利用電荷泵實(shí)現背光源的設計方法分析

至1996年日亞化學(xué)發(fā)表藍光LED之后，白光LED就被視為下一代照明光源最具發(fā)展潛力的器件。目前白光LED已經(jīng)廣泛應用在公共場(chǎng)所步道燈、汽車(chē)照明、交通號志、便攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率，一般認為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，而電荷泵是利用電容達到升降壓的DC/DC轉換器，非常適用于手持式系統中小尺寸面板的背光源。

電荷泵將能量?jì)Υ嬖陔娙萆先缓筠D移到輸出，而不需利用電感儲能方式，故在PCB布局時(shí)占有面積、高度及成本上的優(yōu)勢，此種不用電感的低功率輔助電源設計在目前電子產(chǎn)品強調輕薄短小上是較佳選擇。

常見(jiàn)電荷泵

依電荷泵的輸出電壓不同可分為2倍壓、1.5倍壓及負電壓架構。主要工作模式如下：

1.2倍壓架構

2倍壓架構顧名思義也就是在輸出端VOUT電壓為兩倍VIN電壓，其所需要的器件為開(kāi)關(guān)(Q1~Q4)與電容(CIN、COUT、CPUMP)，而電路動(dòng)作可分為充電階段與轉移階段(TransferPhase)。

充電階段：Q1和Q4閉合，Q2和Q3打開(kāi)，此時(shí)輸入電壓(VIN)對CPUMP充電，如此在CPUMP兩端的電壓為VIN。

轉移階段Q1和Q4打開(kāi)，Q2和Q3閉合，此時(shí)輸入電壓(VIN)與CPUMP串聯(lián)對COUT充電，如此在COUT端輸出電壓即為兩倍輸入電壓。

使用這種方法可以實(shí)現輸出電壓為輸入電壓的兩倍。開(kāi)關(guān)信號的占空比通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉移效率。

2.1.5倍壓架構

1.5倍壓架構也就是在輸出端VOUT電壓為1.5倍VIN電壓，其所需要的器件為開(kāi)關(guān)(Q1~Q7)與電容(CIN、COUT、CPUMP1、CPUMP2)，而電路動(dòng)作同樣可分為充電階段與轉移階段。

充電階段：Q1、Q4和Q7閉合，Q2、Q3、Q5和Q6打開(kāi)，此時(shí)輸入電壓(VIN)對CPUMP1和CPUMP2充電，如此在電容兩端電壓分別為1/2VIN。

轉移階段：Q1、Q4和7打開(kāi)，Q2、Q3、Q5和Q6閉合，此時(shí)CPUMP1與CPUMP2為并聯(lián)再與輸入電壓(VIN)串聯(lián)對COUT充電，如此在COUT端輸出電壓即為1.5倍輸入電壓。

使用7個(gè)切換開(kāi)關(guān)可以實(shí)現輸出電壓為輸入電壓的1.5倍。開(kāi)關(guān)信號的占空比通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉移效率。

3．負壓架構

負壓架構也就是在輸出端VOUT電壓為負VIN電壓，其所需器件為開(kāi)關(guān)(Q1~Q4)與電容(CIN、COUT、CPUMP1)，而電路動(dòng)作同樣可分為充電階段與轉移階段。

充電階段：Q1和Q2閉合，Q3和Q4打開(kāi)，此時(shí)輸入電壓(VIN)對CPUMP充電，如此在電容兩端電壓為VIN。

轉移階段：Q1和Q2打開(kāi)，Q3和Q4閉合，此時(shí)CPUMP對COUT充電，如此在COUT端輸出電壓即為負的輸入電壓，而輸入端對輸出端而言即可獲得兩倍電壓差。

使用這種方法可以實(shí)現輸出電壓為負的輸入電壓。開(kāi)關(guān)信號的占空比通常為50％。

電荷泵等效電路分析

接下來(lái)我們深入探討電荷泵的等效電路，并分析電容與工作頻率對電荷泵的影響。以?xún)杀秹杭軜嫗槔?，電路結構參考圖1。而其工作時(shí)可分為如圖2所示的電路：

圖1：電荷泵2倍壓架構。

圖2：電荷泵工作時(shí)的等效電路。

圖3：電荷泵1.5倍壓架構。

其穩態(tài)架構電路推導如下，

穩態(tài)：

(D為占空比=0.5；VPUMP-ON為打開(kāi)時(shí)電容C1上的電壓；VPUMP-OFF為關(guān)斷時(shí)電容C1上的電壓；f為開(kāi)關(guān)頻率)將以上公式化簡(jiǎn)帶入，即可獲得下列等效公式

由以上等效電路與公式，可獲得幾個(gè)重要結論：

f(開(kāi)關(guān)頻率)增快可以獲得較大的驅動(dòng)能力與較好的效率；

C1電容選擇容值較大且ESR較小者，可以獲得較大的驅動(dòng)能力與較好的效率；

電荷泵的優(yōu)劣與其開(kāi)關(guān)(Q1~Q4)的RDS-ON值大小直接相關(guān)，值越小電荷泵工作特性越佳

而電荷泵1.5倍壓架構的等效電路亦可由相同的推導獲得。

電荷泵的工作特性受f(開(kāi)關(guān)頻率)、電容C1與ICRDS-ON影響，可是并非一味追求極限才是好，f(開(kāi)關(guān)頻率)過(guò)大會(huì )影響EMI，電容C1會(huì )影響PCB布局面積，RDS-ON要小則IC成本會(huì )較貴，因此在眾多考慮下如何取得平衡也是一種技術(shù)。

電荷泵驅動(dòng)LED方案

白光LED需要大于LED正向偏壓的電壓驅動(dòng)導通，所以利用電荷泵提高電壓驅動(dòng)LED，如需要較高的質(zhì)量則會(huì )多加用一個(gè)恒定直流電流源以保持恒定的亮度。

電荷泵可單獨使用在中小尺寸面板背光源。一般電荷泵使用在中小尺寸背光源時(shí)還會(huì )與電流源配合使用，因電荷泵提供白光LED足夠的電壓而電流源提供一個(gè)恒定直流電流源驅動(dòng)白光LED，以保持恒定的亮度，且電流源每一通道間電流差異不可超出15%，超出15%人類(lèi)眼睛即會(huì )分別出LED間亮度不均現象，除此的外電流源還有偵測電壓使電荷泵自動(dòng)切換不同升壓模式與配合面板大小減少驅動(dòng)LED數目的功能。

電荷泵自動(dòng)切換不同升壓模式，也就是當輸入電壓足夠維持LEDVF加上電流源工作電壓時(shí)，電荷泵將不動(dòng)作。隨著(zhù)輸入電壓下降，LED電流保持不變則LEDVF不變，而輸入電壓降低會(huì )壓縮到電流源工作電壓，當到達電流源最低工作電壓時(shí)，電荷泵即開(kāi)始動(dòng)作將輸出電壓提高以維持足夠的電壓提供LED與電流源。電流源可配合客戶(hù)使用的面板大小來(lái)使用適當數量的LED，不會(huì )因LED數目的不同需要更換不同IC。

LED的調光方式

為配合使用者的習慣與使用環(huán)境亮度，調整LED亮度成為重要的應用，LED的亮度與LED電流成正比，當欲獲得較強的亮度時(shí)則必須提供較大的LED電流，反之亦然。一般常見(jiàn)調光方式可分為PWM方式與數字式：