在手机相机光源应用中驱动大电流LED的技术方案

小尺寸、高亮度输出以及能够提供闪光或连续视频拍摄照明的大输出功率 LED已被开发专门用于手机相机的光源，但会使已经不堪重负的电池负担更重。本文探讨了在大电流手机相机光源应用中优化效率、准确度以及控制LED电流的电源IC产品和应用技术。

当前在手机中越来越流行的一种功能就是内置能够拍摄高分辨率静止和视频图像的数码相机。随着宽带宽3G网络的铺开，对更高的照片分辨率以及新应用领域(如视频会议)的需求不断提升集成式相机的性能指标。相机性能的增强对相机在室内或昏暗光线下使用时的大功率白光源也提出了更高的要求。白光LED早已广泛用于彩色显示器背光，也成为可拍照手机的主要光源。白光LED具备了时尚手机设计者所需的性能结合：小尺寸、高亮度输出以及能够提供闪光或连续视频拍摄照明。大输出功率LED已被开发专门用于集成式相机光源。虽然这些专用的相机LED非常适用于对景物进行照明，但它们同时也是消耗电池的另一个重要因素。

从系统设计者的观点来看，有三个主要问题与驱动大电流白光LED有关：1. 提供高效的电源；2. 调整LED电流；3. 在相机光源关闭时，保证LED与电源完全切断。大电流白光LED的电特性类似普通的二极管，但其正向电压为3.4V或有一个典型的350mA正向工作电流(见表1)。

更大的LED电流(“闪光”模式，500mA-700mA以上)会引起更高的正向电压。较低的电流(“手电筒”或“视频拍摄”模式，100mA-350mA)产生较低的正向电压。正向电压还会随着温度的上升而下降，正如任何一个二极管的正向电压在手机工作温度范围内都会产生数百毫伏的漂移。因此，有效地给LED提供电源非常具挑战性，LED的正向电压会因工作条件的不同可能高于或低于锂电池的电压。

驱动大电流LED的最常用解决方案是包含一个传统的升压型DC/DC转换器，并在FB管脚到GND上装一个电阻用来调整LED的电流。基于这种方法，升压转换器的输出与LED的阳极相连，LED的电流从阴极流过FB电阻到地。输出电压被提升直至LED电流达到由FB电阻所设置的值，也就是直到FB电阻上的压降达到FB伺服电压。尽管这种方法提供了精确的电流调节，但也有明显的缺点，其中最严重的就是效率低。尽管在短时间的“闪光”应用中，高效率并不重要，但在“手电筒”或“视频拍摄”模式下，由于工作时间较长，效率就显得很关键。不幸的是，在“手电筒” 模式下的升压型转换器性能表现最差。

在升压拓扑结构下，输入电流保证能大于或等于输出电流。由于LED正向电压通常比电池电压低，即使在最好的情况下，其升压效率也是非常低于降压或全桥拓扑结构。而且，由于升压型转换器无法控制输出电压良好地低于V_IN，因此需要一个相对较高的FB电压以保证稳压器总是升压。这对调整高V_IN和低V_LED条件下的LED电流是必需的。由于I_LED*V_FB代表额外的功耗，因此对高V_FB的需求会进一步损失效率。在大多数大电流相机光源应用中，普通升压拓扑结构的P_LED/P_IN效率在60%到70%之间。在给定典型的大电流LED特征下，一个优化的LED驱动器应适用于降压和升压DC/DC转换，同时在电流控制电路中能够以最小压降来调整LED的电流。

如果在一个相机光源中使用两个或更多的并联LED，由于在任何2个LED之间的正向压降会有很大的变化，因此额外需要一些保证电流匹配精度的器件。最明显的方法是将LED串联，这样升压型转换器能够很好的工作。然而，如果需要并联连接，解决方案必须能够对每个LED提供独立的电流控制。在任何一种方式下，电流控制电路在电流感测电阻上应产生尽可能低的压降。相机光源应用中的另一个复杂点是从具有低至微安级正向电流的大电流LED中出现可见光。没有固有的LED断接，需要将一个独立的开关串联在LED上，保证在关断时，LED上不会有电流流过。

用大功率LED产生可见光的基本工作非常简单，但是在现有设计上要产生高性能电源和电流控制解决方案就非常困难。在这些应用中，没有专门的电源IC来解决上述问题的话，电池寿命仍会受到损失。凌特公司的LTC3453是专门设计用于在大电流相机光源应用中优化效率、准确度以及控制LED电流的产品(见图1)。

LTC3453利用了一个同步的降压-升压型电源结构和可编程的低压降电流源以调整LED电流。器件根据V_IN和LED正向电压，在同步降压、同步升压以及4个开关降压-升压模式下自动转换。每个电流源都具有自己独立的控制环路，能够在非常低的LED引脚电压下调整电流以减少功耗。真正的LED切断可通过关断电流源来实现。4个LED电流源(LED1到LED4)可与并联连接的LED使用，或连在一起以共同驱动单个大输出的LED。通过调节V_OUT至保证所有电流源处于稳压状态下所需的最低电压，整体效率可以得到优化。在同步降压-升压拓扑结构下，在整个锂电池和LED正向电压范围内，“手电筒”模式的效率可大于90%，比普通升压解决方案提高了20%到30%。

作者：Sam Nork

设计经理

Email: snork@linear.com

凌特公司