利用電荷泵降低白光LED背光驅(qū)動器的成本和體積

在手機和其他移動設(shè)備中，白光LED能為小尺寸彩屏提供完美的背光效果。但大部分手機使用單節(jié)鋰電池供電，而單節(jié)鋰電池很難直接驅(qū)動白光LED。通常鋰電池的工作電壓范圍為3～4.2V，而白光LED的導(dǎo)通壓降是 3.5～4.2V（20mA）。因此，鋰電池電壓降低后將無法直接驅(qū)動白光LED。

為了給白光LED提供足夠的正向壓降，可以使用基于電容的電荷泵或基于電感的升壓電路?？紤]到效率和電池壽命，基于電感的轉(zhuǎn)換器可能是最好的選擇，但是額外的電感會增加系統(tǒng)成本。而且，由于EMI和RF干擾，電感型升壓電路需要仔細(xì)的設(shè)計和布板。與之相比，電荷泵解決方案具有價格便宜、易使用等優(yōu)勢，但效率較低，縮短了電池使用壽命。

隨著電荷泵設(shè)計技術(shù)的改進，新型白光LED驅(qū)動芯片，如Maxim等公司的芯片，不但可以獲得電感升壓電路的效率（大約85％），而且可以保持傳統(tǒng)電荷泵設(shè)計的簡捷、低成本等優(yōu)勢。

分?jǐn)?shù)電荷泵及其對效率的影響
第一代白光LED驅(qū)動電荷泵的基本架構(gòu)是倍壓或2x拓?fù)洌?倍壓電荷泵的工作效率為：
PLED/PIN=VLEDILED/(2VINILED+IqVIN)
其中，Iq是電路的靜態(tài)電流，因為Iq非常小，上式可近似等效為：
PLED/PIN≈VLED/(2VIN)
為了提高效率，第二代白光LED驅(qū)動電荷泵的輸出不再是輸入電壓的整數(shù)倍。如果電池電壓足夠，LED驅(qū)動器將產(chǎn)生1.5倍壓輸出，1.5倍壓電荷泵的轉(zhuǎn)換效率為：
PLED/PIN=VLEDILED/(1.5VINILED+IqVIN)≈VLED/(1.5VIN)
從上式可明顯看出：1.5倍壓電荷泵的效率顯著提高了。假設(shè)電池電壓為3.6V，LED電壓為3.7V，效率從2倍壓電荷泵的51％提高到69％。
第三代電荷泵引入的1倍壓模式進一步提高了效率。當(dāng)電池電壓足夠高時，通過一個低壓差電流調(diào)節(jié)器直接將電池連接到LED，此時，效率可以通過下式表示。
PLED/PIN=VLEDILED/(VINILED+IqVIN)VLED/(VIN)
當(dāng)電池電壓足以驅(qū)動白光LED時，1倍壓模式的效率超過90％。如果電池電壓為4V，LED導(dǎo)通壓降為3.7V，則效率可達92％。
　　
在不同電池電壓下獲得最高效率
1倍壓轉(zhuǎn)換模式效率最高，但只能用于電池電壓高于LED正向壓降的情況下。為了獲得最高效率，白光LED驅(qū)動器設(shè)計要求綜合考慮電池和LED電壓，當(dāng)電池電壓（或LED電壓）改變時需要相應(yīng)地改變驅(qū)動器的工作模式。但是，如果在電池電壓較高時（而非必要的條件下）改變工作模式，開關(guān)損耗可能使電路進入低效率模式。當(dāng)電池電壓下降時，最好盡可能地使驅(qū)動器保持在高效模式（例如1倍壓模式），對于功率開關(guān)而言，為了得到低損耗，芯片面積和成本都將提高。

為了保持1倍壓模式能夠工作在盡可能低的電池電壓下，要盡可能降低1倍壓模式調(diào)整管FET和電流調(diào)節(jié)器的壓降。壓降決定了串聯(lián)損耗和所能維持的1倍壓模式的最低輸入電壓。最小輸入電壓由下式表示：
VLED+Bypass PFET RDS(ON)ILED+VDROPOUT

圖1 1倍壓模式，正電荷泵使用內(nèi)部開關(guān)旁路VIN和LED的陽極

傳統(tǒng)的正電荷泵白光LED解決方案采用PMOS FET作為旁路開關(guān)連接電池和LED，如圖1所示。FET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)大概是1～2Ω。更小的導(dǎo)通電阻將受限于芯片面積和成本。導(dǎo)通電阻越小，芯片面積越大，成本也越高。

當(dāng)輸入電壓不足時，正壓電荷泵產(chǎn)生1.5倍壓或2VIN的輸出，用來驅(qū)動白光LED的陽極。為了在正壓電荷泵中采用1倍壓結(jié)構(gòu)，我們必須使用一個內(nèi)部開關(guān)旁路VIN和白光LED的陽極。當(dāng)輸入電壓不足時，負(fù)壓電荷泵能夠產(chǎn)生-0.5VIN輸出，驅(qū)動白光LED的陰極。工作在1倍壓模式時，負(fù)壓電荷泵結(jié)構(gòu)不需要旁路-0.5VIN到地，因為電流調(diào)節(jié)器直接控制LED電流從VIN流入GND。由此擴展了1倍壓模式的工作電壓：VLED+VDROPOUT

圖2 負(fù)壓電荷泵模式

圖2顯示了1倍壓模式下負(fù)壓電荷泵的電流路徑，沒有P溝道MOSFET旁路開關(guān)，WLED調(diào)節(jié)電流直接通過VIN流入GND。如果ILED總電流為100mA，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻為2Ω，則旁路開關(guān)壓降為200mV。因為鋰電池主要工作在3.6～3.8V，對于典型的Li+電池放電曲線，200mV壓差、1倍壓模式的負(fù)壓電荷泵可以顯著提高效率。
　　
在不同LED正向壓降下獲得最高效率
傳統(tǒng)的1倍壓/1.5倍壓正電荷泵白光LED驅(qū)動器，LED的陽極連接在電荷泵的輸出。如果LED不匹配，即每個LED的正向?qū)▔航挡煌瑫r，如果(VIN-VLED)不足以支持最大正向?qū)▔航?，則將驅(qū)動器切換到1.5倍壓模式。這種情況下可能只有一個LED不能滿足導(dǎo)通電壓的要求，而電荷泵就必須放棄高效的1倍壓模式。負(fù)壓電荷泵則不同，可以通過多路開關(guān)分別選擇1倍壓模式或-0.5倍壓模式。因此，如果某個LED需要較高壓降，則不需要將所有通道轉(zhuǎn)到-0.5倍壓模式。例如，MAX8647/48驅(qū)動器，當(dāng)輸入電壓不能驅(qū)動導(dǎo)通電壓最高的LED時，僅僅打開需要負(fù)壓電荷泵驅(qū)動的LED通道，其他LED仍然保持1倍壓工作模式。獨立的LED開關(guān)可以在不同時刻、不同VIN下切換到-0.5倍壓工作模式。

圖3 負(fù)壓電荷泵白光LED驅(qū)動器工作效率

　　
結(jié)論
負(fù)壓電荷泵白光LED驅(qū)動器能夠分別切換各個通道的工作模式，與1倍壓/1.5倍壓正電荷泵LED驅(qū)動方案相比，顯著提高了工作效率，如圖3所示。