需維持恒定發(fā)光度的白光LED一般都采用恒定直流電流源驅(qū)動。在有單節(jié)鋰離子電池供電的便攜式應用中，白光LED上電壓降與電流源電壓之和可以低于電池電壓，也可以高于電池電壓。這意味著盡管紅光LED可直接由單節(jié)鋰離子電池供電，但對白光LED而言，有時卻要求對電池電壓進行升壓。最簡便的升壓方法是采用步進DC/DC轉(zhuǎn)換器。
這種方法的優(yōu)點是，由于輸入電壓可以被提升到等于LED正向電壓和電流源凈空電壓之和，所以在所有的負載和輸入電壓條件下，其效率都非常高。但效率提升的代價是增加了成本和PCB板面積。事實上，在這一方法中，電感器的占位面積幾乎是驅(qū)動器IC的兩倍。此外，電感器還是電磁干擾(EMI)的來源，而EMI對手機顯示及無線通信的性能都有影響。
提升電池電壓的另一種途徑是采用電荷泵，也稱作開關(guān)式電容轉(zhuǎn)換器。電容存儲電荷或能量，以便在某個預定時間以某個預定速度釋放電荷。假設(shè)由一個理想電壓電源VG給一個理想電容器(圖1a)充電，電容器會立即進行電荷存儲，可用狄拉克脈沖函數(shù)(圖1b)表示�？偟拇鎯﹄姾傻扔冢�
Q=CVG
真實電容器具有等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)，盡管兩者均不會影響電容器的儲能容量，但卻能嚴重影響開關(guān)式電容電壓轉(zhuǎn)換器的整體效率。圖1c顯示了真實電容器充電時的等效電路，其中RSW是開關(guān)阻抗。充電電流路徑也有串聯(lián)電感，但通過正確的元件布局可減少這個串聯(lián)電感。
 圖1：電壓源對電容器充電的理想等效電路和電壓電流響應(圖a和圖b)，以及真實等效電路和電壓電流響應(圖c和圖d)。
一旦對充電電路導通，便產(chǎn)生帶指數(shù)特性的瞬態(tài)過程，直到達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。電容的寄生效應限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉(zhuǎn)移時間(圖1d)。換言之，電容電荷的累積不能在立刻出現(xiàn)，這意味著電容上的初始電壓變化等于0。
電荷泵便利用了電容這種特性(圖2)。電壓轉(zhuǎn)換分兩個階段完成。在第一階段，開關(guān)S1、S2和S3閉合，S4到S8斷開，于是C1和C2串聯(lián)。假設(shè)C1=C2，則電容充電直到電容電壓等于輸入電壓的一半：
VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2
輸出負載電流由輸出電容CHOLD提供。隨著電容的放電，輸出電壓降到輸出電壓期望值以下，這時第二階段被激活，以便將輸出電壓提高到這個期望值之上。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VOUT之間。開關(guān)S4到S7閉合，但S1、S2、S3和S8斷開。由于電容上的壓降不能立刻發(fā)生變化，所以輸出電壓升高到等于輸入電壓值的1.5倍。
VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VOUT-VIN=VIN/2=>VOUT=3VIN/2
這就完成了升壓操作。轉(zhuǎn)換信號的占空比一般是50%，因為這一數(shù)值通常能產(chǎn)生最優(yōu)化的電荷轉(zhuǎn)移效率。閉合開關(guān)S8，并讓S1到S7保持斷開狀態(tài)，可實現(xiàn)1倍增益的電壓轉(zhuǎn)換。
 圖2：具有1倍和1.5倍增益的電荷泵電路。
恒流LED驅(qū)動器
圖3中的LED驅(qū)動器基于1倍和1.5倍增益的自適應電荷泵，電荷泵的輸入連接至VIN引腳，輸出連接至VOUT引腳。電荷泵有開環(huán)和閉環(huán)兩種工作模式。在開環(huán)模式中，VOUT上的電壓等于輸入電壓乘以增益倍數(shù)。當電荷泵工作在閉環(huán)模式時，VOUT處的電壓被調(diào)節(jié)到一個恒定電壓值(VREG)。內(nèi)部電流源為共陽極配置的每個LED控制電流�？赏ㄟ^外部電阻(RSET)對峰值驅(qū)動電流進行編程。
 圖3：這個該基于電荷泵的白光LED驅(qū)動電路可驅(qū)動4個LED。
由低壓降調(diào)節(jié)器完成電流調(diào)節(jié)功能(圖4)。誤差放大器將R2上的電壓(V2)與基準電壓(VREF)進行比較，然后通過串聯(lián)旁路元件(nMOS晶體管)把LED電流(IDX)調(diào)節(jié)到驅(qū)動誤差信號(VERR=VREF-V2)所需的值。這個電流值應盡量接近零。VREF為：
 圖4：在恒流LED驅(qū)動器中，誤差放大器將R2上的電壓(V2)與基準電壓(VREF)進行比較。
VREF=ISET×R1
其中ISET=1.25V/RSET
假設(shè)VREF=V2，則通過每個LED的電流為：
IDX=(R1/R2)×ISET
這只有在VOUT-VLED的值足夠高以避免旁路元件飽和時才適用。事實上，電流電源上要求一個被稱為凈空電壓(VHR)的最小電壓，以提供通過LED的期望調(diào)節(jié)電流。凈空電壓可由一個電阻RHR來模擬(圖5):
 圖5：電流源凈空電壓(VHR)用一個其上電流等于IDX的等效電阻來模擬。
VHR=RHR×IDX
另外，可根據(jù)LED正向壓降、電流源上的電壓以及輸入電壓來選擇增益(圖3)以維持電流調(diào)整狀態(tài)。這樣，在最大范圍的輸入電壓上，器件都能保持工作在效率最高的1倍增益模式，從而降低電池功耗。
電荷泵的一個重要參數(shù)是輸出阻抗(ROUT)，該參數(shù)與電荷泵工作增益有關(guān)，且模擬了導致電荷泵輸出VOUT下降的電荷泵內(nèi)部損耗。由于此電壓的下降幅度與電荷泵輸出電流成正比，所以損耗參數(shù)可被等效為一個電阻。
假設(shè)電荷泵工作在1倍增益模式，則VIN上的電壓非常高，足以用編程電流向所有LED供電：
VIN≥(4ROUT×1×IDX)+VLED(MAX)+VHR+VHYS
電壓VHYS在1～1.5倍和1.5～1倍增益躍遷之間產(chǎn)生滯后現(xiàn)象(圖6)。這種滯后可防止電荷泵因系統(tǒng)參數(shù)(VIN、VLED等)微小變化而不斷來回地從一個增益轉(zhuǎn)換到另一個增益，從而得到界限分明的增益躍遷。
 圖6：滯后特性圖顯示了針對指定的VIN和IDX的增益躍遷。
若下列條件成立，則該器件將工作在具有經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓VREG的閉環(huán)模式下，VREG大于VLED(最大值)、VHYS和VHR之和：
(1×VIN)-(4ROUT×1×IDX)>VREG
否則，該器件將工作在開環(huán)模式，以允許輸出電壓跟隨輸入電壓。
VOUT=VIN-(4ROUT×1×IDX)REG
具有1倍增益的開環(huán)模式也稱為旁路模式，這種工作模式類似于低壓降調(diào)節(jié)器工作在壓降區(qū)域時的行為模式。內(nèi)部電路在電壓開始下降時監(jiān)控所有電流源，此時電流源不再提供編程電流。隨著電池電壓的降低，具有最大正向電壓的LED將首先達到壓降閾值(dropout threshold)：
VLED(MAX)=VIN-(4ROUT×1×IDX)-VHR
當所有的LED都達到壓降閾值時，LED驅(qū)動器將切換到1.5倍增益，而電荷泵將工作在輸出電壓VOUT被調(diào)節(jié)為VREG的閉環(huán)模式下。只要下列條件成立，器件工作在1.5倍增益模式下。
VLED(MAX)>VIN-(ROUT×1×4×ILED)-VHR-VHYS
當電荷泵工作在1.5倍增益時，VIN上的電壓不足以維持調(diào)節(jié)輸出電壓VREG，于是電荷泵將工作在開環(huán)模式：
VOUT=1.5×VIN-(ROUT×1.5×4×ILED)REG
輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)開關(guān)驅(qū)動電路的電源電壓來實現(xiàn)的，這樣對電荷泵內(nèi)部的損耗也進行了調(diào)節(jié)。通過用一個電阻來模擬電荷泵中的損耗，調(diào)節(jié)ROUT將提供期望的輸出電壓VREG。
VREG=(Gain×VIN)-(ROUT×IOUT)
ROUT×1.5和ROUT×1分別代表電荷泵為1.5倍增益和1倍增益時的最小輸出阻抗。VREG、RHR、ROUT×1和ROUT×1.5的典型值分別為4.5V、10mV/mA、1W和3W。
 圖7：在典型的效率圖中，步長變化代表增益躍遷。
輸入功率和LED效率
假設(shè)所有LED都是一樣的，用于計算效率的輸出功率關(guān)系為：
POUT=4×VLED×IDX
LED的驅(qū)動效率為：
η=(4×VLED×IDX)/(VIN×IIN)
其中IIN=Gain×4×IQ，IQ是LED驅(qū)動器的電源電流。圖7給出了一個用步長表示增益躍遷的典型效率圖。
但對給定的LED電流而言，正向電壓可隨工藝和溫度而變化。這意味著盡管白光LED的亮度保持一致，但它們的效率一樣，因為白光LED亮度只和電流有關(guān)。
應用實例
為清楚地說明這點，這里討論一個基于自適應電荷泵的LED驅(qū)動器電路。該電路的有關(guān)參數(shù)為VLED=3.0V、IDX=15mA、VIN=3.7V，忽略靜態(tài)電流IQ，當電荷泵以1倍增益工作時，輸入電流為：
IIN=1×4×IDX=60mA
因此，該電路的效率和輸入功率為：
η=(4×VLED×IDX)/(VIN×IIN)≈81.1%
PIN=222mW
若LED的正向電壓為3.3V，則相同電路的效率和輸入功率計算如下：
η=(4×VLED×IDX)/(VIN×IIN)≈89.2%
PIN=222mW
由此可見，雖然電路的效率提高了，但輸入功率保持不變。這說明LED效率不影響從電池獲得的功率，而是影響驅(qū)動器電路的總功耗。因此，效率并不是一個合適的用于評估功耗的優(yōu)良指數(shù)。評估功耗必須考慮輸入功率與LED亮度(即LED電流)的關(guān)系，輸入功率可真實度量對于指定的LED亮度有多少電子從電池流出。在上述條件下，不論VLED等于多少，具有1.5倍增益的電路的輸入功率等于333mW。
由于電荷泵轉(zhuǎn)換器的電壓增益數(shù)量有限，所以根據(jù)具體的應用，驅(qū)動器電路中總是存在一定量的功率損耗。因此，為將輸入功率減至最小，電荷泵的工作增益應盡可能小，這點非常重要。低ROUT和VHR使電荷泵能在盡可能寬的輸入電壓范圍工作在1倍增益模式下。
在設(shè)計便攜式應用的彩屏背光時，設(shè)計人員必須面對的主要約束是功耗、空間、成本和亮度質(zhì)量。
利用開關(guān)式電容代替基于電感器的轉(zhuǎn)換技術(shù)具有一些優(yōu)勢。開關(guān)式電容轉(zhuǎn)換器的一個明顯優(yōu)點是它消除了電感器及其相關(guān)的磁設(shè)計問題。因而，它們往往具有相對低的噪聲和最小的EMI輻射。應用電路十分簡單，并且只有很少的小電容。由于沒有電感器，最終的PCB板元件高度一般比同等的開關(guān)轉(zhuǎn)換器小。
最后，恒流調(diào)節(jié)器方法為這些功能進行了很好地電流匹配(一般為0.2%到1%)，即優(yōu)良的亮度均勻性。在評估基于電荷泵的LED驅(qū)動器的功耗時，需要考慮給定亮度等級下的輸入功耗。在電荷泵中，輸入功率與器件的工作增益有直接關(guān)系。而對基于電感的DC/DC轉(zhuǎn)換器來說，輸入功率取決于LED正向電壓。 |
