白光LED驱动电路拓扑的选择

白光LED驱动电路拓扑有升压变换器或电荷泵两种电路拓扑可供选择，具体选择时要考虑两种解决方案的所有具体因素。不同的最终应用对白光LED驱动器的要求可能差别极大，这点非常重要。若用白光LED作为LCD背光源，组件高度可能是最重要的设计参数，而对于个入数字助理（PDA）显示器而言，最重要的设计参数则可能是效率问题。采用TPS60230电荷泵驱动白光LED的典型应用电路如图1所示。TPS60230由锂离子电池直接供电，其典型输入电压范围为3.0～4.2V，可同时为最多5个白光LED供电，每个白光LED的电流为20mA。

　　图1 TPS60230电荷泵驱动白光LED的典型应用电路

　　采用TPS61062升压变换器驱动白光LED的典型电路如图2所示。如图2所示的升压变换器是IC技术的最新开发成果之一。作为全面集成的同步升压变换器，它无须外接肖特基二极管就能够达到尺寸最小的目的，所需的外部组件数量最少。

　　1.电荷泵与升压变换器效率的比较
　　如图2与图3所示的解决方案，很难说哪一种解决方案就是一个高效的解决方案，这是因为整体效率取决于白光LED正向电压、锂离子电池放电特性及白光LED电流等具体应用参数等。基于电荷泵的解决方案的典型效率曲线如图2－58所示。当变换器工作在1倍压模式情况下时，增益为1，输入电压范围从4.2V降至3.6V不等，效率水平高于75％。在1倍压模式中，输入电压经稳压降至白光LED的正向电压，通常为3.1～3.5V。1倍压模式的另一优点是：开关器件不工作在开关状态，因此可以避免EMI问题。

　　图2 TPS6l062升压转换器驱动白光LED的典型电路

　　图3 电荷泵解决方案的典型效率曲线

　　但是，由于LED正向电压及驱动器IC内部电压下降的情况不同，在驱动器从1倍压模式转为升压模式（boost mode）而采用的增益为1.5倍压时，效率会大幅下降。在升压模式下，开关器件工作在开关状态，输出电压为输入电压的1.5倍，这需要对电压进行调节，以使电压降至白光LED所需正向电压的水平，这就降低了效率。因此，驱动器工作在1倍压模式下，其时间越长，电荷泵效率就越高。

　　与电荷泵解决方案不同，升压变换器TPS61062解决方案的典型效率曲线如图4所示。在锂离子电池的整个输入电压范围下，其效率均可达到75％～80％。某些升压变换器解决方案在使用外部校正二极管的情况下，其效率甚至高达85％。若TPS61042驱动白光LED少于5个，那么效率还会提高，因为输入到输出的电压转换比较低。总体说来，升压变换器的效率比电荷泵解决方案略高，特别在为4个以上白光LED供电时更是如此。

　　图4 升压转换器TPS61062解决方案的典型效率曲线

　　2.电荷泵与升压变换器占板面积的比较
　　过去，电荷泵解决方案是有明显的优势的，这主要是因为升压变换器采用了较大的电感器和外部肖特基二极管。随着最新技术的发展及更高的集成度，升压变换器的尺寸大小也达到了与电荷泵解决方案大致相当的水平。由于电荷泵驱动器所需的引脚数量较大，因此器件封装也相应较大，需要两个外部泵电容，在这种情况下，电荷泵解决方案的占板面积大小与升压变换器相当，甚至还要再大些。如果将升压变换器的开关频率上升至高达1MHz，就能使用小型的电感器和小容量的输出和输入电容。如TPS61062可用其内部控制回路来控制电感器电流，正常工作时电感器电流通常小于最大交换电流。这时就可采用较小的电感器，使其最大额定电流刚好达到电感器的最大峰值电流。如向4个白光LED供电时，采用饱和电流为200mA的电感器就足够了。如果没有特定的内部环路设计，电感器的饱和电流必须为400mA的额定值，这就要求更大的电感器，从而会占用更大的占板面积。

　　3．电荷泵与升压变换器组件高度的比较
　　当组件高度小于1mm的情况下，电感器会相当大。因此当需要组件高度必须小于1mm时，电荷泵解决方案是更好的选择。

　　4.电荷泵与升压变换器EMI的比较
　　在考虑到EMI问题时，应分析升压变换器的电感器带来的EMI问题。通常来说，可能的电磁辐射不会是大问题，因为RE敏感区周围的电感器是屏蔽的，故电感式升压变换器造成EMI问题的原因为：输入和输出电压滤波不足从而产生传导干扰，或印制电路板（PCB）布局或布线不理想而产生电磁干扰。

　　在锂离子电池供电的无线电子设各中，白光LED驱动器的开关噪声会进入RF系统，与白光LED驱动器的输入耦合。带有脉动输入电流的白光LED驱动器，其输入端直接连接至电池电极端。由于RE部分也由电池供电，因此白光LED驱动器输入端的开关噪声也存在于电

　　池连接处，同时也存在于RF电路的输入端，这就会导致严重的干扰。为了明确哪种白光LED驱动器解决方案在传导EMI方面的性能更好，应比较升压变换器与电荷泵解决方案的输入电压纹波。

　　一种*估解决方案的办法就是用频谱分析仪检查输入端，如果器件以固定的开关频率工作，那么频谱将显示基波的开关频率及其谐波。

　　开关频率为1MHz的升压变换器的输入频谱如图5所示，由图5可知谐波在更高的开关频率上。为了将RE部分的干扰降至最低，基波频率及其谐波应尽可能高，振幅则应保持较低。这是因为变换器的开关频率会与发射机的载频相混合，使边带也有载频。边带出现在发射机的输出频带中，刚好比发射机频率高或低一个开关频率。开关频率越低，边带离载频就越近，可降低发射机的信噪比；开关频率越高，边带离载频就越远，并加大发射机的信噪比。当然，变换器开关频率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因为如此，固定的变换器开关频率等于及高于1MHz时，通常适合大多数应用的要求。

　　图5 开关频率为1MHz的升压变换器的输入频谱

　　在相同设置下，电荷泵解决方案的输入纹波电压是升压变换器解决方案的两倍。这是由于电荷泵工作于1.5倍压模式下会产生几乎为方形波的输入电流。作为输入滤波器，电荷泵只有输入电容，而升压变换器带有电感及输入电容，可更好地完成输入滤波器的工作，从而实现较低的输入电压纹波。为了进一步降低输入电压纹波，在采用升压变换器及电荷泵解决方案时最有效的方法就是增加输入电容的值。对于非常敏感的应用场合，还可考虑增加额外的LC输入滤波器或采用较小的铁氧体磁珠。
　
　　可以清楚地看到，电荷泵解决方案满足不了所有的应用需求，升压变换器解决方案也是如此。选择解决方案时要根据具体的最终应用要求及关键参数来考虑。此外，电荷泵解决方案在EMI方面并不优于升压变换器解决方案。表1归纳了选择电荷泵或升压变换器解决方案时的重要选择标准。

　　表1 电荷泵与升压变换器解决方案的比较