負電荷泵為WLED背光應用提供堪比電感電路的高效
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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(jié)鋰離子(Li+)電池供電的設備往往會遇到一個問題。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)。因此，Li+電池工作電壓范圍的低電壓側無法滿足WLED偏置電壓的要求。通常采用以下兩種方式來產(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，電荷泵方案易于實現(xiàn)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間。
負電荷泵技術提供低成本、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%)，并保留了無電感設計所具備的簡單、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LED提供獨立的供電、調光以及電流調節(jié)，使LED驅動效率提高12%，在便攜產(chǎn)品中能夠有效延長電池使用壽命、節(jié)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(tǒng)的能源利用率。
分數(shù)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(shù)倍。如果電池電壓不夠時，將采用1.5倍壓電荷泵產(chǎn)生足夠高的WLED驅動電壓。1.5倍壓電荷泵的轉換效率為：
PLED/PIN = VLED × ILED/(1.5 × VIN × ILED + IQ × VIN)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％。≈ VLED/1.5VIN
第三代WLED驅動器增加了1倍壓模式。該模式下，當電池電壓較高時，通過低壓差電流調節(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)當電池電壓高到足以直接驅動WLED時，1倍壓模式下的效率可超過90%。例如當電池電壓為4V，WLED電壓為3.7V時，效率為92%。
提高任意電池電壓下的效率
最佳的WLED驅動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。隨著電池(或WLED)電壓的變化，設計方案也會相應改變模式。但是，電池電壓較高時，開關損耗將會降低效率，而這些損耗往往是不必要的。當電池電壓下降時，應該使驅動器盡可能長時間的處于高效率模式。不過，這就要求盡可能降低電源開關的損耗，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合采用1倍壓模式的關鍵往往在于：降低1倍壓模式旁路FET和電流調節(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 + 電流調節(jié)器的VDROPOUT)傳統(tǒng)正電荷泵WLED方案采用了pFET旁路開關將電池電壓連接至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關將VIN旁路至WLED陽極。
當VIN不能滿足1倍壓傳輸模式的要求時，正電荷泵產(chǎn)生1.5x VIN或2x VIN來驅動WLED陽極。在正電荷泵架構下實現(xiàn)1倍壓模式時，必須用一個額外的內部開關將VIN直接連至WLED陽極，從而旁路電荷泵。
當VIN無法驅動WLED時，負電荷泵結構也可以產(chǎn)生-0.5x VIN來驅動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(jié)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(jié)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旁路開關，它直接調節(jié)VIN至地之間的WLED電流。如果總ILED為100mA (即，5個WLED × 20mA)，則在2Ω的pMOS旁路開關的壓降將為200mV。放電時，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. 當驅動器切換到負電荷泵模式時每個WLED可單獨切換，提高了總體效率。
提高任意LED正向電壓時的效率
對于傳統(tǒng)1倍壓/1.5倍壓正電荷泵WLED驅動器，WLED陽極接電荷泵輸出。如果WLED不匹配，當電壓裕量(VIN - VLED)不能夠滿足最壞情況下的WLED正向電壓時，驅動器必須切換到1.5倍壓模式。對于負電荷泵結構，無需因為只有一個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，模式復用電路為每個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。
例如，當輸入電壓不夠高，不能滿足WLED最高正向電壓的要求時，MAX8647/MAX8648電荷泵驅動器打開-0.5倍壓電荷泵。在這種情況下，器件只通過-0.5倍壓負電源(而不是地)驅動VF最高的WLED，而其他正向電壓較低的WLED仍處于1倍壓模式。
為了進一步提高效率，MAX8647/MAX8648為各個WLED提供獨立模式轉換。該技術可以在不同時間以及不同的VIN條件下，根據(jù)VF失配或溫度變化，自適應切換WLED至-0.5倍壓模式(圖3)。
圖3. MAX8647/MAX8648電荷泵WLED驅動器切換到負電荷泵模式時每個WLED可單獨進行模式切換，提高了效率。
總結
傳統(tǒng)方案中，采用電荷泵的WLED背光設計往往比基于電感設計方案的效率低。當任意一路WLED的電流低于預定水平時，正電荷泵結構將切換模式，不再工作在效率最高的1倍壓模式。因此，當系統(tǒng)采用大量WLED并且具有較高正向電壓失配時，將浪費大量功率。負電荷泵結構克服了正電荷泵設計通常具有的效率低下的缺點。諸如MAX8647/MAX8648的器件采用了負電荷泵結構，同時可對每個LED單獨切換模式，可顯著提高效率并延長電池工作時間。這些WLED驅動器為設計人員提供電感電路一樣的效率，同時仍保持電荷泵方案所具有的簡單和低成本的特點。
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