Andreas Schaefer, Texas Instruments
נוריות LED הפכו להיות הפתרון הסטנדרטי לתאורה בסרטים ולהבזק של מצלמות בטלפונים סלולריים. על מנת לענות על הדרישה של איכות תמונה משופרת ורזולוציה גבוהה יותר, יש צורך בפתרונות של נוריות LED להבזק בהיר יותר. האתגר הוא להפיק מהסוללה שטף אור אופטימלי על ידי הפקת היעילות הגבוהה ביותר מהפתרון. כתוצאה מכך, יש צורך במאפייני פעולה של חיסכון בהספק ובתכנון קשיח של המערכת, לצורך ביצוע פעולה כאשר הסוללה נדרשת לספק זרמים גבוהים. מאמר זה מתאר תכנון של מנגנון דחיפה לנוריות LED להבזק ברמת המערכת, וכן את המאפיינים המיועדים להבטיח פעולה ואינטגרציה של מערכות בטיחותיות.
דחיפה של נוריות LED להבזק מצלמה בנצילות גבוהה
למצלמות ברזולוציה גבוהה יש צורך בהבזק בבהירות גבוהה, כדי לצלם תמונות בתנאי תאורה מופחתים, האפשריים לביצוע. לקוחות מבקשים פתרון הבזק בטלפונים כמאפיין סטנדרטי. טלפון סלולארי המצויד בהבזק הפך להיות מאפיין מושך במכירה. מאפיין זה צריך שיהיה לו שטף אור גבוה שמוביל לאתגר הכרוך בתכנון מערכת עם מנגנון דחיפה של נוריות LED הפועל בנצילות גבוהה.
תכנון מערכת
המתח והזרמים הקדמיים הגבוהים של נוריות LED להבזק ומתח הסוללה הנתון בטלפונים סלולריים הופך ממיר מעלה לפתרון הטוב ביותר. ממיר מעלה מבוסס משרן מציג נצילות משביעת רצון בעת דחיפת זרמים גבוהים. יש צורך לדחוף נוריות LED על ידי זרם, מפני שבנוסף לעובדה שהמתח הקדמי משתנה למשל כפונקציה של טמפרטורה, הוא גם מציג סטייה של עצמו. מקורה של הסטייה במתח קדמי הוא בייצור ויש לה טווח שמגיע עד ±20%, כפי שניתן לראות באיור 1.
גישה פשוטה תהיה נורית LED להבזק בטור עם נגד חישה הנדחפים על ידי ממיר מעלה. איור 2 מדגיש את הרעיון הזה.
המתח ביציאה של המייצב המעלה מבוקר כדי להתאים לזרם המתוכנת של נורית LED שאותו חשים באמצעות נגד חיצוני. לדאבוננו, מצב זה ירחיק את המתכנן מהמטרה המוגדרת של הפקת שטף האור הגבוה ביותר האפשרי מתוך כמות נתונה של אנרגיה המסופקת מהסוללה. לנגד החישה החיצוני מצטרף הפסד הספק גדול שמיועד לספק מתח בשולי מרווח, שבו ניתן יהיה להשתמש גם בזרמים נמוכים, שאפשר יהיה לדחוף עבור תאורת סרטים קבועה. מאידך, כאשר הזרם גדל, מפל המתח על נגד החישה הופך להיות גבוה יותר וגורם להפסדי הספק גבוהים. בנוסף, נגדים בדיוק גבוה עם הגדרת הספק משביעת רצון יקרים מאוד, מגדילים את גודל הפתרון ובמקרה כזה נדרש נגד יחיד עבור כל ערוץ של נורית LED.
כתוצאה מכך, פתרון טוב יותר הוא מקור אקטיבי דוחף או קולט זרם שהוא משולב במעגל הדוחף של נורית LED, כפי שנראה באיור 3. בתלות בזרם של נורית LED אפשר לכוונן את נגד החישה הפנימי בדרך כזו שתגרום להקטנה של מפל המתח, וכתוצאה מכך יוקטנו גם הפסדי ההספק הנובעים ממנה. ניתן לשמור את מפל המתח מספיק גבוה לקבלת אות חישה מדויק אם נדאך מקור קולט הזרם לא רק חש בזרם נורית ה–LED. על ידי התאמה דינמית של ההתנגדות, הוא מייצב את זרימת נורית ה–LED. נפילת המתח הנובעת מכך על המקור הקולט נלקחת כמידע כדי לכוונן באופן דינמי את מתח המוצא של הממיר המעלה, על מנת לשמור את הפסדי ההספק במינימום המתקבל על הדעת בכל רמת זרם.
איור 4 לעיל מציג השוואה בין חישת הזרם עם נגד של 1 אוהם לבין שימוש בחישה אקטיבית שמכוונת לנפילת מתח מוצא של 400 מילי וולט. התועלת שהחישה האקטיבית מפיקה מהפסדי ההספק המופחתים, תורמת באופן ברור לנצילות גבוהה יותר של המערכת.
הפקת שטף אור מהסוללה
בעבר, מגבר הספק לת”ר [RF] צרך את זרם הפולסים הגבוה ביותר מהסוללה של הטלפון הסלולארי. עם המעבר לטלפונים בעלי תכונות משופרות יותר במהלך החמש השנים האחרונות, אספקת המעבד, ואם נחזור למוקד של המאמר הזה, אספקת נורית LED להבזק צורכות את הזרם הגבוה ביותר. לדוגמה, אם נורית LED צורכת זרם של 1.5 אמפר, הזרם הנלקח מהסוללה יכול להגיע עד ל–3 אמפר כתוצאה מיחס המתח של הממיר המעלה. זרם גבוה כזה גורם למתח הסוללה ליפול באופן משמעותי. מנגנוני גילוי סף מתח חסר מגינים על המערכת מפני תפקוד לקוי, במקרה שנתגלה מתח חסר. חוויית משתמש גרועה במיוחד תהיה כיבוי מוחלט של הטלפון בגלל מתח סוללה נמוך עם הפעלת ההבזק. הפתרון המקובל על פי רוב, הוא לדאוג שתוכנת המצלמה תגרום לכיבוי ההבזק בתנאים של מתח סוללה נמוך, ובכך להקטין את החוויה הגרועה של המשתמש, שתהיה כרוכה רק בהבזק שאינו פועל. הקצב האיטי של רענון המידע לגבי מתח הסוללה החלש המסופק על ידי רכיבי PMIC, השפעות של הטמפרטורה, של גיל הסוללה ושל אי דיוקים נוספים, מביאים לשולי בטחון רחבים.
אם מנגנון הדחיפה לנוריות ההבזק היה מסוגל למנוע את מפל מתח הסוללה הגדול, היה ניתן לשמור את שולי הביטחון האלו קטנים. אפשר להגיע לתוצאה זו על ידי עלייה מדורגת בזרם נורית ה–LED עם קצב דחיפה [slew rate] מבוקר וביצוע ניטור קבוע אחרי מתח הסוללה במהלך העלייה המדורגת.
חברת TI מציעה טכנולוגיה של מנגנון דחיפה לנוריות הבזק אשר מנטר את מתח הסוללה. על מנת להשיג צורות גלים חלקות בזרם ולמנוע נפילת מתח חריגה של הסוללה, הדוחף של נוריות ההבזק מבקר באופן פעיל את רצף העלייה והירידה בזרם של נורית ה–LED. מתח הכניסה מנוטר במהלך שלב העלייה (שיפוע מדרגה של 25 מילי אמפר ל–12 מיקרו שנייה). אם מתח הכניסה נופל מתחת לסף שניתן לתכנות, ההתקן עוצר באופן מיידי את ההגדלה הנוספת בזרם של נורית ה–LED לסף המתוכנת ושומר את זרם נורית ההבזק בערך הממשי, כפי שניתן לראות באיור הבא.
כתוצאה מכך אפשר לשמור את שולי הביטחון קטנים והטלפון הסלולארי יהיה בטוח מפני כיבוי. מפלי מתח בלתי הפיכים של הסוללה במהלך מחזור סוללה נמנעים ומגדילים את זמן הפעולה הכולל של הסוללה.
אינטגרציה בטוחה של המערכת
כאשר יש צורך בדחיפה של זרמים גבוהים בפולסים, הזרקור מופנה לפעולה בטוחה וחופשית מתקלות. יצרני טלפונים סלולאריים תובעים במפגיע פתרון עם אינטגרציית מערכת ללא תקלות. כתוצאה מכך יש צורך בקבוצה של מאפיינים שהיא הרבה מאשר מאפיינים סטנדרטיים של פעולה בטוחה, כגון הגבלת זרם משרן, הגנה מפני מתח חסר וכיו”ב. המעגל הדוחף נוריות LED להבזק – TPS61310 – מצויד בקבוצה של מאפיינים מתאימים לפעולה דורשנית זו.
גילוי תקלות
יש צורך לגלות נורית LED מקוצרת על מנת להימנע ממצבים מסוכנים לא רק בשלב הייצור אלא גם במצב פעולה רגיל. אחת הגישות לגילוי מצב כזה היא על ידי אילוץ זרם של כמה מילי–אמפר בכיוון קדמי. מאחר שזרם כזה בודק את נורית LED בטווח שמתחת למצב הארה, לא תתקבל הארה על ידי משתמש הקצה. ואולם, לתפיסה זו יש כמה חסרונות: הטווח הנמצא מתחת למצב הארה אינו נבדק בדרך כלל על ידי היצרנים של נוריות ה–LED. יש בו אי–דיוקים גדולים ביותר עם הבדלים שאינם נמצאים רק בין סוגי נוריות LED, אלא אפילו בתוך סוג יחיד של נוריות LED , כאלו אשר נובעים משינויים בתהליך הייצור. מצב כזה יכול לגרום לאי–גילוי של נורית LED מקוצרת או לגילוי שגוי של תקלה. המעגל TPS61310 פועל בצורה שונה. אם נוצר מצב של קצר כאשר נורית או נוריות ה–LED במצב פעולה, נקודות המקור הקולטות בצד הנמוך LED1, LED2 ו–LED3 מגבילות את זרם המוצא המרבי כפי שתוכנת עבור מצב תאורת וידאו או מצב הבזק בהתאמה, כשהן מגדילות את התנגדות הכניסה שלהן כדי למנוע צריכה של זרם חריג. כמו כן, מצב זה מנוטר ומצב נורית LED המקוצרת משתקף דרך ממשק I2C או אל ציוד הבדיקה במהלך הייצור או למנוע מצלמה במהלך הפעולה. באופן דומה, מתבצע גילוי של מצבי נתק במעגל.
גילוי טמפרטורת יתר
תכנון מושך את העין של מוצר טלפון סלולארי אינו עומד במצבים מסוימים בקו אחד עם התכנון התרמי הטוב ביותר. נוריות LED להבזק בהספק גבוה מוגבלות ביכולת המותרת שלהן לטפל בפולסים. אם הטלפון נחשף לטמפרטורות גבוהות ו/או נורית LED מתחממת כתוצאה מפעולות הפעלה קודמות של ההבזק, ההתנגדות התרמית הקיבולית יכולה לא להספיק לכדי טיפול בהפסדי ההספק של נורית LED ולעתים, אף להביא לתוצאה בלתי הפיכה של נצילות הארה מופחתת בטמפרטורות של יותר מ–85 מעלות צלזיוס, לקיצור זמן החיים או אפילו להחשכה מוחלטת. על מנת לגשר בין הדרישות של תכנון פונקציונלי לאלו של תכנון מושך את העין, TPS61310 מאפשר מדידה של טמפרטורת נורית (או נוריות) LED באמצעות חיישן נגד מסוג NTC. אם יש חריגה מטמפרטורה קריטית, אפשר בפשטות להקטין בתוכנה את היחס של זמני ההפעלה והכיבוי בפולסים של נורית LED ולאפשר לנורית להתקרר בין פעולות ההפעלה של ההבזק. אפשר להשתמש במאפיין זה גם להגנה מפני כוויות.
טמפרטורת השבב של TPS61310 נבדקת אף היא. מעבר לפונקציונליות של כיבוי תרמי סטנדרטי, TPS61310 מתאפיין גם בפונקציה של התרעה מוקדמת הנשלחת אל מנוע המצלמה, על מנת למנוע הפעלה של הכיבוי התרמי באופן מקרי ולאפשר מרווח לקירור ההתקן.
הדוחף לתאורת סרט או להבזק TPS61310
ל–TPS61310 יש יכולת לדחוף יישום נורית LED אחת, שתיים או שלוש להבזק עד 1.5 אמפר. מאפיינים ייעודיים כדוגמת ניטור מתח הסוללה, פונקצית פעולת חיסכון, גילוי קצר אמין בנורית LED וכיו”ב הופכים אותו לפתרון משולב פשוט לדחיפת נורית הבזק ולתאורה של סרטי קולנוע. ההתקן, שניתן לתכנות דרך ממשק I2C, מציע את הגמישות הגבוהה ביותר לתכנונים חוצי פלטפורמות. אפשר להשתמש בכניסות לוגיות ייעודיות על מנת ליצור עירור עם אפס זמן אחזור (latency). המארז שגודלו 2 x 2 מ”מ רבוע, והיעדר הצורך בזרם תכנות או בזמן הפעלת ההבזק באמצעות רכיבים חיצוניים מניבה את התוצאה של פתרון זעיר בגודלו.
