- 高電流LED驅(qū)動技術(shù)淺談
- 采用升壓轉(zhuǎn)換器
- 設(shè)計高效能供電/電流控制方案
LED照明作為一種全新的照明技術(shù)，得到了全世界的關(guān)注，被譽(yù)為人類照明史上的第三次革命。與相對傳統(tǒng)的鹵素低壓照明相比，采用高亮度LED作為室內(nèi)裝飾燈、景觀照明、車載照明具有很多好處。高亮度LED能以更小的功率消耗提供更大的亮度，具有節(jié)能、環(huán)保、抗震、使用壽命長和快速接通的特點(diǎn)。
在今日的行動電話中，一項最風(fēng)行的特點(diǎn)就是內(nèi)建可拍攝高分辨率相片及影像的數(shù)字相機(jī)。隨著寬頻3G網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生，對于高相片分辨率及如視訊會議等新應(yīng)用的需求，持續(xù)提升著整合式相機(jī)的效能。相機(jī)效能的提升同樣也創(chuàng)造了對在室內(nèi)或在灰暗環(huán)境使用相機(jī)之高功率白光光源的需求。
白光LED不僅廣泛地使用在背投照明顏色顯示，更已成為照相手機(jī)主要光源之一。白光LED具有行動電話設(shè)計者所需的理想特性整合，如小尺寸、高亮度輸出及提供「Flash」及連續(xù)性的「Video」物體照明功能。高輸出功率LED更已被發(fā)展出特別適用于整合式相機(jī)光源之用途，以其能相當(dāng)勝任物體照明的任務(wù)而言，這些相機(jī)LED代表了電池供電的另一個重要需求。
驅(qū)動高電流白光LED有三重點(diǎn)
從系統(tǒng)設(shè)計者的觀點(diǎn)而言，驅(qū)動高電流白光LED有三項主要相關(guān)問題：1.提供一個有效率供電源；2.調(diào)節(jié)LED電流；3.當(dāng)相機(jī)燈光關(guān)閉時，確保LED完全從電源端切斷。高電流白光LED之電力運(yùn)轉(zhuǎn)如同一般二極管，但以一個3.4V順向電壓傳送，或以一個「典型的」350mA順向電流操作(表1)。
較高的LED電流(「Flash」模式，500mA-700mA+)導(dǎo)致較高的順向電壓，較低的電流(「Torch」或「Video」模式，100mA-350mA)則產(chǎn)生較低的順向電壓。而順向電壓也會隨溫度呈反相變化，如同其它二極管在操作溫度范圍內(nèi)，其順向電壓會隨著溫度的上升產(chǎn)生數(shù)百毫伏特的飄移。因此，有效率的供電于LED是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的，因為LED的順向電壓將依據(jù)操作狀況而高或低于鋰電池電壓。
使用兩個以上的LED如果一個相機(jī)燈光使用兩個或多個平行的LED，額外的供應(yīng)將因精準(zhǔn)電流匹配而成為必須－因順向壓差于任兩個LED之間可能差異很大，其中最明顯的應(yīng)變辦法是串連LED連接，而此為一個升壓轉(zhuǎn)換器能應(yīng)付得宜的，然而，如果一個并聯(lián)連接是必須的，則此方案則須提供每個LED獨(dú)立的電流控制，不管在哪種狀況，此電流控制電路應(yīng)盡可能地將跨在電流檢測電阻上的電壓降控制到最小，而相機(jī)燈光應(yīng)用的另一個復(fù)雜因素是可見光的存在，這是由一個在順向電流降到微安培級數(shù)時高電流LED所產(chǎn)生。在缺少一個既有LED可切斷連接的情形下，一個獨(dú)立且與LED串聯(lián)的開關(guān)將是必須的，以確保在關(guān)機(jī)時無電流流經(jīng)此LED。
采用升壓轉(zhuǎn)換器
最常見驅(qū)動高電流LED的解決方案，是利用一個傳統(tǒng)升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，搭配一個從FB針腳至GND的電阻器以調(diào)節(jié)LED電流。以此方式，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出會連結(jié)至LED正極，而LED電流則由陰極經(jīng)FB電阻器流至接地端。其輸出電壓會一直上升直到LED電流達(dá)到FB電阻器的設(shè)定值，亦即直到跨在FB電阻器兩端的電壓降到FB伺服電壓，雖然此方式提供精確的電流調(diào)節(jié)，但也有很多缺點(diǎn)，最嚴(yán)重的是效率不佳，雖然這仍是具爭議性的，因為在短時間「Flash」的應(yīng)用場合中，高效率并不是主要的，而「Torch」或「Video」模式效能將因此模式潛在的長時間操作而成為關(guān)鍵，不幸的是，升壓轉(zhuǎn)換器效能在「Torch」模式狀態(tài)下是最低的。
以一個升壓式的電路架構(gòu)(BoostTopology)而言，輸入電流將保證大于或相等于輸出電流，因為LED順向電壓通常低于電池電壓許多，即使在最佳情況下，相對于一個降壓或全橋式架構(gòu)而言，升壓架構(gòu)效率也不佳。此外，由于升壓轉(zhuǎn)換器無法控制輸出電壓低于VIN，一個相對高FB電壓因而成為必須，以確保調(diào)節(jié)器永遠(yuǎn)為升壓，此為以高VIN及低VLED狀態(tài)調(diào)節(jié)LED電流所必須。對于高VFB的需求加重了效率的流失，因為ILED×VFB代表額外的功率損失。在多數(shù)高電流相機(jī)燈光應(yīng)用中，60%～70%范圍內(nèi)的PLED/PIN效率為一般升壓式電路架構(gòu)之典型值，基于典型高電流LED的特征，一個最佳化的LED驅(qū)動器應(yīng)在當(dāng)最小電壓下落于電流控制電路調(diào)節(jié)LED電流時，能達(dá)到降壓及升壓DC/DC轉(zhuǎn)換。
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設(shè)計高效能供電/電流控制方案
即使以一個高功率LCD產(chǎn)生明顯燈光是簡單的，但以現(xiàn)有設(shè)計生產(chǎn)一個高效能供電及電流控制方案卻非常困難。電池壽命將持續(xù)因這些上述未經(jīng)改善問題的電源供應(yīng)IC之應(yīng)用而受損。以LinearTechnology的LTC3453為例，LTC3453為最佳化效率、高精準(zhǔn)度及高電流相機(jī)燈光應(yīng)用之LED電流控制的新產(chǎn)品設(shè)計范例。LTC3453使用一個同步的降壓/升壓供電架構(gòu)，可程序的低落差電流來源以進(jìn)行LED電流調(diào)節(jié)，此部分依照VIN及LED順向電壓自動地轉(zhuǎn)換于同步降壓，同步升壓及Four-Switch降壓/升壓模式，每個電流來源擁有各自獨(dú)立的控制回線，并能調(diào)節(jié)電流于非常低的LED針腳電壓，以使電流流失達(dá)到最小。真正的LED切斷能藉由禁止電流來源輕易達(dá)成。四個LED電流來源(LED1至LED4)能以各自獨(dú)立的LED平行連接，或系在一起以驅(qū)動一個單一高輸出LED。藉由將VOUT調(diào)節(jié)在最小電壓以保持讓所有電流源處在調(diào)節(jié)狀況，使得整體效率達(dá)到最佳化。以其同部降壓-升壓電路架構(gòu)，「Torch」模式可在完全鋰電池及LED順向電壓范圍-一個20%至30%提升對于一般升壓架構(gòu)方案，達(dá)到大于90%的效率。
如此零組件效能躍進(jìn)之需求，在3G網(wǎng)絡(luò)使得手機(jī)的新應(yīng)用更廣泛而逐漸增加，新功能將在市場中牽引著新的影響，例如內(nèi)建相機(jī)與閃光燈的整合式相機(jī)將在效能上經(jīng)歷快速的改變。在此趨勢下，高效能零組件將是應(yīng)對各項新應(yīng)用之電池續(xù)航力沖擊最小之方案，滿足手機(jī)設(shè)計者針對快速變化需求之本質(zhì)。
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