LCD面板中的LED背光燈是筆記本和平板電腦應(yīng)用中最大的耗電量。隨著屏幕分辨率和亮度級(jí)別的增加，LED背光燈消耗的輸入功率也隨之增加。市場(chǎng)上現(xiàn)有的常規(guī)LED驅(qū)動(dòng)器正在達(dá)到峰值性能，并且在效率沒(méi)有進(jìn)一步提高的情況下達(dá)到頂峰。

因此，需要一種新型的LED升壓驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)顯著的效率性能突破，以實(shí)現(xiàn)用于下一代筆記本和平板電腦設(shè)計(jì)的低功耗LCD面板。本文討論了一種新的LED升壓架構(gòu)，并概述了其與傳統(tǒng)LED升壓驅(qū)動(dòng)器相比的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)的LED升壓架構(gòu)

當(dāng)今的常規(guī)LED升壓驅(qū)動(dòng)器使用單級(jí)異步升壓DC-DC架構(gòu)。之所以使用這種DC-DC架構(gòu)，是因?yàn)長(zhǎng)ED燈串需要高輸出電壓。由于具有高輸出電壓，因此在LED升壓驅(qū)動(dòng)器中集成用于同步轉(zhuǎn)換器的高壓，大尺寸P溝道MOSFET的經(jīng)濟(jì)意義不大。

此外，異步轉(zhuǎn)換器中肖特基二極管中的正向壓降僅影響效率0.5％至1％。由于這兩個(gè)原因，異步升壓架構(gòu)是當(dāng)今LED升壓驅(qū)動(dòng)器的首選方法。傳統(tǒng)LED升壓驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化電路如圖1所示。

圖1簡(jiǎn)化的電路圖顯示了傳統(tǒng)的LED升壓架構(gòu)。資料來(lái)源：pSemi

常規(guī)的LED升壓架構(gòu)是易于使用的電路，但有幾個(gè)缺點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)換比的增加，效率隨著輸出電壓（VOUT）的增加而降低。這迫使許多應(yīng)用使用較少的串聯(lián)LED來(lái)降低輸出電壓，但同時(shí)也增加了并聯(lián)LED串的數(shù)量。更多的并行LED串需要更寬的邊框以容納更多的布線。由于LED電流吸收器的調(diào)節(jié)電壓（VREG）損失更大，因此這種傳統(tǒng)架構(gòu)還會(huì)降低系統(tǒng)效率。對(duì)于0.4V的典型VREG和24V的VOUT，VREG造成1.67％的系統(tǒng)效率損耗（VREG損耗= VREG/ VOUT* 100％）。圖2顯示了兩個(gè)不同的VOUT電平對(duì)效率的影響。

圖2注意，在5W輸出功率水平下，隨著VOUT從26V增加到34V，效率下降了約2％。資料來(lái)源：pSemi

在常規(guī)架構(gòu)中，必須使用更大的電感器以保持高效率。這種架構(gòu)占用了更多的電路板空間并增加了成本，使得低調(diào)設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。

如果VOUT短接到GND，則異步架構(gòu)會(huì)在VIN和GND之間建立一條路徑，從而增加了發(fā)生災(zāi)難性故障的可能性。預(yù)防性解決方案包括放置輸入斷開(kāi)FET（例如圖1中的Q1）或在VIN路徑中放置保險(xiǎn)絲。該解決方案需要額外的電路板空間，并增加了材料成本和系統(tǒng)效率損失。

兩級(jí)LED升壓架構(gòu)

本文介紹的獨(dú)特的LED升壓使用兩級(jí)DC-DC架構(gòu)。第一級(jí)是基于電感的同步升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。第二階段是專有的基于電容的電荷泵電路。該電荷泵電路提供從升壓輸出（VX）到LED VOUT的固定2x或3x轉(zhuǎn)換，效率高達(dá)99％。不管輸入或輸出電壓如何，該專有電荷泵電路均可提供高達(dá)99％的轉(zhuǎn)換效率。它還具有降低EMI，降低輸出紋波和無(wú)聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲的優(yōu)勢(shì)。

這些優(yōu)勢(shì)是通過(guò)專有的軟充電，相位交錯(cuò)的架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該架構(gòu)的工作就像在100％的占空比中一樣。同樣，電容器是一種比電感器更有效的能量存儲(chǔ)元件-效率大約高60到70倍。該第二級(jí)電荷泵從升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器上卸載了大部分工作負(fù)載，提高了升壓DC-DC效率，并實(shí)現(xiàn)了總體更高的系統(tǒng)效率。VOUT調(diào)節(jié)由升壓級(jí)控制。圖3顯示了這種獨(dú)特的LED升壓架構(gòu)的簡(jiǎn)化電路圖。

圖3此簡(jiǎn)化電路圖顯示了獨(dú)特的LED升壓架構(gòu)。資料來(lái)源：pSemi

這種獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的LED升壓架構(gòu)相比，使用高效的電荷泵電路可提供更高的效率。更高的效率會(huì)減小升壓電路的輸出電壓范圍，當(dāng)VOUT增加時(shí)，對(duì)效率的影響較小。而且，與傳統(tǒng)的LED升壓相比，輸入電壓（VIN）上的效率更加一致，從而使運(yùn)行時(shí)間隨著電池的耗盡而變得更加一致。圖4顯示了隨著VOUT增加而產(chǎn)生的效率。

圖4請(qǐng)注意，在5W輸出功率水平下，隨著VOUT從26V增加到34V，效率下降了<0.5％。資料來(lái)源：pSemi

通過(guò)降低升壓電路上的輸出電壓，由于占空比降低，可以使用小型且低成本的片式電感器。由于芯片電感器尺寸較小，該電感器的最大額定值為20V，以避免電感器內(nèi)部泄漏或直通電流，使其不適合用于高VOUT應(yīng)用的常規(guī)LED升壓。與傳統(tǒng)的LED升壓架構(gòu)相比，當(dāng)減小電感器尺寸時(shí)，效率影響較小。

憑借獨(dú)特的LED升壓架構(gòu)，較低的升壓輸出電壓允許使用同步轉(zhuǎn)換器，而無(wú)需外部二極管。

兩級(jí)架構(gòu)分多個(gè)階段提高電壓，電荷泵和升壓電路中的每個(gè)FET在漏極至源極之間僅看到很小的電壓階躍。這種多步驟架構(gòu)允許使用低得多的電壓FET，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。

電感上的壓擺電壓很小。與傳統(tǒng)的單級(jí)架構(gòu)相比，該架構(gòu)使用了軟充電電荷泵，可大大降低EMI和噪聲。

圖5顯示了獨(dú)特的兩級(jí)升壓架構(gòu)與常規(guī)單級(jí)升壓架構(gòu)之間的效率比較。圖6顯示了功耗比較。

圖5此圖比較了獨(dú)特的LED升壓架構(gòu)和傳統(tǒng)LED升壓架構(gòu)的效率。資料來(lái)源：pSemi

圖6功耗比較顯示了獨(dú)特的和傳統(tǒng)的LED升壓架構(gòu)。資料來(lái)源：pSemi

兩個(gè)器件的VOUT為34V，兩個(gè)器件均使用4.7 μH電感器。但是，獨(dú)特的LED升壓架構(gòu)使用的電感器是片式電感器DFE322512F-4R7M，可提供緊湊的3.2×2.5×1.2 mm外殼尺寸。傳統(tǒng)的LED升壓架構(gòu)使用大型繞線電感器SPM5020T-4R7M，外殼尺寸為5.4×5.1×2.0 mm。

圖7顯示了效率測(cè)量中使用的片式電感器和繞線電感器之間的尺寸比較。

圖7您可以看到薄型片狀電感器（左）和常規(guī)繞線電感器（右）之間的尺寸差異。資料來(lái)源：pSemi

這種比較表明，與傳統(tǒng)的單級(jí)體系結(jié)構(gòu)相比，獨(dú)特的兩級(jí)體系結(jié)構(gòu)具有很大的效率提升。在此測(cè)量中，效率差異高達(dá)8％。輸出功率為5 W時(shí)效率為87％等于0.75 W的功率損耗，輸出功率為5 W時(shí)93％效率則等于0.37 W的功率損耗。因此，獨(dú)特的兩級(jí)架構(gòu)可在功率損耗方面節(jié)省多達(dá)0.37 W的功率。常規(guī)的單級(jí)體系結(jié)構(gòu)。0.37 W的功率意味著移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，LED升壓電路的溫度上升幅度也更低。

新的架構(gòu)方法

LCD顯示器中的LED背光驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，但在系統(tǒng)效率，電池運(yùn)行時(shí)間，熱管理和尺寸方面起著至關(guān)重要的作用。不幸的是，許多提高這種傳統(tǒng)電路效率的研究工作都集中在優(yōu)化工藝技術(shù)上，而不是在架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新。

本文提供了一個(gè)示例，說(shuō)明了創(chuàng)新的架構(gòu)思想如何帶來(lái)許多好處，例如更高的效率，更低的工作溫度，更小的解決方案和更小的輪廓解決方案。同樣，它有助于降低EMI以減少系統(tǒng)干擾并更好地集成系統(tǒng)保護(hù)功能。

編輯：hfy