白光LED應(yīng)用中提升電池電壓的方法

白光LED通常由一個(gè)恒定直流電流源驅(qū)動(dòng)，以保持恒定的亮度。在采用單顆鋰離子電池供電的便攜式應(yīng)用中，白光LED以及電流源上的電壓降之總和可以比電池電壓更高或更低，這意味著白光LED某些時(shí)候需要對(duì)電池電壓進(jìn)行升壓。完成這樣應(yīng)用的最好辦法是使用升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種方法可以大大地優(yōu)化效率，但代價(jià)是成本和PCB面積增加。另外一種提升電池電壓的方法是使用電荷泵，也稱為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。本文將詳細(xì)地分析這種器件的工作原理。
　電荷泵的基本原理

　　電容器是一種用來儲(chǔ)存電荷或電能，并在指定的時(shí)間以預(yù)設(shè)的速率將之釋放的組件。

　　圖1U從一個(gè)電壓源對(duì)電容進(jìn)行充電（圖a和b是理想情況，c和d是實(shí)際情況）。

　　如果一個(gè)理想的電容以理想的電壓源VG進(jìn)行充電（見圖1a），將依據(jù)Dirac電流脈沖函數(shù)立即存儲(chǔ)電荷（圖1b）。存儲(chǔ)的總電荷數(shù)量按以下方式計(jì)算U Q = CVG

　　實(shí)際的電容具有等效串聯(lián)阻抗（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），兩者都不會(huì)影響到電容存儲(chǔ)電能的能力。然而，它們對(duì)開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器的整體轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。實(shí)際電容充電的等效電路如（圖1c）所示，其中RSW是開關(guān)的電阻。充電電流路徑具有串行電感，通過適當(dāng)?shù)钠骷季衷O(shè)計(jì)可以降低這個(gè)串行電感。

　　一旦電路被加電，將產(chǎn)生指數(shù)特性的瞬態(tài)條件，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)條件為止。電容的寄生效應(yīng)限制峰值充電電流，并增加電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間（圖1d）。因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷泵就利用了這種電容特性，如（圖2a）所示。

　　圖2Ua.電荷泵電路，b.相關(guān)的波形。

　　電壓變換在兩個(gè)階段內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在第一個(gè)階段期間，開關(guān)S1和S2關(guān)閉，開關(guān)S3和S4打開，而C1被充到輸入電壓：

　　在第二個(gè)階段，開關(guān)S3和S4關(guān)閉，而S1和S2打開。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡荒芰⒓锤淖?，輸出電壓突變到輸入電壓值的兩倍U

　　使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)電壓的倍壓。開關(guān)訊號(hào)的工作周期通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。以下讓我們更詳細(xì)地了解電荷轉(zhuǎn)移過程以及開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器寄生效應(yīng)如何影響其工作。

　?。▓D2b）中顯示了開關(guān)電容電壓倍壓器的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。根據(jù)功率守恒的原理，平均的輸入電流是輸出電流的兩倍。

　　在第一階段，充電電流流入到C1。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR以及開關(guān)的電阻。在C1充電后，充電電流呈指數(shù)級(jí)地降低。充電時(shí)間常數(shù)是開關(guān)周期的幾倍，更小的充電時(shí)間常數(shù)將導(dǎo)致峰值電流增加。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，輸出電容CHOLD提供負(fù)載電流線性放電的電量，放電量等于：

　　在第二階段，C1 +連接到輸出，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）通過C1流到負(fù)載。在這個(gè)階段，輸出電容電流的變化大約為2 IOUT。盡管這個(gè)電流變化應(yīng)該能產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓變化為2 IOUT ESRC_HOLD，使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計(jì)。此時(shí)，CHOLD按下面的電量線性電位充電U

　　當(dāng)C1連接到輸入和接地之間時(shí)，CHOLD依照以下的電量線性電位放電U

　　以下等式計(jì)算出輸出漣波峰對(duì)峰電壓值的總數(shù)U

　　更高的開關(guān)頻率可以采用更小的輸出電容來獲得相同的紋波。

　　電荷泵的寄生效應(yīng)導(dǎo)致輸出電壓隨著負(fù)載電流的增加而下降。事實(shí)上，總是存在2 IOUT的RMS電流流過C1和兩個(gè)開關(guān)（2Rsw），導(dǎo)致產(chǎn)生以下的功耗U

　　除了這些純粹的電阻損耗，IOUT的RMS電流流過開關(guān)電容C1的等效電阻，產(chǎn)生的功耗為總之，因?yàn)樘沾呻娙莸偷腅SR以及高的開關(guān)頻率，輸出漣波以及輸出電壓降取決于開關(guān)電阻。

　　利用更多的開關(guān)和電容可以實(shí)現(xiàn)更多的電壓轉(zhuǎn)換。（圖3）展示了使用電容的這個(gè)特性的電路。

　　圖3U具有1倍和1.5倍增益的開關(guān)電容電路。