负电荷泵为WLED背光应用提供堪比电感电路的高效率

摘要：设计人员通常采用电荷泵或基于电感的boost电路提供白光LED (WLED)的正向导通偏置电压。电荷泵价格较低且使用方便，但截至目前，这种架构所能提供的效率低于基于电感的boost电路。本应用笔记介绍的负电荷泵方案能够达到基于电感的设计方案的效率，并且，由于省去了电感可大大简化系统设计并降低成本。

类似文章还发表在Maxim工程期刊，第64期(PDF，2.5MB)。 概述白光LED (WLED)具有小外形和高亮度输出，是手机和其它便携设备小尺寸彩色显示屏的理想背光解决方案。然而，WLED用于单节锂离子(Li+)电池供电的设备往往会遇到一个问题。多数Li+电池的工作电压为3V至4.2V，而WLED的正向电压通常为3.5V至3.8V (电流为20mA时)。因此，Li+电池工作电压范围的低电压侧无法满足WLED偏置电压的要求。

通常采用以下两种方式来产生足够的WLED正向偏置电压：电容式电荷泵和基于电感升压电路。从效率和电池寿命上考虑，基于电感的电路通常是最佳选择。然而，此类电路需要额外增加昂贵的电感，必须进行仔细的布局和设计，以避免电磁和射频干扰。相比之下，电荷泵方案易于实现且成本低廉，但是它们往往效率较低，因此相应缩短了电池工作时间。

负电荷泵技术提供低成本、高效解决方案Maxim的负电荷泵架构具有自适应切换功能，能够达到电感架构的效率(平均效率为85%)，并保留了无电感设计所具备的简单、低成本等优势。

这一创新架构采用自适应切换模式，为每个LED提供独立的供电、调光以及电流调节，使LED驱动效率提高12%，在便携产品中能够有效延长电池使用寿命、节省PCB空间。由于能够达到与电感设计同等的转换效率，大大提升了系统的能源利用率。

分数型电荷泵的效率提升第一代WLED电荷泵方案内核采用基本的倍压拓扑结构(或2倍压模式)。2倍压电荷泵的效率为：

PLED/PIN = VLED × ILED/[(2 × VIN × ILED + IQ × VIN)]

其中IQ为电路的静态工作电流。

由于和WLED负载电流相比IQ往往很小，因此效率可近似估计为：

PLED/PIN ≈ VLED/2VIN

为了提高效率，第二代WLED电荷泵的输出并不始终为输入的整数倍。如果电池电压不够时，将采用1.5倍压电荷泵产生足够高的WLED驱动电压。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

可以看出，1.5倍压电荷泵大大提高了效率。对于3.6V电池电压和3.7V的WLED，效率从2倍压电荷泵的51%跃升至1.5倍压电荷泵的69％。

第三代WLED驱动器增加了1倍压模式。该模式下，当电池电压较高时，通过低压差电流调节器直接连接电池至LED。1倍压模式的效率为：

PLED/PIN = VLED × ILED/(VIN × ILED + IQ × VIN)
≈ VLED/VIN

当电池电压高到足以直接驱动WLED时，1倍压模式下的效率可超过90%。例如当电池电压为4V，WLED电压为3.7V时，效率为92%。

提高任意电池电压下的效率最佳的WLED驱动器设计可针对给定电池电压和LED电压提供最有效的功率传输模式。随着电池(或WLED)电压的变化，设计方案也会相应改变模式。但是，电池电压较高时，开关损耗将会降低效率，而这些损耗往往是不必要的。当电池电压下降时，应该使驱动器尽可能长时间的处于高效率模式。不过，这就要求尽可能降低电源开关的损耗，相应的占用更多的空间，成本也随之升高。

正如上面所描述的，1倍压传输模式的效率最高，但该模式仅适用于电池电压高于WLED正向电压(VF)的情况。在电池电压尽可能低的应用场合采用1倍压模式的关键往往在于：降低1倍压模式旁路FET和电流调节器的压降。这些压降往往决定了串联损耗以及维持1倍压模式所需的最低输入电压。1倍压模式要求的最低电池电压等于：

VIN(MIN_1X) = VLED + 旁路pFET的RDS(ON) × (ILED + 电流调节器的VDROPOUT)

传统正电荷泵WLED方案采用了pFET旁路开关将电池电压连接至WLED，如图1所示。该FET的RDS(ON)通常为1Ω至2Ω。电阻的进一步降低往往是有限，因为电阻降低往往需要较大的FET，从而增加了功率器件的成本。


图1. 在1倍压模式下，正电荷泵采用内部开关将VIN旁路至WLED阳极。

当VIN不能满足1倍压传输模式的要求时，正电荷泵产生1.5x VIN或2x VIN来驱动WLED阳极。在正电荷泵架构下实现1倍压模式时，必须用一个额外的内部开关将VIN直接连至WLED阳极，从而旁路电荷泵。

当VIN无法驱动WLED时，负电荷泵结构也可以产生-0.5x VIN来驱动WLED阴极。然而，1倍压模式下这种结构并不需要将-0.5x VIN电荷泵输出旁路至地，这是因为电流调节器控制WLED电流使之直接从VIN流向地。因此，负电荷泵结构可扩展1倍压模式，VIN最低可为：

VIN(MIN_1X) = VLED + 电流调节器的VDROPOUT

图2为1倍压模式负电荷泵电流路径。该电路不需要pMOS旁路开关，它直接调节VIN至地之间的WLED电流。如果总ILED为100mA (即，5个WLED × 20mA)，则在2Ω的pMOS旁路开关的压降将为200mV。放电时，锂离子电池电压将稳定在3.6V至3.8V (典型值)之间。按照典型锂离子电池放电曲线，1倍压模式下工作电压提高200mV，效率将明显提高。


图2. 当驱动器切换到负电荷泵模式时每个WLED可单独切换，提高了总体效率。

提高任意LED正向电压时的效率对于传统1倍压/1.5倍压正电荷泵WLED驱动器，WLED阳极接电荷泵输出。如果WLED不匹配，当电压裕量(VIN - VLED)不能够满足最坏情况下的WLED正向电压时，驱动器必须切换到1.5倍压模式。

对于负电荷泵结构，无需因为只有一个WLED的正向电压不满足要求就放弃高效的1倍压模式，如图2所示，模式复用电路为每个WLED单独选择1倍压模式或-0.5倍压模式，从而最大程度提高整体效率。

例如，当输入电压不够高，不能满足WLED最高正向电压的要求时，MAX8647/MAX8648电荷泵驱动器打开-0.5倍压电荷泵。在这种情况下，器件只通过-0.5倍压负电源(而不是地)驱动VF最高的WLED，而其他正向电压较低的WLED仍处于1倍压模式。

为了进一步提高效率，MAX8647/MAX8648为各个WLED提供独立模式转换。该技术可以在不同时间以及不同的VIN条件下，根据VF失配或温度变化，自适应切换WLED至-0.5倍压模式(图3)。


图3. MAX8647/MAX8648电荷泵WLED驱动器切换到负电荷泵模式时每个WLED可单独进行模式切换，提高了效率。

总结传统方案中，采用电荷泵的WLED背光设计往往比基于电感设计方案的效率低。当任意一路WLED的电流低于预定水平时，正电荷泵结构将切换模式，不再工作在效率最高的1倍压模式。因此，当系统采用大量WLED并且具有较高正向电压失配时，将浪费大量功率。

负电荷泵结构克服了正电荷泵设计通常具有的效率低下的缺点。诸如MAX8647/MAX8648的器件采用了负电荷泵结构，同时可对每个LED单独切换模式，可显著提高效率并延长电池工作时间。这些WLED驱动器为设计人员提供电感电路一样的效率，同时仍保持电荷泵方案所具有的简单和低成本的特点。