在手機(jī)照相機(jī)光源應(yīng)用領(lǐng)域驅(qū)動大電流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，對更高的照片分辨率以及新應(yīng)用領(lǐng)域 (如視頻會議) 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，有三個主要問題與驅(qū)動大電流白光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“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。正向電壓還會隨著溫度的上升而下降，正如任何一個二極管的正向電壓在手機(jī)工作溫度范圍內(nèi)都會產(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的正向電壓會因工作條件的不同可能會高于或低于鋰離子電池的電壓。驅(qū)動大電流LED的最常用解決方案是包含一個傳統(tǒng)的升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，并在FB管腳到GND上裝一個電阻用來調(diào)整LED的電流。基于這種方法，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，因此需要一個相對較高值的FB電壓以保證穩(wěn)壓器總是升壓。這對調(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，因此對高VFB的需要會進(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)，一個優(yōu)化的LED驅(qū)動器應(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。如果在一個相機(jī)光源中使用2個或更多的并聯(lián)LED，由于在任何2個LED之間的正向壓降會有很大的變化，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€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)用中的另一個復(fù)雜點(diǎn)是從具有低至微安級正向電流的大電流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個開關(guān)降壓-升壓模式下自動轉(zhuǎn)換。每個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)動單個大輸出的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，這使對器件性能躍進(jìn)的需求不斷加增。能牽動市場的新特點(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)者對快速變化的需求并在新應(yīng)用中對電池壽命有最小影響的解決方案是非常重要。