解析可变模式分数电荷泵实现低功耗手机LCD背光驱动方案

LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

LCD背光驱动方案有直接连接电池、电荷泵驱动器电路和DC/DC升压开关调节器三种，然而三种方案在效率、成本、PCB占位面积等方面各自存在不同的缺点。本文介绍的可变模式分数电荷泵结合了这些方案的优点，使用开关调节器的电流匹配概念，具有最小器件数量和低噪声性能以及高效率。

LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W(2010)。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。

LED应用于路灯有先天优势：第一，LED作为点光源，如果设计合理，很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题;第二，对光照射面的均匀度可控，理论上可以做到在目标区域内完全均匀，这也能避免传统光源“灯下亮”现象中的光浪费;第三，色温可选，这样在不同场合的应用中，也是提高效率、降低成本的一个重要途径;第四，技术进步空间依然很大。

手机新增特性的一个缺点是显示背光需要消耗更高的电流。为获得最佳的显示效果，彩色LCD需要白光作为背光源，典型的白光LED实质上要比用在第一代手机中的绿光LED消耗更多电流。

对在这些设计中使用的白光LCD供电，有三种广泛应用的电路方案，但这些方案在显示质量、成本、电路板占用面积和功耗等方面都存在这样或那样的缺点。

影响手机背光设计的两个参数是电池工作电压和LED正向电压。一般手机目前使用工作电压在3.2V到4.2V之间的单块锂电池。另一方面，为在白天获得足够背光，白光LED在正向电压大约为3.3V时，一般每个需要20mA电流。在选择背光方案时，这两个因素决定了在电流消耗、产品质量和成本之间需要做出的设计折衷。可用来给白光LED背光供电的三种普通电路是：直接连接电池、电荷泵驱动器电路和DC/DC升压开关调节器。

将LED直接并行连接到电池的效率很高，因为没有驱动器电路消耗电流，所以很少采用这种方案。另一种通常用来驱动并联白光LED的设计是固定模式的电荷泵升压转换器，该方案的基本原理是利用开关电容器系统对泵电容器进行充放电，从而产生一个比输入电压高的电压。在这些器件中，线性调节器和分数电荷泵用来产生一个比输入电压高的固定输出电压。通常用这个转换器产生一个电压值在4V至5V之间的固定输出电压，因为它可使用相对较低的固定开关频率，所以开关噪声很小并且是可预测的。

为了升高电压，电荷泵相比直接连接电池方法需要更高的电源输出电流，器件的效率则受电压升压因数和器件静电流的制约。然而，电荷泵方案的显示背光质量优于直接连接的方案，因为它在整个输入电池电压范围内保持恒定的输出电压。

也可采用基于电感器的升压转换器驱动串联而不是并联的白光LED，它是通过产生足够高的电压以得到期望输出电流来实现这点的。采用这种方法，LED的亮度可以很好地匹配，因为无论LED的正向电压是多少，LED都能获得相同的电流。升压转换器的效率可能高于固定模式电荷泵，这取决于所需的负载电流和输出电压。

尽管它们的效率非常高，但基于电感器的升压转换器也有它们的缺点：由于开关频率随输出电压变化，所以通常需要增加屏蔽以避免寄生噪声耦合到电话接收器中。相比陶瓷电容器，电感器更大且更贵，因此升压转换器的电路板面积和成本要求一般也比电荷泵系统高。

可变模式分数电荷泵在单个设计中结合了前面这些系统的优点，它使用开关调节器的电流匹配概念，具有标准电荷泵的最小器件数量和低噪声性能以及直接连接电池方法的高效率，以便为手机背光提供最佳平均效率。

图1：四种背光驱动器方案的比较表明，可变模式电荷泵在锂电池放电曲线的85%时间窗口时效率最高，这使其在电池寿命周期中的平均效率达到86%。

这些器件调节电流来保持LED之间亮度的一致性，而不是调节电压。同时，调节保持期望电流所需的输出电压。LED以并联方式连接在一起，这样输出电压就不必像升压转换器系统中要求的那么高的电压。

IC的电荷泵部分一般工作在以下三种模式中的一种：1×模式(电荷泵无效)、1.5×模式(VOUT=1.5×VIN)以及2×模式(VOUT=2×VIN)。当电池电压高于LED的正向电压和阴极控制电压时，器件工作在1×模式，其作用就像线性调节器。随着电话的使用电池逐渐消耗，电荷泵切换到1.5×模式，然后再到2×模式。

这些电荷泵与锂电池一起使用最为理想，因为在锂电池的典型电压范围内，它们的效率最高。通过使器件在整个放电时间内长时间地保持工作在1×模式，这种特性能使分数电荷泵在电池放电周期中获得较高的平均效率。　　下图显示的是四种背光驱动器方案的效率特性。在每个系统中都使用了四个正向电压为3.3V、电流为20mA的白光LED。可变模式电荷泵只工作在1×模式和1.5×模式，因为其输入电压不会降低到迫使电荷泵进入2×模式的电压值。

可变模式分数电荷泵可消除直接连接电池的方法中会导致闪烁的电压波动，提供优于固定模式电荷泵的明显的效率优势，其平均效率则与升压转换器相当。而它做到这些并不需要采用电感器或者特殊屏蔽，一般只需几个外部电容就能实现，进而削减了系统成本。