驱动白光LED的自适应增益电荷泵技术和应用实例

驱动白光LED的自适应增益电荷泵技术和应用实例

需维持恒定发光度的白光LED一般都采用恒定直流电流源驱动。在有单节锂离子电池供电的便携式应用中，白光LED上电压降与电流源电压之和可以低于电池电压，也可以高于电池电压。这意味着尽管红光LED可直接由单节锂离子电池供电，但对白光LED而言，有时却要求对电池电压进行升压。最简便的升压方法是采用步进DC/DC转换器。

这种方法的优点是，由于输入电压可以被提升到等于LED正向电压和电流源净空电压之和，所以在所有的负载和输入电压条件下，其效率都非常高。但效率提升的代价是增加了成本和PCB板面积。事实上，在这一方法中，电感器的占位面积几乎是驱动器IC的两倍。此外，电感器还是电磁干扰(EMI)的来源，而EMI对手机显示及无线通信的性能都有影响。

提升电池电压的另一种途径是采用电荷泵，也称作开关式电容转换器。电容存储电荷或能量，以便在某个预定时间以某个预定速度释放电荷。假设由一个理想电压电源V_G给一个理想电容器(图1a)充电，电容器会立即进行电荷存储，可用狄拉克脉冲函数(图1b)表示。总的存储电荷等于：

Q=CV_G

真实电容器具有等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)，尽管两者均不会影响电容器的储能容量，但却能严重影响开关式电容电压转换器的整体效率。图1c显示了真实电容器充电时的等效电路，其中RSW是开关阻抗。充电电流路径也有串联电感，但通过正确的元件布局可减少这个串联电感。

图1：电压源对电容器充电的理想等效电路和电压电流响应(图a和图b)，以及真实等效电路和电压电流响应(图c和图d)。

一旦对充电电路导通，便产生带指数特性的瞬态过程，直到达到稳态状态。电容的寄生效应限制了峰值充电电流，并增加了电荷转移时间(图1d)。换言之，电容电荷的累积不能在立刻出现，这意味着电容上的初始电压变化等于0。

电荷泵便利用了电容这种特性(图2)。电压转换分两个阶段完成。在第一阶段，开关S1、S2和S3闭合，S4到S8断开，于是C1和C2串联。假设C1=C2，则电容充电直到电容电压等于输入电压的一半：

V_C1+-V_C1-=V_C2+-V_C2-=V_IN/2

输出负载电流由输出电容CHOLD提供。随着电容的放电，输出电压降到输出电压期望值以下，这时第二阶段被激活，以便将输出电压提高到这个期望值之上。在第二阶段，C1和C2并联，连接在V_IN和V_OUT之间。开关S4到S7闭合，但S1、S2、S3和S8断开。由于电容上的压降不能立刻发生变化，所以输出电压升高到等于输入电压值的1.5倍。

V_C1+-V_C1-=V_C2+-V_C2-=V_OUT-V_IN=V_IN/2=gt;V_OUT=3V_IN/2

这就完成了升压操作。转换信号的占空比一般是50%，因为这一数值通常能产生最优化的电荷转移效率。闭合开关S8，并让S1到S7保持断开状态，可实现1倍增益的电压转换。

图2：具有1倍和1.5倍增益的电荷泵电路。

恒流LED驱动器

图3中的LED驱动器基于1倍和1.5倍增益的自适应电荷泵，电荷泵的输入连接至V_IN引脚，输出连接至V_OUT引脚。电荷泵有开环和闭环两种工作模式。在开环模式中，V_OUT上的电压等于输入电压乘以增益倍数。当电荷泵工作在闭环模式时，V_OUT处的电压被调节到一个恒定电压值(V_REG)。内部电流源为共阳极配置的每个LED控制电流。可通过外部电阻(R_SET)对峰值驱动电流进行编程。

图3：这个该基于电荷泵的白光LED驱动电路可驱动4个LED。

由低压降调节器完成电流调节功能(图4)。误差放大器将R2上的电压(V2)与基准电压(V_REF)进行比较，然后通过串联旁路元件(nMOS晶体管)把LED电流(I_DX)调节到驱动误差信号(VERR=V_REF-V2)所需的值。这个电流值应尽量接近零。V_REF为：

图4：在恒流LED驱动器中，误差放大器将R2上的电压(V2)与基准电压(VREF)进行比较。

V_REF=I_SET×R1

其中I_SET=1.25V/R_SET

假设V_REF=V2，则通过每个LED的电流为：

I_DX=(R1/R2)×I_SET

这只有在V_OUT-V_LED的值足够高以避免旁路元件饱和时才适用。事实上，电流电源上要求一个被称为净空电压(V_HR)的最小电压，以提供通过LED的期望调节电流。净空电压可由一个电阻R_HR来模拟(图5):

图5：电流源净空电压(VHR)用一个其上电流等于IDX的等效电阻来模拟。

V_HR=R_HR×I_DX

另外，可根据LED正向压降、电流源上的电压以及输入电压来选择增益(图3)以维持电流调整状态。这样，在最大范围的输入电压上，器件都能保持工作在效率最高的1倍增益模式，从而降低电池功耗。

电荷泵的一个重要参数是输出阻抗(R_OUT)，该参数与电荷泵工作增益有关，且模拟了导致电荷泵输出V_OUT下降的电荷泵内部损耗。由于此电压的下降幅度与电荷泵输出电流成正比，所以损耗参数可被等效为一个电阻。

假设电荷泵工作在1倍增益模式，则V_IN上的电压非常高，足以用编程电流向所有LED供电：

V_IN≥(4R_OUT×1×I_DX)+V_LED(MAX)+V_HR+V_HYS

电压V_HYS在1～1.5倍和1.5～1倍增益跃迁之间产生滞后现象(图6)。这种滞后可防止电荷泵因系统参数(V_IN、V_LED等)微小变化而不断来回地从一个增益转换到另一个增益，从而得到界限分明的增益跃迁。

图6：滞后特性图显示了针对指定的VIN和IDX的增益跃迁。

若下列条件成立，则该器件将工作在具有经调节输出电压V_REG的闭环模式下，V_REG大于V_LED(最大值)、V_HYS和V_HR之和：

(1×V_IN)-(4R_OUT×1×I_DX)gt;V_REG

否则，该器件将工作在开环模式，以允许输出电压跟随输入电压。

V_OUT=V_IN-(4R_OUT×1×I_DX)REG

具有1倍增益的开环模式也称为旁路模式，这种工作模式类似于低压降调节器工作在压降区域时的行为模式。内部电路在电压开始下降时监控所有电流源，此时电流源不再提供编程电流。随着电池电压的降低，具有最大正向电压的LED将首先达到压降阈值(dropout threshold)：

V_LED(MAX)=V_IN-(4R_OUT×1×I_DX)-V_HR

当所有的LED都达到压降阈值时，LED驱动器将切换到1.5倍增益，而电荷泵将工作在输出电压V_OUT被调节为V_REG的闭环模式下。只要下列条件成立，器件工作在1.5倍增益模式下。

V_LED(MAX)gt;V_IN-(R_OUT×1×4×I_LED)-V_HR-V_HYS

当电荷泵工作在1.5倍增益时，V_IN上的电压不足以维持调节输出电压V_REG，于是电荷泵将工作在开环模式：

V_OUT=1.5×V_IN-(R_OUT×1.5×4×I_LED)REG

输出电压的调节是通过调节开关驱动电路的电源电压来实现的，这样对电荷泵内部的损耗也进行了调节。通过用一个电阻来模拟电荷泵中的损耗，调节R_OUT将提供期望的输出电压V_REG。

V_REG=(Gain×V_IN)-(R_OUT×I_OUT)

R_OUT×1.5和R_OUT×1分别代表电荷泵为1.5倍增益和1倍增益时的最小输出阻抗。V_REG、R_HR、R_OUT×1和R_OUT×1.5的典型值分别为4.5V、10mV/mA、1W和3W。

图7：在典型的效率图中，步长变化代表增益跃迁。

输入功率和LED效率

假设所有LED都是一样的，用于计算效率的输出功率关系为：

P_OUT=4×V_LED×I_DX

LED的驱动效率为：

η=(4×V_LED×I_DX)/(V_IN×I_IN)

其中I_IN=Gain×4×I_Q，I_Q是LED驱动器的电源电流。图7给出了一个用步长表示增益跃迁的典型效率图。

但对给定的LED电流而言，正向电压可随工艺和温度而变化。这意味着尽管白光LED的亮度保持一致，但它们的效率一样，因为白光LED亮度只和电流有关。

应用实例

为清楚地说明这点，这里讨论一个基于自适应电荷泵的LED驱动器电路。该电路的有关参数为V_LED=3.0V、I_DX=15mA、V_IN=3.7V，忽略静态电流I_Q，当电荷泵以1倍增益工作时，输入电流为：

I_IN=1×4×I_DX=60mA

因此，该电路的效率和输入功率为：

η=(4×V_LED×I_DX)/(V_IN×I_IN)≈81.1%

P_IN=222mW

若LED的正向电压为3.3V，则相同电路的效率和输入功率计算如下：

η=(4×V_LED×I_DX)/(V_IN×I_IN)≈89.2%

P_IN=222mW

由此可见，虽然电路的效率提高了，但输入功率保持不变。这说明LED效率不影响从电池获得的功率，而是影响驱动器电路的总功耗。因此，效率并不是一个合适的用于评估功耗的优良指数。评估功耗必须考虑输入功率与LED亮度(即LED电流)的关系，输入功率可真实度量对于指定的LED亮度有多少电子从电池流出。在上述条件下，不论V_LED等于多少，具有1.5倍增益的电路的输入功率等于333mW。

由于电荷泵转换器的电压增益数量有限，所以根据具体的应用，驱动器电路中总是存在一定量的功率损耗。因此，为将输入功率减至最小，电荷泵的工作增益应尽可能小，这点非常重要。低R_OUT和V_HR使电荷泵能在尽可能宽的输入电压范围工作在1倍增益模式下。

在设计便携式应用的彩屏背光时，设计人员必须面对的主要约束是功耗、空间、成本和亮度质量。

利用开关式电容代替基于电感器的转换技术具有一些优势。开关式电容转换器的一个明显优点是它消除了电感器及其相关的磁设计问题。因而，它们往往具有相对低的噪声和最小的EMI辐射。应用电路十分简单，并且只有很少的小电容。由于没有电感器，最终的PCB板元件高度一般比同等的开关转换器小。

最后，恒流调节器方法为这些功能进行了很好地电流匹配(一般为0.2%到1%)，即优良的亮度均匀性。在评估基于电荷泵的LED驱动器的功耗时，需要考虑给定亮度等级下的输入功耗。在电荷泵中，输入功率与器件的工作增益有直接关系。而对基于电感的DC/DC转换器来说，输入功率取决于LED正向电压。

来源：电子系统设计