在手機照相機光源應用領(lǐng)域驅動(dòng)大電流LED的高性能技術(shù)

引言

當前在手機中比較流行的一種功能就是內置能夠拍攝高分辨率靜止和視頻圖像的數碼相機。隨著(zhù)寬帶寬 3G  網(wǎng)絡(luò )的不斷擴大，對更高的照片分辨率以及新應用領(lǐng)域 (如視頻會(huì )議) 的需求不斷提升了集成相機的性能指標。相機性能的增強對相機于室內或昏暗光線(xiàn)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，也成為在具相機功能的手機主要光源。白光 LED 具備了當前手機設計者所需的性能結合：小尺寸、大的光輸出、以及能夠提供“閃光”或連續“視頻”景物照明。開(kāi)發(fā)大輸出功率 LED 以專(zhuān)門(mén)用于集成照相機光源。雖然這些專(zhuān)用的照相機 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(gè)重要因素。 設計和實(shí)現從設計者的觀(guān)點(diǎn)來(lái)講，有三個(gè)主要問(wèn)題與驅動(dòng)大電流白光LED有關(guān)：1）提供高效的電源；2）調整LED電流；3）在相機光源關(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(lèi)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(jiàn)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(lái)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(zhù)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工作溫度范圍內都會(huì )產(chǎn)生數百mV的漂移。因此，有效地給LED提供電源是非常具挑戰性，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。驅動(dòng)大電流LED的最常用解決方案是包含一個(gè)傳統的升壓型DC/DC轉換器，并在FB管腳到GND上裝一個(gè)電阻用來(lái)調整LED的電流?；谶@種方法，升壓轉換器的輸出與LED的陽(yáng)極相連，LED的電流從陰極流過(guò)FB電阻到地。輸出電壓被提升直至LED電流達到由FB電阻器所設置的值，也就是直到FB電阻器上的壓降達到FB伺服電壓。同時(shí)這種方法提供了精確的調節，但也有明顯的缺點(diǎn)，其中最嚴重的就是效率低?？蔂幷摰氖窃诙虝r(shí)間的“閃光” 應用中，高效率并不重要，但在“手電筒” 或“視頻” 模式下，由于運作時(shí)間較長(cháng)，效率就比較重要了。

不幸的是在“手電筒” 模式下的升壓型轉換器性能是最差的。在升壓拓撲結構下，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撲結構其升壓效率也是非常低。而且，由于升壓型轉換器無(wú)法良好控制低于VIN的輸入電壓，因此需要一個(gè)相對較高值的FB電壓以保證穩壓器總是升壓。這對調整高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(huì )進(jìn)一步損失效率。在大多數大電流相機光源應用中，普通升壓拓撲結構的PLED/PIN效率在60%到70% 之間。因為具有典型的大電流LED的特點(diǎn)，一個(gè)優(yōu)化的LED驅動(dòng)器應適用于降壓和升壓 DC/DC 轉換，同時(shí)能夠于最小壓降范圍內在電流控制電路中調整LED的電流。如果在一個(gè)相機光源中使用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，解決方案必須能夠對每個(gè)LED提供獨立的電流控制。在任何一種方式下，電流控制電路在電流感測電阻上應產(chǎn)生盡可能低的壓降。相機光源應用中的另一個(gè)復雜點(diǎn)是從具有低至微安級正向電流的大電流LED中出現可見(jiàn)光。沒(méi)有固有的LED斷接，需要將一個(gè)獨立的開(kāi)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(guò)。用大功率LED產(chǎn)生可見(jiàn)光的基本工作是非常簡(jiǎn)單的，但是在現有設計上要產(chǎn)生高性能電源和電流控制解決方案就非常困難。在這些應用中，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的電源IC來(lái)解決上述問(wèn)題的話(huà)，電池壽命仍會(huì )受到損失。

凌特公司的LTC3453是專(zhuān)門(mén)在大電流相機光源領(lǐng)域中優(yōu)化效率、準確度以及控制LED電流的產(chǎn)品（見(jiàn)圖1）。

來(lái)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-升壓型電源結構和可編程的低壓降電流源以調整LED電流。器件根據VIN和LED正向電壓，在同步降壓、同步升壓、以及4個(gè)開(kāi)關(guān)降壓-升壓模式下自動(dòng)轉換。每個(gè)電流源都具有自己獨立的控制環(huán)路，能夠在非常低的LED引腳電壓下調整電流以減少功耗。真正的LED斷接可通過(guò)關(guān)斷電流源來(lái)實(shí)現。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動(dòng)單個(gè)大輸出的LED。通過(guò)需要保證所有電流源處于穩壓狀態(tài)下的最低電壓調節VOUT可使整體效率優(yōu)化。

在同步降壓-升壓拓撲結構下，于整個(gè)鋰離子電池和LED正向電壓范圍內，"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%。 結語(yǔ)隨著(zhù)3G網(wǎng)絡(luò )使手機具備更多新的應用，這使對器件性能躍進(jìn)的需求不斷加增。能牽動(dòng)市場(chǎng)的新特點(diǎn) (如用內置照相機光源集成的照相機) 在性能上正快速改變，一般情況下都使已經(jīng)不堪重負的電池負擔更重。如LTC3453專(zhuān)為高性能而設的器件為滿(mǎn)足手機設計者對快速變化的需求并在新應用中對電池壽命有最小影響的解決方案是非常重要。