照明需求日漸復雜 電源管理遭遇技術挑戰(zhàn)

    將如今的便攜式消費類電子設備與幾年以前的進行相比，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面板的手持設備正在迅速被淘汰。如今的設備都具備高性能、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)網接入和移動電視到視頻回放的整個范圍的應用。

    典型的，這些顯示屏需要4個或更多用于背光的LED和驅動器。許多手持設備(特別是翻蓋式設計)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。

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

    內置相機功能具有復雜度更高的電源電路設計。這些功能一般通過以高電流在極短的持續(xù)時間內驅動少量LED來提供閃光燈。但是當手持設備制造商最初開始引進這個功能時，他們采用的是不到100萬象素的CCD，這就要求閃光燈驅動器的電流不超過100mA。如今的手持設備設計工程師正在集成分辨率高得多的CCD，這種CCD要求高達600mA的電流僅用來驅動閃光功能，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動LED以獲得更長的持續(xù)時間，而增加了電源電路的設計難度。

    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備中最耗電池的來源了。以前，設計工程師通過采用升壓轉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，設計工程師需要更好的控制以處理光強度、管理色彩平衡并最大程度地提高功率。最終這些工程師轉向采用系統(tǒng)微控制器或者專用控制器，通過脈寬調制(PWM)控制來解決這些問題。

　　更簡單的設計

    近年來，電源管理集成電路(PMIC)制造商已經開發(fā)出各種旨在為工程師提供更高級別控制和簡化設計的IC。以美國國家半導體(NS)公司的LM27965為例，這個白光LED(WLED)驅動器可以驅動多達9個并聯(lián)的LED，總輸出高達180mA。為了最大程度地提高設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動器來管理狀態(tài)或者指示燈LED。每組LED都通過標準I2C接口進行控制。

    雖然基于感應升壓轉換器的解決方案仍在許多應用中表現(xiàn)出優(yōu)勢。但是在許多情況下，制造商都開始轉向采用混合模式或分數(shù)電荷泵來驅動緊湊型便攜式應用中的WLED，并且不再需要大感應器。雖然固定升壓電荷泵中的輸出是采用單獨的電阻進行調制的，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，可對輸出電壓進行調制以維持每個LED的恒定電流，從而使得設計工程師更加準確地匹配電流源。

    與許多競爭產品相似的是，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倍模式下導通，然后當任何使能LED電流源接近電壓降時自動轉換至升壓或者1.5倍模式。

    隨后的電壓降將該器件轉換至雙倍(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、閃光和分級調節(jié)。

    早期的WLED需要相對較高的正向電壓和電流以達到理想的發(fā)光度。但是最近的技術進步已經允許制造商生產能夠在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。最近的技術發(fā)展已經允許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四個LED的匹配LED恒流驅動器。該產品不再需要感應升壓轉換器所需的感應器、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)定性所需的開關電容和輸入/輸出電容。

    相機閃光功能的驅動是一個難度更大的挑戰(zhàn)。設計工程師必須在規(guī)定時間范圍內提供適量的光，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/關控制不充分，許多設計工程師轉向采用由同時協(xié)調閃光子系統(tǒng)和相機快門的系統(tǒng)微控制器運行的算法。最近推出的各種智能LED閃光燈控制器已經具備更高效的發(fā)光控制。例如，今年早些時候，恩智浦半導體(NXP)公司發(fā)布了UBA3001，該器件是LED閃光燈驅動器系列的首個器件，可在整個電壓范圍內支持高達90%的效率水平的同時，為單個高亮度LED提供高達1A的電流以支持帶高分辨率攝像頭的手機。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置控制。

   節(jié)省空間

    當然，PCB的占位空間對于空間受限的便攜式應用始終是相當珍貴的。五月份，Micrel公司發(fā)布了用于嵌入式相機的基于升壓轉換器的閃光燈驅動器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。對于在手機的上半部分嵌入LCD和相機模塊的空間受限的直板手機、折疊手機或滑蓋手機，美信(Maxim)公司最近發(fā)布了一個WLED驅動器系列，該系列在微型4×4mm的封裝內加入了兩個用來驅動相機模塊的可編程200mA LDO。Max 8645X和8645Y采用分數(shù)電荷泵在最高30mA的電流下驅動多達六個WLED，并且具有五位調光精度。這些器件還可以在最高200mA的電流下驅動兩個WLED，以用于相機閃光燈應用。

    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個背光驅動器、2個閃光燈驅動器和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。這允許設計工程師構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置對這些控制進行編程。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。