利用電荷泵實現(xiàn)背光源的解決方案分析

至1996年日亞化學發(fā)表藍光LED之后，白光LED就被視為下一代照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ钠骷Ｄ壳鞍坠釲ED已經(jīng)廣泛應(yīng)用在公共場所步道燈、汽車照明、交通號志、便攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率，一般認為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，而電荷泵是利用電容達到升降壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適用于手持式系統(tǒng)中小尺寸面板的背光源。

電荷泵將能量儲存在電容上然后轉(zhuǎn)移到輸出，而不需利用電感儲能方式，故在PCB布局時占有面積、高度及成本上的優(yōu)勢，此種不用電感的低功率輔助電源設(shè)計在目前電子產(chǎn)品強調(diào)輕薄短小上是較佳選擇。

使用7個切換開關(guān)可以實現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的1.5倍。開關(guān)信號的占空比通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。

3．負壓架構(gòu)

負壓架構(gòu)也就是在輸出端V_OUT電壓為負V_IN電壓，其所需器件為開關(guān)(Q1~Q4)與電容(C_IN、C_OUT、C_PUMP1)，而電路動作同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。

充電階段：Q1和Q2閉合，Q3和Q4打開，此時輸入電壓(V_IN)對C_PUMP充電，如此在電容兩端電壓為V_IN。

轉(zhuǎn)移階段：Q1和Q2打開，Q3和Q4閉合，此時C_PUMP對C_OUT充電，如此在C_OUT端輸出電壓即為負的輸入電壓，而輸入端對輸出端而言即可獲得兩倍電壓差。

使用這種方法可以實現(xiàn)輸出電壓為負的輸入電壓。開關(guān)信號的占空比通常為50％。

電荷泵等效電路分析

接下來我們深入探討電荷泵的等效電路，并分析電容與工作頻率對電荷泵的影響。以兩倍壓架構(gòu)為例，電路結(jié)構(gòu)參考圖1。而其工作時可分為如圖2所示的電路：

圖1：電荷泵2倍壓架構(gòu)。

圖2：電荷泵工作時的等效電路。

圖3：電荷泵 1.5倍壓架構(gòu)。

其穩(wěn)態(tài)架構(gòu)電路推導(dǎo)如下，

穩(wěn)態(tài)：

(D為占空比=0.5；V_PUMP-ON為打開時電容C1上的電壓；V_PUMP-OFF為關(guān)斷時電容C1上的電壓；f為開關(guān)頻率)

將以上公式化簡帶入，即可獲得下列等效公式

由以上等效電路與公式，可獲得幾個重要結(jié)論：

f(開關(guān)頻率)增快可以獲得較大的驅(qū)動能力與較好的效率；

C1電容選擇容值較大且ESR較小者，可以獲得較大的驅(qū)動能力與較好的效率；

電荷泵的優(yōu)劣與其開關(guān)(Q1~Q4)的R_DS-ON值大小直接相關(guān)，值越小電荷泵工作特性越佳

而電荷泵1.5倍壓架構(gòu)的等效電路亦可由相同的推導(dǎo)獲得。

電荷泵的工作特性受f(開關(guān)頻率)、電容C1與IC R_DS-ON影響，可是并非一味追求極限才是好，f(開關(guān)頻率)過大會影響EMI，電容C1會影響PCB布局面積，R_DS-ON要小則IC成本會較貴，因此在眾多考慮下如何取得平衡也是一種技術(shù)。

電荷泵驅(qū)動LED方案

白光LED需要大于LED正向偏壓的電壓驅(qū)動導(dǎo)通，所以利用電荷泵提高電壓驅(qū)動LED，如需要較高的質(zhì)量則會多加用一個恒定直流電流源以保持恒定的亮度。

電荷泵可單獨使用在中小尺寸面板背光源。一般電荷泵使用在中小尺寸背光源時還會與電流源配合使用，因電荷泵提供白光LED足夠的電壓而電流源提供一個恒定直流電流源驅(qū)動白光LED，以保持恒定的亮度，且電流源每一通道間電流差異不可超出15%，超出15%人類眼睛即會分別出LED間亮度不均現(xiàn)象，除此的外電流源還有偵測電壓使電荷泵自動切換不同升壓模式與配合面板大小減少驅(qū)動LED數(shù)目的功能。

電荷泵自動切換不同升壓模式，也就是當輸入電壓足夠維持LED VF加上電流源工作電壓時，電荷泵將不動作。隨著輸入電壓下降，LED電流保持不變則LED VF不變，而輸入電壓降低會壓縮到電流源工作電壓，當?shù)竭_電流源最低工作電壓時，電荷泵即開始動作將輸出電壓提高以維持足夠的電壓提供LED與電流源。電流源可配合客戶使用的面板大小來使用適當數(shù)量的LED，不會因LED數(shù)目的不同需要更換不同IC。

LED的調(diào)光方式

為配合使用者的習慣與使用環(huán)境亮度，調(diào)整LED亮度成為重要的應(yīng)用，LED的亮度與LED電流成正比，當欲獲得較強的亮度時則必須提供較大的LED電流，反之亦然。一般常見調(diào)光方式可分為PWM方式與數(shù)字式：

1. PWM調(diào)光

PWM調(diào)光是利用PWM方波來設(shè)定LED電流大小，改變PWM占空比即可獲得對等的電流，PWM調(diào)光時須注意PWM的頻率要避開人耳可聽到的范圍(2kHz~25kHz)，否則將會有可能產(chǎn)生音頻噪聲影響使用者。

2. 數(shù)字調(diào)光

a 脈沖調(diào)光

脈沖調(diào)光是產(chǎn)生由高電壓電位轉(zhuǎn)低電壓電位再回復(fù)高電壓電位的脈沖，配合IC內(nèi)部設(shè)定改變LED電流。

b. I2C

I2C為一串行傳輸技術(shù)，利用SDA(串行數(shù)據(jù)線)線和SCL(串行時鐘線)線，配合IC內(nèi)部邏輯而改變LED電流。

就使用上而言，PWM較為簡單，只需改變占空比即可等效改變LED電流，而數(shù)字調(diào)光則具有較低耗電與較佳EMI的表現(xiàn)，需要根據(jù)使用上的需求而定。如果LED需長時間發(fā)光則建議使用數(shù)字調(diào)光，如需要較佳的LED發(fā)光色譜即可使用低頻PWM調(diào)光，避免LED激發(fā)偏差導(dǎo)致LED色偏。

本文小結(jié)

使用電荷泵驅(qū)動LED比利用電感的升壓方法具有很多優(yōu)勢，其中一個明顯的優(yōu)勢就是消除了電感以及相關(guān)的電磁設(shè)計問題，如穩(wěn)定度與補償。電荷泵轉(zhuǎn)換器具有相對低的噪音與較小的EMI。此外，應(yīng)用電路很簡單，只需要幾個小電容，也因為無須使用電感，所以最后的PCB器件高度通常比同等的增壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器更薄。