利用电荷泵降低白光LED背光驱动器的成本和体积

在手机和其他移动设备中，白光LED能为小尺寸彩屏提供完美的背光效果。但大部分手机使用单节锂电池供电，而单节锂电池很难直接驱动白光LED。通常锂电池的工作电压范围为3～4.2V，而白光LED的导通压降是  3.5～4.2V（20mA）。因此，锂电池电压降低后将无法直接驱动白光LED。

为了给白光LED提供足够的正向压降，可以使用基于电容的电荷泵或基于电感的升压电路。考虑到效率和电池寿命，基于电感的转换器可能是最好的选择，但是额外的电感会增加系统成本。而且，由于EMI和RF干扰，电感型升压电路需要仔细的设计和布板。与之相比，电荷泵解决方案具有价格便宜、易使用等优势，但效率较低，缩短了电池使用寿命。

随着电荷泵设计技术的改进，新型白光LED驱动芯片，如Maxim等公司的芯片，不但可以获得电感升压电路的效率（大约85％），而且可以保持传统电荷泵设计的简捷、低成本等优势。

分数电荷泵及其对效率的影响
第一代白光LED驱动电荷泵的基本架构是倍压或2x拓扑，2倍压电荷泵的工作效率为：
PLED/PIN=VLED×ILED/(2×VIN×ILED+Iq×VIN)
其中，Iq是电路的静态电流，因为Iq非常小，上式可近似等效为：
PLED/PIN≈VLED/(2VIN)
为了提高效率，第二代白光LED驱动电荷泵的输出不再是输入电压的整数倍。如果电池电压足够，LED驱动器将产生1.5倍压输出，1.5倍压电荷泵的转换效率为：
PLED/PIN=VLED×ILED/(1.5×VIN×ILED+Iq×VIN)≈VLED/(1.5VIN)
从上式可明显看出：1.5倍压电荷泵的效率显著提高了。假设电池电压为3.6V，LED电压为3.7V，效率从2倍压电荷泵的51％提高到69％。
第三代电荷泵引入的1倍压模式进一步提高了效率。当电池电压足够高时，通过一个低压差电流调节器直接将电池连接到LED，此时，效率可以通过下式表示。
PLED/PIN=VLED×ILED/(VIN×ILED+Iq×VIN)VLED/(VIN)
当电池电压足以驱动白光LED时，1倍压模式的效率超过90％。如果电池电压为4V，LED导通压降为3.7V，则效率可达92％。
　　
在不同电池电压下获得最高效率
1倍压转换模式效率最高，但只能用于电池电压高于LED正向压降的情况下。为了获得最高效率，白光LED驱动器设计要求综合考虑电池和LED电压，当电池电压（或LED电压）改变时需要相应地改变驱动器的工作模式。但是，如果在电池电压较高时（而非必要的条件下）改变工作模式，开关损耗可能使电路进入低效率模式。当电池电压下降时，最好尽可能地使驱动器保持在高效模式（例如1倍压模式），对于功率开关而言，为了得到低损耗，芯片面积和成本都将提高。

为了保持1倍压模式能够工作在尽可能低的电池电压下，要尽可能降低1倍压模式调整管FET和电流调节器的压降。压降决定了串联损耗和所能维持的1倍压模式的最低输入电压。最小输入电压由下式表示：
VLED+Bypass PFET RDS(ON)×ILED+VDROPOUT

图1 1倍压模式，正电荷泵使用内部开关旁路VIN和LED的阳极

传统的正电荷泵白光LED解决方案采用PMOS FET作为旁路开关连接电池和LED，如图1所示。FET的导通电阻RDS(ON)大概是1～2Ω。更小的导通电阻将受限于芯片面积和成本。导通电阻越小，芯片面积越大，成本也越高。

当输入电压不足时，正压电荷泵产生1.5倍压或2×VIN的输出，用来驱动白光LED的阳极。为了在正压电荷泵中采用1倍压结构，我们必须使用一个内部开关旁路VIN和白光LED的阳极。当输入电压不足时，负压电荷泵能够产生-0.5VIN输出，驱动白光LED的阴极。工作在1倍压模式时，负压电荷泵结构不需要旁路-0.5VIN到地，因为电流调节器直接控制LED电流从VIN流入GND。由此扩展了1倍压模式的工作电压：VLED+VDROPOUT

图2 负压电荷泵模式

图2显示了1倍压模式下负压电荷泵的电流路径，没有P沟道MOSFET旁路开关，WLED调节电流直接通过VIN流入GND。如果ILED总电流为100mA，P沟道MOSFET的导通电阻为2Ω，则旁路开关压降为200mV。因为锂电池主要工作在3.6～3.8V，对于典型的Li+电池放电曲线，200mV压差、1倍压模式的负压电荷泵可以显著提高效率。
　　
在不同LED正向压降下获得最高效率
传统的1倍压/1.5倍压正电荷泵白光LED驱动器，LED的阳极连接在电荷泵的输出。如果LED不匹配，即每个LED的正向导通压降不同时，如果(VIN-VLED)不足以支持最大正向导通压降，则将驱动器切换到1.5倍压模式。这种情况下可能只有一个LED不能满足导通电压的要求，而电荷泵就必须放弃高效的1倍压模式。负压电荷泵则不同，可以通过多路开关分别选择1倍压模式或-0.5倍压模式。因此，如果某个LED需要较高压降，则不需要将所有通道转到-0.5倍压模式。例如，MAX8647/48驱动器，当输入电压不能驱动导通电压最高的LED时，仅仅打开需要负压电荷泵驱动的LED通道，其他LED仍然保持1倍压工作模式。独立的LED开关可以在不同时刻、不同VIN下切换到-0.5倍压工作模式。

图3 负压电荷泵白光LED驱动器工作效率

　　
结论
负压电荷泵白光LED驱动器能够分别切换各个通道的工作模式，与1倍压/1.5倍压正电荷泵LED驱动方案相比，显著提高了工作效率，如图3所示。