負(fù)電荷泵為WLED背光實(shí)現(xiàn)類似電感的效率

設(shè)計(jì)人員通常使用帶有電容電荷泵或電感器的升壓電路，為白光 LED （WLED） 提供必要的正向偏置。電荷泵更便宜，使用更簡(jiǎn)單，但到目前為止，它們的效率也低于基于電感的升壓電路。本應(yīng)用筆記介紹了一種負(fù)電荷泵設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)既能實(shí)現(xiàn)基于電感的設(shè)計(jì)的效率，又能保持無(wú)電感設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和低成本。

概述

白光 LED （WLED） 占用空間小，光輸出高，為蜂窩電話和其他便攜式設(shè)備中的小型彩色顯示器提供了理想的背光解決方案。然而，WLED在由單節(jié)鋰離子（Li+）電池供電的設(shè)備中確實(shí)存在一個(gè)困難。大多數(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 （20mA時(shí)）。因此，Li+電池工作范圍下端的電壓輸出不足以偏置WLED。

通常使用兩種方法為WLED產(chǎn)生足夠的正向偏置：電容電荷泵和基于電感的升壓電路。傳統(tǒng)上，基于電感的電路一直是提高效率和電池壽命的最佳選擇。但是，它們需要增加昂貴的電感器，并且需要仔細(xì)的布局和設(shè)計(jì)以避免電磁和RF干擾問(wèn)題。相比之下，電荷泵解決方案更容易實(shí)現(xiàn)，成本更低，但它們通常效率也較低，這可以減少電池運(yùn)行時(shí)間。

負(fù)電荷泵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低成本、高能效的應(yīng)用

ADI公司的負(fù)電荷泵架構(gòu)具有自適應(yīng)切換功能，使WLED驅(qū)動(dòng)器IC能夠?qū)崿F(xiàn)類似電感器的效率（平均85%），同時(shí)仍保持無(wú)電感設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和低成本。

這種創(chuàng)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)模式開(kāi)關(guān)技術(shù)，可單獨(dú)為每個(gè) LED 供電、調(diào)光和調(diào)節(jié)。這種方法可將 LED 效率提高 12%，延長(zhǎng)電池壽命并節(jié)省便攜式應(yīng)用中寶貴的 PCB 空間。通過(guò)提供與基于電感器的設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)男?，這些器件有效地降低了能效的價(jià)格點(diǎn)。

分?jǐn)?shù)比電荷泵的效率改進(jìn)

第一代WLED電荷泵解決方案的核心是基本的倍增器拓?fù)洌ɑ?倍模式）。2倍電荷泵的效率為：

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

其中 IQ 是電路的靜態(tài)工作電流。

由于與WLED的負(fù)載電流相比，IQ通常很小，因此效率可以由以下公式近似：

鍍層/引腳 ≈ VLED/2VIN

為了提高效率，第二代WLED電荷泵并不總是將輸出驅(qū)動(dòng)到輸入的整數(shù)倍。如果電池電壓足夠，則可使用1.5倍電荷泵產(chǎn)生足夠的LED驅(qū)動(dòng)電壓。1.5倍泵的轉(zhuǎn)換效率為：

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

可以看出，1.5倍泵大大提高了效率。采用 3.6V 電池電壓和 3.7V WLED 時(shí)，效率從 2x 泵的 51% 躍升至 1.5x 泵的 69%。

第三代WLED驅(qū)動(dòng)器通過(guò)1倍轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，當(dāng)電池電壓足夠高時(shí)，該模式通過(guò)低壓差電流調(diào)節(jié)器將電池直接連接到LED。這種效率描述如下：

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

當(dāng)電池電壓足以直接驅(qū)動(dòng)WLED時(shí)，1倍模式效率可以超過(guò)90%。使用 4V 電池和 3.7V WLED 時(shí)，效率為 92%。

最大限度地提高每個(gè)電池電壓下的效率

最佳的WLED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用針對(duì)給定電池和LED電壓的最高效功率傳輸模式。該設(shè)計(jì)還會(huì)隨著電池（或WLED）電壓的變化而改變模式。然而，開(kāi)關(guān)損耗可能會(huì)迫使電路在高于其他必要電壓時(shí)進(jìn)入效率較低的模式。在電池電壓下降時(shí)，驅(qū)動(dòng)器最好盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持高效模式。然而，這種性能要求電源開(kāi)關(guān)的損耗最小，因此需要更多的空間和成本。

如上所述，1倍傳輸模式可提供最佳轉(zhuǎn)換效率，但此模式只能在電池電壓大于WLED的正向電壓（VF).利用1x模式獲得盡可能低的電池電壓的關(guān)鍵通常集中在降低1x模式旁路FET和電流調(diào)節(jié)器的壓降上。這些壓降決定了串聯(lián)損耗和可維持 1x 模式的最小輸入電壓。1x 模式所需的最小電池電壓為：

VIN（MIN_1X） = VLED + 旁路 pFET RDS（ON） × （ILED + 電流穩(wěn)壓器的壓降）

傳統(tǒng)的正電荷泵WLED解決方案使用pFET旁路開(kāi)關(guān)將電池電壓連接到WLED，如圖1所示。該場(chǎng)效應(yīng)管的 RDS（ON）典型值為1Ω至2Ω。進(jìn)一步降低電阻是有限的，因?yàn)檩^低的電阻通常需要更大的FET，從而增加功率器件的成本。

圖1.在1x模式下，正電荷泵使用內(nèi)部開(kāi)關(guān)旁路V在到 WLED 的陽(yáng)極。

當(dāng)VIN不足以驅(qū)動(dòng)1倍轉(zhuǎn)換模式時(shí)，正電荷泵產(chǎn)生1.5x VIN或2x VIN來(lái)驅(qū)動(dòng)WLED陽(yáng)極。為了在正電荷泵架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)1x模式，我們必須使用一個(gè)額外的內(nèi)部開(kāi)關(guān)將VIN直接路由到WLED的陽(yáng)極，從而繞過(guò)電荷泵。

負(fù)電荷泵架構(gòu)還可產(chǎn)生 -0.5x VIN 以在 VIN 不足以完成任務(wù)時(shí)驅(qū)動(dòng) WLED 陰極。但是，這種架構(gòu)不需要在 1x 模式下將 -0.5x VIN 電荷泵輸出旁路至地，因?yàn)殡娏鞣€(wěn)壓器直接控制 WLED 從 VIN 到地的電流。因此，負(fù)電荷泵架構(gòu)將1倍模式一直擴(kuò)展到：

VIN（MIN_1X） = VLED + 電流穩(wěn)壓器的壓差

圖2顯示了帶有負(fù)電荷泵的1x模式的電流路徑。該電路不需要pMOS旁路開(kāi)關(guān)，它直接從V調(diào)節(jié)WLED電流在接地。如果我發(fā)光二極管總電流為 100mA （即 5 個(gè) WLED × 20mA），2Ω pMOS 旁路開(kāi)關(guān)的壓降為 200mV。放電時(shí)，Li+電池電壓在3.6V至3.8V（典型值）電壓范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。假設(shè)典型的Li+電池放電曲線，200x模式使工作電壓增加1mV可顯著提高效率。

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都可以單獨(dú)切換，從而提高整體效率。

最大限度地提高每個(gè) LED 正向電壓下的效率

在傳統(tǒng)的 1x/1.5x 正電荷泵 WLED 驅(qū)動(dòng)器中，WLED 陽(yáng)極連接到電荷泵的輸出。如果 WLED 不匹配，則驅(qū)動(dòng)程序必須在沒(méi)有足夠的 （V在- 五發(fā)光二極管） 裕量以支持最差的正向電壓 WLED。

采用負(fù)電荷泵架構(gòu)，不再需要因?yàn)橹挥幸粋€(gè)WLED的正向電壓不好而放棄高效的1x模式。如圖2所示，模式多路復(fù)用電路為每個(gè)WLED單獨(dú)選擇1x模式或-0.5x模式，從而最大限度地提高整體效率。

例如，MAX8647/MAX8648電荷泵驅(qū)動(dòng)器在輸入電壓不足以驅(qū)動(dòng)最高正向電壓WLED時(shí)開(kāi)啟-0.5倍電荷泵。在這種情況下，器件僅驅(qū)動(dòng)最高電壓FWLED 通過(guò) -0.5x 負(fù)電源軌（而不是接地），而具有較低正向電壓的 WLED 仍處于 1x 模式。

為了進(jìn)一步提高效率，MAX8647/MAX8648為WLED提供單獨(dú)的模式開(kāi)關(guān)。該技術(shù)可在不同時(shí)間和不同電壓下自適應(yīng)地將WLED切換到-0.5x模式在由于 V 引起的水平F不匹配或溫度變化（圖3）。

圖3.MAX8647/MAX8648電荷泵WLED驅(qū)動(dòng)器的效率可以通過(guò)切換到負(fù)電荷泵模式和每個(gè)WLED的單獨(dú)模式開(kāi)關(guān)來(lái)擴(kuò)展。

總結(jié)

傳統(tǒng)上，采用電荷泵的WLED背光設(shè)計(jì)的效率低于基于電感的設(shè)計(jì)。當(dāng)任何單個(gè)WLED電流低于預(yù)定水平時(shí)，正電荷泵架構(gòu)從其最高效率模式（1x）切換。因此，具有大量WLED和大正向電壓失配的系統(tǒng)會(huì)浪費(fèi)大量功率。

負(fù)電荷泵架構(gòu)克服了正電荷泵設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的低效率問(wèn)題。MAX8647/MAX8648等器件采用這種負(fù)電荷泵架構(gòu)，每個(gè)LED具有單獨(dú)的模式開(kāi)關(guān)，可顯著提高效率并延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。這些WLED驅(qū)動(dòng)器使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)類似電感器的效率，同時(shí)受益于電荷泵解決方案提供的簡(jiǎn)單性和成本節(jié)約。