- 高電流LED驅動技術淺談
- 采用升壓轉換器
- 設計高效能供電/電流控制方案
LED照明作為一種全新的照明技術，得到了全世界的關注，被譽為人類照明史上的第三次革命。與相對傳統的鹵素低壓照明相比，采用高亮度LED作為室內裝飾燈、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，具有節能、環保、抗震、使用壽命長和快速接通的特點。
在今日的行動電話中，一項最風行的特點就是內建可拍攝高分辨率相片及影像的數字相機。隨著寬頻3G網絡的產生，對于高相片分辨率及如視訊會議等新應用的需求，持續提升著整合式相機的效能。相機效能的提升同樣也創造了對在室內或在灰暗環境使用相機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，更已成為照相手機主要光源之一。白光LED具有行動電話設計者所需的理想特性整合，如小尺寸、高亮度輸出及提供「Flash」及連續性的「Video」物體照明功能。高輸出功率LED更已被發展出特別適用于整合式相機光源之用途，以其能相當勝任物體照明的任務而言，這些相機LED代表了電池供電的另一個重要需求。
驅動高電流白光LED有三重點
從系統設計者的觀點而言，驅動高電流白光LED有三項主要相關問題：1.提供一個有效率供電源；2.調節LED電流；3.當相機燈光關閉時，確保LED完全從電源端切斷。高電流白光LED之電力運轉如同一般二極管，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+)導致較高的順向電壓，較低的電流(「Torch」或「Video」模式，100mA-350mA)則產生較低的順向電壓。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，其順向電壓會隨著溫度的上升產生數百毫伏特的飄移。因此，有效率的供電于LED是相當具有挑戰性的，因為LED的順向電壓將依據操作狀況而高或低于鋰電池電壓。
使用兩個以上的LED如果一個相機燈光使用兩個或多個平行的LED，額外的供應將因精準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，其中最明顯的應變辦法是串連LED連接，而此為一個升壓轉換器能應付得宜的，然而，如果一個并聯連接是必須的，則此方案則須提供每個LED獨立的電流控制，不管在哪種狀況，此電流控制電路應盡可能地將跨在電流檢測電阻上的電壓降控制到最小，而相機燈光應用的另一個復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時高電流LED所產生。在缺少一個既有LED可切斷連接的情形下，一個獨立且與LED串聯的開關將是必須的，以確保在關機時無電流流經此LED。
采用升壓轉換器
最常見驅動高電流LED的解決方案，是利用一個傳統升壓DC/DC轉換器，搭配一個從FB針腳至GND的電阻器以調節LED電流。以此方式，升壓轉換器的輸出會連結至LED正極，而LED電流則由陰極經FB電阻器流至接地端。其輸出電壓會一直上升直到LED電流達到FB電阻器的設定值，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節，但也有很多缺點，最嚴重的是效率不佳，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鍵，不幸的是，升壓轉換器效能在「Torch」模式狀態下是最低的。
以一個升壓式的電路架構(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而言，升壓架構效率也不佳。此外，由于升壓轉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，以確保調節器永遠為升壓，此為以高VIN及低VLED狀態調節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。在多數高電流相機燈光應用中，60%～70%范圍內的PLED/PIN效率為一般升壓式電路架構之典型值，基于典型高電流LED的特征，一個最佳化的LED驅動器應在當最小電壓下落于電流控制電路調節LED電流時，能達到降壓及升壓DC/DC轉換。
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設計高效能供電/電流控制方案
即使以一個高功率LCD產生明顯燈光是簡單的，但以現有設計生產一個高效能供電及電流控制方案卻非常困難。電池壽命將持續因這些上述未經改善問題的電源供應IC之應用而受損。以LinearTechnology的LTC3453為例，LTC3453為最佳化效率、高精準度及高電流相機燈光應用之LED電流控制的新產品設計范例。LTC3453使用一個同步的降壓/升壓供電架構，可程序的低落差電流來源以進行LED電流調節，此部分依照VIN及LED順向電壓自動地轉換于同步降壓，同步升壓及Four-Switch降壓/升壓模式，每個電流來源擁有各自獨立的控制回線，并能調節電流于非常低的LED針腳電壓，以使電流流失達到最小。真正的LED切斷能藉由禁止電流來源輕易達成。四個LED電流來源(LED1至LED4)能以各自獨立的LED平行連接，或系在一起以驅動一個單一高輸出LED。藉由將VOUT調節在最小電壓以保持讓所有電流源處在調節狀況，使得整體效率達到最佳化。以其同部降壓-升壓電路架構，「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方案，達到大于90%的效率。
如此零組件效能躍進之需求，在3G網絡使得手機的新應用更廣泛而逐漸增加，新功能將在市場中牽引著新的影響，例如內建相機與閃光燈的整合式相機將在效能上經歷快速的改變。在此趨勢下，高效能零組件將是應對各項新應用之電池續航力沖擊最小之方案，滿足手機設計者針對快速變化需求之本質。
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