負電荷泵為WLED背光應用提供堪比電感電路的高效率

摘要：設計人員通常采用電荷泵或基于電感的boost電路提供白光LED (WLED)的正向導通偏置電壓。電荷泵價(jià)格較低且使用方便，但截至目前，這種架構所能提供的效率低于基于電感的boost電路。本應用筆記介紹的負電荷泵方案能夠達到基于電感的設計方案的效率，并且，由于省去了電感可大大簡(jiǎn)化系統設計并降低成本。

概述

白光LED (WLED)具有小外形和高亮度輸出，是手機和其它便攜設備小尺寸彩色顯示屏的理想背光解決方案。然而，WLED用于單節鋰離子(Li+)電池供電的設備往往會(huì )遇到一個(gè)問(wèn)題。多數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無(wú)法滿(mǎn)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(lèi)電路需要額外增加昂貴的電感，必須進(jìn)行仔細的布局和設計，以避免電磁和射頻干擾。相比之下，電荷泵方案易于實(shí)現且成本低廉，但是它們往往效率較低，因此相應縮短了電池工作時(shí)間。

負電荷泵技術(shù)提供低成本、高效解決方案

Maxim的負電荷泵架構具有自適應切換功能，能夠達到電感架構的效率(平均效率為85%)，并保留了無(wú)電感設計所具備的簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)勢。

這一創(chuàng )新架構采用自適應切換模式，為每個(gè)LED提供獨立的供電、調光以及電流調節，使LED驅動(dòng)效率提高12%，在便攜產(chǎn)品中能夠有效延長(cháng)電池使用壽命、節省PCB空間。由于能夠達到與電感設計同等的轉換效率，大大提升了系統的能源利用率。

分數型電荷泵的效率提升

第一代WLED電荷泵方案內核采用基本的倍壓拓撲結構(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負載電流相比IQ往往很小，因此效率可近似估計為：

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驅動(dòng)電壓。1.5倍壓電荷泵的轉換效率為：

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驅動(dòng)器增加了1倍壓模式。該模式下，當電池電壓較高時(shí)，通過(guò)低壓差電流調節器直接連接電池至LED。1倍壓模式的效率為：

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

≈ VLED/VIN

當電池電壓高到足以直接驅動(dòng)WLED時(shí)，1倍壓模式下的效率可超過(guò)90%。例如當電池電壓為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驅動(dòng)器設計可針對給定電池電壓和LED電壓提供最有效的功率傳輸模式。隨著(zhù)電池(或WLED)電壓的變化，設計方案也會(huì )相應改變模式。但是，電池電壓較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗將會(huì )降低效率，而這些損耗往往是不必要的。當電池電壓下降時(shí)，應該使驅動(dòng)器盡可能長(cháng)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(kāi)關(guān)的損耗，相應的占用更多的空間，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和電流調節器的壓降。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 + 電流調節器的VDROPOUT)

傳統正電荷泵WLED方案采用了pFET旁路開(kāi)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，因為電阻降低往往需要較大的FET，從而增加了功率器件的成本。

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

當VIN不能滿(mǎn)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)驅動(dòng)WLED陽(yáng)極。在正電荷泵架構下實(shí)現1倍壓模式時(shí)，必須用一個(gè)額外的內部開(kāi)關(guān)將VIN直接連至WLED陽(yáng)極，從而旁路電荷泵。

當VIN無(wú)法驅動(dòng)WLED時(shí)，負電荷泵結構也可以產(chǎn)生-0.5x VIN來(lái)驅動(dòng)WLED陰極。然而，1倍壓模式下這種結構并不需要將-0.5x VIN電荷泵輸出旁路至地，這是因為電流調節器控制WLED電流使之直接從VIN流向地。因此，負電荷泵結構可擴展1倍壓模式，VIN最低可為：

VIN(MIN_1X) = VLED + 電流調節器的VDROPOUT

圖2為1倍壓模式負電荷泵電流路徑。該電路不需要pMOS旁路開(kāi)關(guān)，它直接調節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(kāi)關(guān)的壓降將為200mV。放電時(shí)，鋰離子電池電壓將穩定在3.6V至3.8V (典型值)之間。按照典型鋰離子電池放電曲線(xiàn)，1倍壓模式下工作電壓提高200mV，效率將明顯提高。

圖2. 當驅動(dòng)器切換到負電荷泵模式時(shí)每個(gè)WLED可單獨切換，提高了總體效率。

提高任意LED正向電壓時(shí)的效率

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

對于負電荷泵結構，無(wú)需因為只有一個(gè)WLED的正向電壓不滿(mǎn)足要求就放棄高效的1倍壓模式，如圖2所示，模式復用電路為每個(gè)WLED單獨選擇1倍壓模式或-0.5倍壓模式，從而最大程度提高整體效率。