如何在白光LED應(yīng)用中提升電池電壓

　白光LED通常由一個(gè)恒定直流電流源驅(qū)動(dòng)，以保持恒定的亮度。在采用單顆鋰離子電池供電的便攜式應(yīng)用中，白光LED以及電流源上的電壓降之總和可以比電池電壓更高或更低，這意味著白光LED某些時(shí)候需要對(duì)電池電壓進(jìn)行升壓。完成這樣應(yīng)用的最好辦法是使用升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種方法可以大大地優(yōu)化效率，但代價(jià)是成本和PCB面積增加。另外一種提升電池電壓的方法是使用電荷泵，也稱為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。本文將詳細(xì)地分析這種器件的工作原理。
　電荷泵的基本原理

　　電容器是一種用來(lái)儲(chǔ)存電荷或電能，并在指定的時(shí)間以預(yù)設(shè)的速率將之釋放的組件。

　　圖1︰從一個(gè)電壓源對(duì)電容進(jìn)行充電（圖a和b是理想情況，c和d是實(shí)際情況）。

　　如果一個(gè)理想的電容以理想的電壓源VG進(jìn)行充電（見圖1a），將依據(jù)Dirac電流脈沖函數(shù)立即存儲(chǔ)電荷（圖1b）。存儲(chǔ)的總電荷數(shù)量按以下方式計(jì)算︰ Q = CVG

　　實(shí)際的電容具有等效串聯(lián)阻抗（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），兩者都不會(huì)影響到電容存儲(chǔ)電能的能力。然而，它們對(duì)開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器的整體轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。實(shí)際電容充電的等效電路如（圖1c）所示，其中RSW是開關(guān)的電阻。充電電流路徑具有串行電感，通過(guò)適當(dāng)?shù)钠骷季衷O(shè)計(jì)可以降低這個(gè)串行電感。

　　一旦電路被加電，將產(chǎn)生指數(shù)特性的瞬態(tài)條件，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)條件為止。電容的寄生效應(yīng)限制峰值充電電流，并增加電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間（圖1d）。因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷泵就利用了這種電容特性，如（圖2a）所示。

　　圖2︰a.電荷泵電路，b.相關(guān)的波形。

　　電壓變換在兩個(gè)階段內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在第一個(gè)階段期間，開關(guān)S1和S2關(guān)閉，開關(guān)S3和S4打開，而C1被充到輸入電壓：

　　在第二個(gè)階段，開關(guān)S3和S4關(guān)閉，而S1和S2打開。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡荒芰⒓锤淖?，輸出電壓突變到輸入電壓值的兩倍︰

　　使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)電壓的倍壓。開關(guān)訊號(hào)的工作周期通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。以下讓我們更詳細(xì)地了解電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程以及開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器寄生效應(yīng)如何影響其工作。

　?。▓D2b）中顯示了開關(guān)電容電壓倍壓器的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。根據(jù)功率守恒的原理，平均的輸入電流是輸出電流的兩倍。

　　在第一階段，充電電流流入到C1。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR以及開關(guān)的電阻。在C1充電后，充電電流呈指數(shù)級(jí)地降低。充電時(shí)間常數(shù)是開關(guān)周期的幾倍，更小的充電時(shí)間常數(shù)將導(dǎo)致峰值電流增加。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，輸出電容CHOLD提供負(fù)載電流線性放電的電量，放電量等于：

　　在第二階段，C1 +連接到輸出，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）通過(guò)C1流到負(fù)載。在這個(gè)階段，輸出電容電流的變化大約為2 IOUT。盡管這個(gè)電流變化應(yīng)該能產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓變化為2 IOUT ESRC_HOLD，使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計(jì)。此時(shí)，CHOLD按下面的電量線性電位充電︰

　　當(dāng)C1連接到輸入和接地之間時(shí)，CHOLD依照以下的電量線性電位放電︰

　　以下等式計(jì)算出輸出漣波峰對(duì)峰電壓值的總數(shù)︰

　　更高的開關(guān)頻率可以采用更小的輸出電容來(lái)獲得相同的紋波。

　　電荷泵的寄生效應(yīng)導(dǎo)致輸出電壓隨著負(fù)載電流的增加而下降。事實(shí)上，總是存在2 IOUT的RMS電流流過(guò)C1和兩個(gè)開關(guān)（2Rsw），導(dǎo)致產(chǎn)生以下的功耗︰

　　除了這些純粹的電阻損耗，IOUT的RMS電流流過(guò)開關(guān)電容C1的等效電阻，產(chǎn)生的功耗為總之，因?yàn)樘沾呻娙莸偷腅SR以及高的開關(guān)頻率，輸出漣波以及輸出電壓降取決于開關(guān)電阻。

　　利用更多的開關(guān)和電容可以實(shí)現(xiàn)更多的電壓轉(zhuǎn)換。（圖3）展示了使用電容的這個(gè)特性的電路。

　　圖3︰具有1倍和1.5倍增益的開關(guān)電容電路。

　　同樣的，電壓轉(zhuǎn)換在兩個(gè)階段內(nèi)完成。在第一個(gè)階段，開關(guān)S1到S3關(guān)閉，而開關(guān)S4到S8打開。因此C1和C2并聯(lián)，假設(shè)C1等于C2，則充電到一半的輸入電壓︰

　　輸出電容CHOLD提供輸出負(fù)載電流。隨著這個(gè)電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，第二個(gè)階段是被激活來(lái)將輸出電壓增高到這個(gè)值以上。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VOUT之間。開關(guān)S4到S7關(guān)閉，而S1到S3和S8打開。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡⒉荒芡蛔?，輸出電壓跳變到輸入電壓值?.5倍︰

　　電壓升壓是通過(guò)以下的模式完成︰通過(guò)關(guān)閉S8并保持S1到S7打開，電壓轉(zhuǎn)換可以獲得1倍的增益。

　　脈沖頻率調(diào)制（PFM）方案

　　圖4介紹了一種簡(jiǎn)化的脈沖頻率調(diào)制（PFM）調(diào)壓方案，該方案利用了多個(gè)增益。

　下調(diào)的輸出電壓通過(guò)PUMP/SKIP比較器與1.2V的電壓基準(zhǔn)比較。PUMP/SKIP比較器輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)線性上升，提供軟啟動(dòng)功能。當(dāng)輸出電壓超過(guò)期望的極限，器件不會(huì)開啟，消耗的電源電流將很小。在這種空閑狀態(tài)的期間，輸出電容CHOLD提供輸出負(fù)載電流。隨著這個(gè)電容不斷放電以及輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，電荷泵被激活直到輸出電壓再次達(dá)到高于這個(gè)值。

　　在輕負(fù)載下，PFM調(diào)節(jié)架構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)是很明顯的。通常通過(guò)輸出電容提供負(fù)載電能。電源電流非常低，輸出電容只需要偶爾通過(guò)電荷泵進(jìn)行再次充電。

　　總之，調(diào)壓電荷泵在一個(gè)寬的輸入范圍內(nèi)不能維持高的效率，因?yàn)檩斎?輸出電流比根據(jù)基本的電壓轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)節(jié)，任何比輸入電壓乘以電荷泵增益所得的值更低的輸出電壓將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器內(nèi)額外的功耗，并且效率會(huì)成比例地降低。

　　轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入／輸出比例改變?cè)鲆娴哪芰υ试S在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)完成最優(yōu)秀的效率。理想的情況是，增益應(yīng)該是線性式變化?，F(xiàn)實(shí)中，給予固定的電容和開關(guān)數(shù)量，只可能達(dá)到有限的增益配置。

　　在圖4中，輸入電壓被調(diào)節(jié)，并被饋入到三個(gè)比較器的正向結(jié)點(diǎn)。比較器的所有反向結(jié)點(diǎn)連接到輸出電壓。根據(jù)輸入／輸出電壓比，比較器的輸出提供帶有一個(gè)3位字的增益控制電路，增益控制電路用于選擇最小的增益G，這樣就可以獲得期望的電壓轉(zhuǎn)換。然而，在白光LED應(yīng)用中，選擇正確的增益G不僅僅根據(jù)輸入和輸出電壓。

　　圖5：這個(gè)開關(guān)電容器白光LED驅(qū)動(dòng)器可用于四個(gè)LED

　　圖5是利用可適性電荷泵提升電壓的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，增益可達(dá)一及一點(diǎn)五倍。電荷泵的輸入端連接VIN接腳，而輸出端則連接VOUT接腳。 VOUT的電壓會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在VREG這個(gè)恒定的水平。對(duì)于采用共陽(yáng)極配置的LED，每個(gè)LED的輸入電流都可利用內(nèi)部電流源加以控制，其峰值驅(qū)動(dòng)電流可通過(guò)外置電阻(RSET)加以設(shè)定。

　　這個(gè)計(jì)算方法正確與否取決于以下的先決條件：亦即VOUT- VLED的數(shù)值必須大至足以使信道組件不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。事實(shí)上，若要為發(fā)光二極管提供所需的恒定電流，電流源的電壓必須有最低的規(guī)定，而這個(gè)最低的電壓稱為上限電壓(VHR)，其數(shù)值會(huì)隨著RHR電阻的變動(dòng)而改變 ：

　　電荷泵必須不斷轉(zhuǎn)換適用的增益倍數(shù)，以確保電流恒定，決定采用哪一增益倍數(shù)的考慮因素包括發(fā)光二極管的正向壓降、電流源的電壓以及輸入電壓（參考圖5）。因此即使輸入電壓范圍極為廣泛，電荷泵仍能以最有效率的一倍增益作業(yè)，以減少電池的耗電量。

　　總結(jié)

　　使用開關(guān)電容比基于電感的開關(guān)方法具有某些優(yōu)勢(shì)，其中一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)就是消除了電感以及相關(guān)的電磁設(shè)計(jì)問(wèn)題。開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器通常具有相對(duì)低的噪音和最小的輻射EMI。此外，應(yīng)用電路很簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)小電容。因?yàn)樵跊](méi)有電感的情況下，最后的PCB器件高度通常比同等的開關(guān)轉(zhuǎn)換器更小。