手机LCD背光驱动电荷泵的选择

2007年11月13日

作者：美国研诺逻辑科技有限公司颜重光

手机、手持无绳电话、对讲机之类的手持通信产品都使用电池作为电源的，因此管理好电池电力的使用，可以延电池的寿命，提高使用效率，用科技的方法挖掘电池的潜力，可以获得更经济的利益。手机的LCD彩屏需要高亮度的白光LED去电亮，白光LED需要供给稳定的5V工作电压或恒定的电流，如果工作电压下降，会影响白光LED的亮度，LCD彩屏的显示效果就不理想、颜色不鲜明。白光LED的电源不能直接到电池上，因为电池一开始使用，电压就递减，影响使用效果。所以在电路设计上需要使用一个升压型的电荷泵，把递降的电压在一段较长的时间内稳定在5V，充分挖掘电池的潜力，提高使用经济效益。

1)电荷泵的种类

开关式调整器升压泵 (图1.a)

无调整电容式电荷泵(图1.b)

可调整电容式电荷泵(图1.c)

三个电路的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电荷泵采用电容器。

1 ) 电荷泵的工作原理

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1μF)，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS（ON）。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它输出电压是工厂生产精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,它实际上是一个片上系统(图2)。

1)电荷泵选用要点
作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：
转换效率要高
无调整电容式电荷泵90%
可调整电容式电荷泵85%
开关式调整器83%
静态电流要小，可以更省电；
输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；
噪音要小，对手机的整体电路无干扰；
功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计的更小巧；
足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；
封装尺寸小是手持产品普遍要求；
按装成本低，包括周边电路少占PCB板面积小，走线少而简单；
具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。

2) 几种不同的电荷泵

输出并联稳压供电，周边零件少，走线简单，转换效率高的AAT3110（图3）
输出供电需要单独走线的LM2794（图.4）
恒流输出串联供电的LT1932（图.5)

1) AAT3110电荷泵的性能

AAT3110微功率升压电荷泵是美研诺逻辑科技有限公司（AATI）开发的微功率开关电容器电压提升转换器，它可以提供一个稳定的5V输出，应用时没有其它升压泵运作所必需的电感器，周边只使用三个小的陶瓷电容器，它能输出100mA电流。它可以驱动4-5个白色或蓝色LED，以满足彩色LCD背光的应用。

AAT3110的特点是非常低的静态电流和高的转换效率，负载范围大，是电池电源应用的理想器件。AAT3110工作在电压升压状态，在750KHz高频运作，使用脉冲跳跃技术，从变化的输入电压中提供一个稳定输出电压。输入电压范围2.7V-5.5V，输出稳定的5V电压，转换效率达90%以上，，输出纹波大大小于同类产品，ESD大于2KV，具有短路保护、过温保护功能，AAT3110自身功耗甚微仅13uA，在停机状态下耗用电流小于1uA。AAT3110与其它公司同类产品相比输出电流大、纹波小、价格低（图.6），实际应用时对LED并联供电（图.7）走线少，使用方便，因而工艺成本低，周边电路不使用电感器件，无EMI辐射。

AAT3110主要技术数：

工作电压：Vin=2.7-5.5V
输出电压：Vout=5.0V/100mA
静态电流：Iq=13uA
停机状态电流：ISHDN=1uA
工作效率：90%以上，
工作频率：750KHz
封装： SOT23-6SC70JW-8

AAT3110采用6脚SOT-23和8脚SC70JW小尺寸封装，适用于表面贴装，在PCB板上所占空间很小。SC70JW是AATI专利超小8个脚封装，晶片占空比达42%，占用PCB面积仅4.2平方毫米，芯片抬起按装可利应空气受热自然流动散热和多3个脚接地可充分利用PCB散热。

AAT3111也是类似的微功率升压电荷泵，它的工作电压是1.8V-3.3V/3.6V，输出100mA稳定的3.3V或3.6V，最适合于使用二个电池作为电源的产品。

电荷泵适用于手机、PDA、E-Book、平板显示器、智能读卡机、USB5V稳压电源、GSM手机的SIM接口电源。