高电流LED驱动技术浅谈

　　LED照明作为一种全新的照明技术，得到了全世界的关注，被誉为人类照明史上的第三次革命。与相对传统的卤素低压照明相比，采用高亮度LED作为室内装饰灯、景观照明、车载照明具有很多好处。高亮度LED能以更小的功率消耗提供更大的亮度，具有节能、环保、抗震、使用寿命长和快速接通的特点。
   　　在今日的行动电话中，一项最风行的特点就是内建可拍摄高分辨率相片及影像的数字相机。随着宽频3G网络的产生，对于高相片分辨率及如视讯会议等新应用的需求，持续提升着整合式相机的效能。相机效能的提升同样也创造了对在室内或在灰暗环境使用相机之高功率白光光源的需求。
   　　白光LED不仅广泛地使用在背投照明颜色显示，更已成为照相手机主要光源之一。白光LED具有行动电话设计者所需的理想特性整合，如小尺寸、高亮度输出及提供「Flash」及连续性的「Video」物体照明功能。高输出功率LED更已被发展出特别适用于整合式相机光源之用途，以其能相当胜任物体照明的任务而言，这些相机LED代表了电池供电的另一个重要需求。
   　　驱动高电流白光LED有三重点
   　　从系统设计者的观点而言，驱动高电流白光LED有三项主要相关问题：1.提供一个有效率供电源；2.调节LED电流；3.当相机灯光关闭时，确保LED完全从电源端切断。高电流白光LED之电力运转如同一般二极管，但以一个3.4V顺向电压传送，或以一个「典型的」350mA顺向电流操作(表1)。
   　　较高的LED电流(「Flash」模式，500mA-700mA+)导致较高的顺向电压，较低的电流(「Torch」或「Video」模式，100mA-350mA)则产生较低的顺向电压。而顺向电压也会随温度呈反相变化，如同其它二极管在操作温度范围内，其顺向电压会随着温度的上升产生数百毫伏特的飘移。因此，有效率的供电于LED是相当具有挑战性的，因为LED的顺向电压将依据操作状况而高或低于锂电池电压。
   　　使用两个以上的LED如果一个相机灯光使用两个或多个平行的LED，额外的供应将因精准电流匹配而成为必须－因顺向压差于任两个LED之间可能差异很大，其中最明显的应变办法是串连LED连接，而此为一个升压转换器能应付得宜的，然而，如果一个并联连接是必须的，则此方案则须提供每个LED独立的电流控制，不管在哪种状况，此电流控制电路应尽可能地将跨在电流检测电阻上的电压降控制到最小，而相机灯光应用的另一个复杂因素是可见光的存在，这是由一个在顺向电流降到微安培级数时高电流LED所产生。在缺少一个既有LED可切断连接的情形下，一个独立且与LED串联的开关将是必须的，以确保在关机时无电流流经此LED。
   　　采用升压转换器
   　　最常见驱动高电流LED的解决方案，是利用一个传统升压DC/DC转换器，搭配一个从FB针脚至GND的电阻器以调节LED电流。以此方式，升压转换器的输出会连结至LED正极，而LED电流则由阴极经FB电阻器流至接地端。其输出电压会一直上升直到LED电流达到FB电阻器的设定值，亦即直到跨在FB电阻器两端的电压降到FB伺服电压，虽然此方式提供精确的电流调节，但也有很多缺点，最严重的是效率不佳，虽然这仍是具争议性的，因为在短时间「Flash」的应用场合中，高效率并不是主要的，而「Torch」或「Video」模式效能将因此模式潜在的长时间操作而成为关键，不幸的是，升压转换器效能在「Torch」模式状态下是最低的。
   　　以一个升压式的电路架构(BoostTopology)而言，输入电流将保证大于或相等于输出电流，因为LED顺向电压通常低于电池电压许多，即使在最佳情况下，相对于一个降压或全桥式架构而言，升压架构效率也不佳。此外，由于升压转换器无法控制输出电压低于VIN，一个相对高FB电压因而成为必须，以确保调节器永远为升压，此为以高VIN及低VLED状态调节LED电流所必须。对于高VFB的需求加重了效率的流失，因为ILED×VFB代表额外的功率损失。在多数高电流相机灯光应用中，60%～70%范围内的PLED/PIN效率为一般升压式电路架构之典型值，基于典型高电流LED的特征，一个最佳化的LED驱动器应在当最小电压下落于电流控制电路调节LED电流时，能达到降压及升压DC/DC转换。
   　　设计高效能供电/电流控制方案
   　　即使以一个高功率LCD产生明显灯光是简单的，但以现有设计生产一个高效能供电及电流控制方案却非常困难。电池寿命将持续因这些上述未经改善问题的电源供应IC之应用而受损。以LinearTechnology的LTC3453为例，LTC3453为最佳化效率、高精准度及高电流相机灯光应用之LED电流控制的新产品设计范例。LTC3453使用一个同步的降压/升压供电架构，可程序的低落差电流来源以进行LED电流调节，此部分依照VIN及LED顺向电压自动地转换于同步降压，同步升压及Four-Switch降压/升压模式，每个电流来源拥有各自独立的控制回线，并能调节电流于非常低的LED针脚电压，以使电流流失达到最小。真正的LED切断能藉由禁止电流来源轻易达成。四个LED电流来源(LED1至LED4)能以各自独立的LED平行连接，或系在一起以驱动一个单一高输出LED。藉由将VOUT调节在最小电压以保持让所有电流源处在调节状况，使得整体效率达到最佳化。以其同部降压-升压电路架构，「Torch」模式可在完全锂电池及LED顺向电压范围-一个20%至30%提升对于一般升压架构方案，达到大于90%的效率。
   　　如此零组件效能跃进之需求，在3G网络使得手机的新应用更广泛而逐渐增加，新功能将在市场中牵引着新的影响，例如内建相机与闪光灯的整合式相机将在效能上经历快速的改变。在此趋势下，高效能零组件将是应对各项新应用之电池续航力冲击最小之方案，满足手机设计者针对快速变化需求之本质。
   　　虽然LED驱动市场前景可观，但仍有一些技术挑战，目前面临主要的挑战有：第一，以大调光比高效率对LED调光，保证高、低亮度色度不变的同时，降低对系统的干扰和EMI；第二，配合系统设计，对LED温度进行有效的检测和控制，保证LED可靠的工作，体现其寿命长和使用成本的优势。