摘要：設(shè)計(jì)人員通常采用電荷泵或基于電感的boost電路提供白光LED (WLED)的正向?qū)ㄆ秒妷骸ｋ姾杀脙r(jià)格較低且使用方便，但截至目前，這種架構(gòu)所能提供的效率低于基于電感的boost電路。本應(yīng)用筆記介紹的負(fù)電荷泵方案能夠達(dá)到基于電感的設(shè)計(jì)方案的效率，并且，由于省去了電感可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低成本。

類似文章還發(fā)表在Maxim工程期刊，第64期(PDF，2.5MB)。

概述

白光LED (WLED)具有小外形和高亮度輸出，是手機(jī)和其它便攜設(shè)備小尺寸彩色顯示屏的理想背光解決方案。然而，WLED用于單節(jié)鋰離子(Li+)電池供電的設(shè)備往往會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題。多數(shù)Li+電池的工作電壓為3V至4.2V，而WLED的正向電壓通常為3.5V至3.8V (電流為20mA時(shí))。因此，Li+電池工作電壓范圍的低電壓側(cè)無(wú)法滿足WLED偏置電壓的要求。

通常采用以下兩種方式來(lái)產(chǎn)生足夠的WLED正向偏置電壓：電容式電荷泵和基于電感升壓電路。從效率和電池壽命上考慮，基于電感的電路通常是最佳選擇。然而，此類電路需要額外增加昂貴的電感，必須進(jìn)行仔細(xì)的布局和設(shè)計(jì)，以避免電磁和射頻干擾。相比之下，電荷泵方案易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉，但是它們往往效率較低，因此相應(yīng)縮短了電池工作時(shí)間。

負(fù)電荷泵技術(shù)提供低成本、高效解決方案

Maxim的負(fù)電荷泵架構(gòu)具有自適應(yīng)切換功能，能夠達(dá)到電感架構(gòu)的效率(平均效率為85%)，并保留了無(wú)電感設(shè)計(jì)所具備的簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)勢(shì)。

這一創(chuàng)新架構(gòu)采用自適應(yīng)切換模式，為每個(gè)LED提供獨(dú)立的供電、調(diào)光以及電流調(diào)節(jié)，使LED驅(qū)動(dòng)效率提高12%，在便攜產(chǎn)品中能夠有效延長(zhǎng)電池使用壽命、節(jié)省PCB空間。由于能夠達(dá)到與電感設(shè)計(jì)同等的轉(zhuǎn)換效率，大大提升了系統(tǒng)的能源利用率。

分?jǐn)?shù)型電荷泵的效率提升

第一代WLED電荷泵方案內(nèi)核采用基本的倍壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(或2倍壓模式)。2倍壓電荷泵的效率為：

PLED/PIN = VLED × ILED/[(2 × VIN × ILED + IQ × VIN)]

其中IQ為電路的靜態(tài)工作電流。

由于和WLED負(fù)載電流相比IQ往往很小，因此效率可近似估計(jì)為：

PLED/PIN ≈ VLED/2VIN

為了提高效率，第二代WLED電荷泵的輸出并不始終為輸入的整數(shù)倍。如果電池電壓不夠時(shí)，將采用1.5倍壓電荷泵產(chǎn)生足夠高的WLED驅(qū)動(dòng)電壓。1.5倍壓電荷泵的轉(zhuǎn)換效率為：

PLED/PIN = VLED × ILED/(1.5 × VIN × ILED + IQ × VIN)
≈ VLED/1.5VIN

可以看出，1.5倍壓電荷泵大大提高了效率。對(duì)于3.6V電池電壓和3.7V的WLED，效率從2倍壓電荷泵的51%躍升至1.5倍壓電荷泵的69％。

第三代WLED驅(qū)動(dòng)器增加了1倍壓模式。該模式下，當(dāng)電池電壓較高時(shí)，通過(guò)低壓差電流調(diào)節(jié)器直接連接電池至LED。1倍壓模式的效率為：

PLED/PIN = VLED × ILED/(VIN × ILED + IQ × VIN)
≈ VLED/VIN

當(dāng)電池電壓高到足以直接驅(qū)動(dòng)WLED時(shí)，1倍壓模式下的效率可超過(guò)90%。例如當(dāng)電池電壓為4V，WLED電壓為3.7V時(shí)，效率為92%。

提高任意電池電壓下的效率

最佳的WLED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)可針對(duì)給定電池電壓和LED電壓提供最有效的功率傳輸模式。隨著電池(或WLED)電壓的變化，設(shè)計(jì)方案也會(huì)相應(yīng)改變模式。但是，電池電壓較高時(shí)，開關(guān)損耗將會(huì)降低效率，而這些損耗往往是不必要的。當(dāng)電池電壓下降時(shí)，應(yīng)該使驅(qū)動(dòng)器盡可能長(zhǎng)時(shí)間的處于高效率模式。不過(guò)，這就要求盡可能降低電源開關(guān)的損耗，相應(yīng)的占用更多的空間，成本也隨之升高。

正如上面所描述的，1倍壓傳輸模式的效率最高，但該模式僅適用于電池電壓高于WLED正向電壓(VF)的情況。在電池電壓盡可能低的應(yīng)用場(chǎng)合采用1倍壓模式的關(guān)鍵往往在于：降低1倍壓模式旁路FET和電流調(diào)節(jié)器的壓降。這些壓降往往決定了串聯(lián)損耗以及維持1倍壓模式所需的最低輸入電壓。1倍壓模式要求的最低電池電壓等于：

VIN(MIN_1X) = VLED + 旁路pFET的RDS(ON) × (ILED + 電流調(diào)節(jié)器的VDROPOUT)

傳統(tǒng)正電荷泵WLED方案采用了pFET旁路開關(guān)將電池電壓連接至WLED，如圖1所示。該FET的RDS(ON)通常為1Ω至2Ω。電阻的進(jìn)一步降低往往是有限，因?yàn)殡娮杞档屯枰^大的FET，從而增加了功率器件的成本。


圖1. 在1倍壓模式下，正電荷泵采用內(nèi)部開關(guān)將VIN旁路至WLED陽(yáng)極。

當(dāng)VIN不能滿足1倍壓傳輸模式的要求時(shí)，正電荷泵產(chǎn)生1.5x VIN或2x VIN來(lái)驅(qū)動(dòng)WLED陽(yáng)極。在正電荷泵架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)1倍壓模式時(shí)，必須用一個(gè)額外的內(nèi)部開關(guān)將VIN直接連至WLED陽(yáng)極，從而旁路電荷泵。

當(dāng)VIN無(wú)法驅(qū)動(dòng)WLED時(shí)，負(fù)電荷泵結(jié)構(gòu)也可以產(chǎn)生-0.5x VIN來(lái)驅(qū)動(dòng)WLED陰極。然而，1倍壓模式下這種結(jié)構(gòu)并不需要將-0.5x VIN電荷泵輸出旁路至地，這是因?yàn)殡娏髡{(diào)節(jié)器控制WLED電流使之直接從VIN流向地。因此，負(fù)電荷泵結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展1倍壓模式，VIN最低可為：

VIN(MIN_1X) = VLED + 電流調(diào)節(jié)器的VDROPOUT

圖2為1倍壓模式負(fù)電荷泵電流路徑。該電路不需要pMOS旁路開關(guān)，它直接調(diào)節(jié)VIN至地之間的WLED電流。如果總ILED為100mA (即，5個(gè)WLED × 20mA)，則在2Ω的pMOS旁路開關(guān)的壓降將為200mV。放電時(shí)，鋰離子電池電壓將穩(wěn)定在3.6V至3.8V (典型值)之間。按照典型鋰離子電池放電曲線，1倍壓模式下工作電壓提高200mV，效率將明顯提高。


圖2. 當(dāng)驅(qū)動(dòng)器切換到負(fù)電荷泵模式時(shí)每個(gè)WLED可單獨(dú)切換，提高了總體效率。

提高任意LED正向電壓時(shí)的效率

對(duì)于傳統(tǒng)1倍壓/1.5倍壓正電荷泵WLED驅(qū)動(dòng)器，WLED陽(yáng)極接電荷泵輸出。如果WLED不匹配，當(dāng)電壓裕量(VIN - VLED)不能夠滿足最壞情況下的WLED正向電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器必須切換到1.5倍壓模式。

對(duì)于負(fù)電荷泵結(jié)構(gòu)，無(wú)需因?yàn)橹挥幸粋€(gè)WLED的正向電壓不滿足要求就放棄高效的1倍壓模式，如圖2所示，模式復(fù)用電路為每個(gè)WLED單獨(dú)選擇1倍壓模式或-0.5倍壓模式，從而最大程度提高整體效率。

例如，當(dāng)輸入電壓不夠高，不能滿足WLED最高正向電壓的要求時(shí)，MAX8647/MAX8648電荷泵驅(qū)動(dòng)器打開-0.5倍壓電荷泵。在這種情況下，器件只通過(guò)-0.5倍壓負(fù)電源(而不是地)驅(qū)動(dòng)VF最高的WLED，而其他正向電壓較低的WLED仍處于1倍壓模式。

為了進(jìn)一步提高效率，MAX8647/MAX8648為各個(gè)WLED提供獨(dú)立模式轉(zhuǎn)換。該技術(shù)可以在不同時(shí)間以及不同的VIN條件下，根據(jù)VF失配或溫度變化，自適應(yīng)切換WLED至-0.5倍壓模式(圖3)。


圖3. MAX8647/MAX8648電荷泵WLED驅(qū)動(dòng)器切換到負(fù)電荷泵模式時(shí)每個(gè)WLED可單獨(dú)進(jìn)行模式切換，提高了效率。

總結(jié)

傳統(tǒng)方案中，采用電荷泵的WLED背光設(shè)計(jì)往往比基于電感設(shè)計(jì)方案的效率低。當(dāng)任意一路WLED的電流低于預(yù)定水平時(shí)，正電荷泵結(jié)構(gòu)將切換模式，不再工作在效率最高的1倍壓模式。因此，當(dāng)系統(tǒng)采用大量WLED并且具有較高正向電壓失配時(shí)，將浪費(fèi)大量功率。

負(fù)電荷泵結(jié)構(gòu)克服了正電荷泵設(shè)計(jì)通常具有的效率低下的缺點(diǎn)。諸如MAX8647/MAX8648的器件采用了負(fù)電荷泵結(jié)構(gòu)，同時(shí)可對(duì)每個(gè)LED單獨(dú)切換模式，可顯著提高效率并延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。這些WLED驅(qū)動(dòng)器為設(shè)計(jì)人員提供電感電路一樣的效率，同時(shí)仍保持電荷泵方案所具有的簡(jiǎn)單和低成本的特點(diǎn)。