電源管理在LED照明領(lǐng)域遭遇技術(shù)挑戰(zhàn)

　　將如今的便攜式消費類電子設(shè)備與幾年以前的進(jìn)行相比，你會明白為什么照明已成為主要的電源管理挑戰(zhàn)。具有單個無源LCD面板的手持設(shè)備正在迅速被淘汰。如今的設(shè)備都具備高性能、高分辨率、2.5～3英寸對角線彩色顯示屏，以支持涵蓋從互聯(lián)網(wǎng)接入和移動電視到視頻回放的整個范圍的應(yīng)用。

　　典型的，這些顯示屏需要4個或更多用于背光的LED和驅(qū)動器。許多手持設(shè)備(特別是翻蓋式設(shè)計)都增加了一個較小的副顯示屏，以顯示時間、日期和連接性等基本信息。這些副顯示屏通常比主顯示屏需要多一到兩個LED用于背光功能。

隨著設(shè)計工程師發(fā)現(xiàn)時尚照明在產(chǎn)品差異化中的重要作用，如今的許多便攜式電子設(shè)備都需要額外的電源電路來驅(qū)動輔助RGB狀態(tài)燈和鍵盤背光。

內(nèi)置相機(jī)功能具有復(fù)雜度更高的電源電路設(shè)計。這些功能一般通過以高電流在極短的持續(xù)時間內(nèi)驅(qū)動少量LED來提供閃光燈。但是當(dāng)手持設(shè)備制造商最初開始引進(jìn)這個功能時，他們采用的是不到100萬象素的CCD，這就要求閃光燈驅(qū)動器的電流不超過100mA。如今的手持設(shè)備設(shè)計工程師正在集成分辨率高得多的CCD，這種CCD要求高達(dá)600mA的電流僅用來驅(qū)動閃光功能，并提供足夠的光以獲得高照片分辨率。電影模式和閃光燈功能等較新的功能由于需要更低電平電源驅(qū)動LED以獲得更長的持續(xù)時間，而增加了電源電路的設(shè)計難度。

考慮到這些發(fā)展因素，就很容易理解為什么照明通常是手持設(shè)備中最耗電池的來源了。以前，設(shè)計工程師通過采用升壓轉(zhuǎn)換器或者電荷泵依靠單獨實現(xiàn)來提供他們的照明功能。但是隨著照明功能數(shù)量的增加和電源要求的提高，設(shè)計工程師需要更好的控制以處理光強(qiáng)度、管理色彩平衡并最大程度地提高功率。最終這些工程師轉(zhuǎn)向采用系統(tǒng)微控制器或者專用控制器，通過脈寬調(diào)制(PWM)控制來解決這些問題。

　　更簡單的設(shè)計

近年來，電源管理集成電路(PMIC)制造商已經(jīng)開發(fā)出各種旨在為工程師提供更高級別控制和簡化設(shè)計的IC。以美國國家半導(dǎo)體(NS)公司的LM27965為例，這個白光LED(WLED)驅(qū)動器可以驅(qū)動多達(dá)9個并聯(lián)的LED，總輸出高達(dá)180mA。為了最大程度地提高設(shè)計工程師的控制能力，可將輸出正向電流分成兩到三個獨立的控制組，并配置四到五個LED為主顯示屏提供背光；配置兩到三個LED為副顯示屏提供背光；配置單個獨立控制的驅(qū)動器來管理狀態(tài)或者指示燈LED。每組LED都通過標(biāo)準(zhǔn)I2C接口進(jìn)行控制。

雖然基于感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器的解決方案仍在許多應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)勢。但是在許多情況下，制造商都開始轉(zhuǎn)向采用混合模式或分?jǐn)?shù)電荷泵來驅(qū)動緊湊型便攜式應(yīng)用中的WLED，并且不再需要大感應(yīng)器。雖然固定升壓電荷泵中的輸出是采用單獨的電阻進(jìn)行調(diào)制的，但是LED電流匹配和效率可能受到影響。采用混合模式電荷泵時，可對輸出電壓進(jìn)行調(diào)制以維持每個LED的恒定電流，從而使得設(shè)計工程師更加準(zhǔn)確地匹配電流源。

與許多競爭產(chǎn)品相似的是，凌力爾特(LinearTechnology)公司8月發(fā)布的LTC3219采用多模電荷泵，該器件可在1倍模式下導(dǎo)通，然后當(dāng)任何使能LED電流源接近電壓降時自動轉(zhuǎn)換至升壓或者1.5倍模式。

隨后的電壓降將該器件轉(zhuǎn)換至雙倍(2x)模式。為了支持主副顯示屏和RGB照明要求，該器件驅(qū)動了9個可單獨配置的電流源。

與NS的器件一樣，凌力爾特的器件中的每個電流源都通過雙線I2C串行接口采用數(shù)字方式控制灰度、亮度、閃光和分級調(diào)節(jié)。

早期的WLED需要相對較高的正向電壓和電流以達(dá)到理想的發(fā)光度。但是最近的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)允許制造商生產(chǎn)能夠在10mA以下電流工作的WLED。這些器件可在比以前低的正向電壓下工作。最近的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)允許PMIC制造商開始提供線性匹配的獨立電流源，由于不再需要大多數(shù)外部器件而降低了成本并減少了占位面積。

再例如，TI的TPS75105提供一個四通道LDO，并且在極其緊湊的1.2×1.2mm封裝里的兩個槽中附帶多達(dá)四個LED的匹配LED恒流驅(qū)動器。該產(chǎn)品不再需要感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器所需的感應(yīng)器、輸出電容和/或反饋電阻，或者采用混合模式電荷泵實現(xiàn)穩(wěn)定性所需的開關(guān)電容和輸入/輸出電容。

相機(jī)閃光功能的驅(qū)動是一個難度更大的挑戰(zhàn)。設(shè)計工程師必須在規(guī)定時間范圍內(nèi)提供適量的光，并且不超過系統(tǒng)的功耗限制或者LED的散熱限制。由于基本開/關(guān)控制不充分，許多設(shè)計工程師轉(zhuǎn)向采用由同時協(xié)調(diào)閃光子系統(tǒng)和相機(jī)快門的系統(tǒng)微控制器運行的算法。最近推出的各種智能LED閃光燈控制器已經(jīng)具備更高效的發(fā)光控制。例如，今年早些時候，恩智浦半導(dǎo)體(NXP)公司發(fā)布了UBA3001，該器件是LED閃光燈驅(qū)動器系列的首個器件，可在整個電壓范圍內(nèi)支持高達(dá)90%的效率水平的同時，為單個高亮度LED提供高達(dá)1A的電流以支持帶高分辨率攝像頭的手機(jī)。這款新IC還提供用于手電筒模式和照相/錄像模式的完全電流設(shè)置控制。

節(jié)省空間

當(dāng)然，PCB的占位空間對于空間受限的便攜式應(yīng)用始終是相當(dāng)珍貴的。五月份，Micrel公司發(fā)布了用于嵌入式相機(jī)的基于升壓轉(zhuǎn)換器的閃光燈驅(qū)動器MIC2298，該器件具備200萬象素以上的分辨率，可為兩個串聯(lián)LED提供1A的電流。該器件采用3～3mm MLF封裝，只需要一個緊湊的2uH感應(yīng)器和小型陶瓷電容器。

其他制造商正在通過將范圍更廣的照明功能集成到器件中來幫助設(shè)計工程師在節(jié)省板占位空間的同時減少元器件數(shù)量并降低成本。對于在手機(jī)的上半部分嵌入LCD和相機(jī)模塊的空間受限的直板手機(jī)、折疊手機(jī)或滑蓋手機(jī)，美信(Maxim)公司最近發(fā)布了一個WLED驅(qū)動器系列，該系列在微型4×4mm的封裝內(nèi)加入了兩個用來驅(qū)動相機(jī)模塊的可編程200mA LDO。Max 8645X和8645Y采用分?jǐn)?shù)電荷泵在最高30mA的電流下驅(qū)動多達(dá)六個WLED，并且具有五位調(diào)光精度。這些器件還可以在最高200mA的電流下驅(qū)動兩個WLED，以用于相機(jī)閃光燈應(yīng)用。

同樣，研諾邏輯(AnalogicTech)公司也發(fā)布了基于電荷泵的AAT2846，該器件將6個背光驅(qū)動器、2個閃光燈驅(qū)動器和2個通用LDO與2個獨立的單線數(shù)字接口集成在單個IC上。這允許設(shè)計工程師構(gòu)建一個提供獨立的背光和閃光燈功能控制的解決方案，并允許他們通過大量設(shè)置對這些控制進(jìn)行編程。6個背光輸出可以通過合成用于單個大顯示器，或者分成5+1配置用于主副顯示屏。