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电源管理在LED照明领域遭遇技术挑战

类别:行业资讯 发布时间:2011-12-12

  将如今的便携式消费类电子设备与几年以前的进行相比,你会明白为什么照明已成为主要的电源管理挑战。具有单个无源LCD面板的手持设备正在迅速被淘汰。如今的设备都具备高性能、高分辨率、2.5~3英寸对角线彩色显示屏,以支持涵盖从互联网接入和移动电视到视频回放的整个范围的应用。
  典型的,这些显示屏需要4个或更多用于背光的LED和驱动器。许多手持设备(特别是翻盖式设计)都增加了一个较小的副显示屏,以显示时间、日期和连接性等基本信息。这些副显示屏通常比主显示屏需要多一到两个LED用于背光功能。
        随着设计工程师发现时尚照明在产品差异化中的重要作用,如今的许多便携式电子设备都需要额外的电源电路来驱动辅助RGB状态灯和键盘背光。
        内置相机功能具有复杂度更高的电源电路设计。这些功能一般通过以高电流在极短的持续时间内驱动少量LED来提供闪光灯。但是当手持设备制造商最初开始引进这个功能时,他们采用的是不到100万象素的CCD,这就要求闪光灯驱动器的电流不超过100mA。如今的手持设备设计工程师正在集成分辨率高得多的CCD,这种CCD要求高达600mA的电流仅用来驱动闪光功能,并提供足够的光以获得高照片分辨率。电影模式和闪光灯功能等较新的功能由于需要更低电平电源驱动LED以获得更长的持续时间,而增加了电源电路的设计难度。
        考虑到这些发展因素,就很容易理解为什么照明通常是手持设备中最耗电池的来源了。以前,设计工程师通过采用升压转换器或者电荷泵依靠单独实现来提供他们的照明功能。但是随着照明功能数量的增加和电源要求的提高,设计工程师需要更好的控制以处理光强度、管理色彩平衡并最大程度地提高功率。最终这些工程师转向采用系统微控制器或者专用控制器,通过脉宽调制(PWM)控制来解决这些问题。
  更简单的设计
        近年来,电源管理集成电路(PMIC)制造商已经开发出各种旨在为工程师提供更高级别控制和简化设计的IC。以美国国家半导体(NS)公司的LM27965为例,这个白光LED(WLED)驱动器可以驱动多达9个并联的LED,总输出高达180mA。为了最大程度地提高设计工程师的控制能力,可将输出正向电流分成两到三个独立的控制组,并配置四到五个LED为主显示屏提供背光;配置两到三个LED为副显示屏提供背光;配置单个独立控制的驱动器来管理状态或者指示灯LED。每组LED都通过标准I2C接口进行控制。
        虽然基于感应升压转换器的解决方案仍在许多应用中表现出优势。但是在许多情况下,制造商都开始转向采用混合模式或分数电荷泵来驱动紧凑型便携式应用中的WLED,并且不再需要大感应器。虽然固定升压电荷泵中的输出是采用单独的电阻进行调制的,但是LED电流匹配和效率可能受到影响。采用混合模式电荷泵时,可对输出电压进行调制以维持每个LED的恒定电流,从而使得设计工程师更加准确地匹配电流源。
        与许多竞争产品相似的是,凌力尔特(LinearTechnology)公司8月发布的LTC3219采用多模电荷泵,该器件可在1倍模式下导通,然后当任何使能LED电流源接近电压降时自动转换至升压或者1.5倍模式。
        随后的电压降将该器件转换至双倍(2x)模式。为了支持主副显示屏和RGB照明要求,该器件驱动了9个可单独配置的电流源。
        与NS的器件一样,凌力尔特的器件中的每个电流源都通过双线I2C串行接口采用数字方式控制灰度、亮度、闪光和分级调节。
        早期的WLED需要相对较高的正向电压和电流以达到理想的发光度。但是最近的技术进步已经允许制造商生产能够在10mA以下电流工作的WLED。这些器件可在比以前低的正向电压下工作。最近的技术发展已经允许PMIC制造商开始提供线性匹配的独立电流源,由于不再需要大多数外部器件而降低了成本并减少了占位面积。
        再例如,TI的TPS75105提供一个四通道LDO,并且在极其紧凑的1.2×1.2mm封装里的两个槽中附带多达四个LED的匹配LED恒流驱动器。该产品不再需要感应升压转换器所需的感应器、输出电容和/或反馈电阻,或者采用混合模式电荷泵实现稳定性所需的开关电容和输入/输出电容。
        相机闪光功能的驱动是一个难度更大的挑战。设计工程师必须在规定时间范围内提供适量的光,并且不超过系统的功耗限制或者LED的散热限制。由于基本开/关控制不充分,许多设计工程师转向采用由同时协调闪光子系统和相机快门的系统微控制器运行的算法。最近推出的各种智能LED闪光灯控制器已经具备更高效的发光控制。例如,今年早些时候,恩智浦半导体(NXP)公司发布了UBA3001,该器件是LED闪光灯驱动器系列的首个器件,可在整个电压范围内支持高达90%的效率水平的同时,为单个高亮度LED提供高达1A的电流以支持带高分辨率摄像头的手机。这款新IC还提供用于手电筒模式和照相/录像模式的完全电流设置控制。
        节省空间
        当然,PCB的占位空间对于空间受限的便携式应用始终是相当珍贵的。五月份,Micrel公司发布了用于嵌入式相机的基于升压转换器的闪光灯驱动器MIC2298,该器件具备200万象素以上的分辨率,可为两个串联LED提供1A的电流。该器件采用3~3mm MLF封装,只需要一个紧凑的2uH感应器和小型陶瓷电容器。
        其他制造商正在通过将范围更广的照明功能集成到器件中来帮助设计工程师在节省板占位空间的同时减少元器件数量并降低成本。对于在手机的上半部分嵌入LCD和相机模块的空间受限的直板手机、折叠手机或滑盖手机,美信(Maxim)公司最近发布了一个WLED驱动器系列,该系列在微型4×4mm的封装内加入了两个用来驱动相机模块的可编程200mA LDO。Max 8645X和8645Y采用分数电荷泵在最高30mA的电流下驱动多达六个WLED,并且具有五位调光精度。这些器件还可以在最高200mA的电流下驱动两个WLED,以用于相机闪光灯应用。
        同样,研诺逻辑(AnalogicTech)公司也发布了基于电荷泵的AAT2846,该器件将6个背光驱动器、2个闪光灯驱动器和2个通用LDO与2个独立的单线数字接口集成在单个IC上。这允许设计工程师构建一个提供独立的背光和闪光灯功能控制的解决方案,并允许他们通过大量设置对这些控制进行编程。6个背光输出可以通过合成用于单个大显示器,或者分成5+1配置用于主副显示屏。
 

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