個(gè)開關(guān)降壓-升壓模式下自動(dòng)轉(zhuǎn)換。每個(gè)電流源都具有自己獨(dú)立的控制環(huán)路，能夠在非常低的LED引腳電壓下調(diào)整電流以減少功耗。真正的LED斷接可通過關(guān)斷電流源來實(shí)現(xiàn)。4個(gè)LED電流源（LED 1到LED 4）可與并聯(lián)連接的LED使用，或連在一起以共同驅(qū)動(dòng)單個(gè)大輸出的LED。通過需要保證所有電流源處于穩(wěn)壓狀態(tài)下的最低電壓調(diào)節(jié)VOUT可使整體效率優(yōu)化。

在同步降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，于整個(gè)鋰離子電池和LED正向電壓范圍內(nèi)，"手電筒”模式的效率可大于90%，比普通升壓解決方案提高了20% 到30%。 結(jié)語隨著3G網(wǎng)絡(luò)使手機(jī)具備更多新的應(yīng)用，這使對(duì)器件性能躍進(jìn)的需求不斷加增。能牽動(dòng)市場的新特點(diǎn) (如用內(nèi)置照相機(jī)光源集成的照相機(jī)) 在性能上正快速改變，一般情況下都使已經(jīng)不堪重負(fù)的電池負(fù)擔(dān)更重。如LTC3453專為高性能而設(shè)的器件為滿足手機(jī)設(shè)計(jì)者對(duì)快速變化的需求并在新應(yīng)用中對(duì)電池壽命有最小影響的解決方案是非常重要。