如何利用电荷泵设计技术提高白光LED的效率

在手机和其他移动设备中，白光LED能为小尺寸彩屏提供完美的背光效果。但大部分手机使用单节锂电池供电，而单节锂电池很难直接驱动白光LED。通常锂电池的工作电压范围为3～4.2V，而白光LED的导通压降是 3.5～4.2V（20mA）。因此，锂电池电压降低后将无法直接驱动白光LED。

为了给白光LED提供足够的正向压降，可以使用基于电容的电荷泵或基于电感的升压电路。考虑到效率和电池寿命，基于电感的转换器可能是最好的选择，但是额外的电感会增加系统成本。而且，由于EMI和RF干扰，电感型升压电路需要仔细的设计和布板。与之相比，电荷泵解决方案具有价格便宜、易使用等优势，但效率较低，缩短了电池使用寿命。

随着电荷泵设计技术的改进，新型白光LED驱动芯片，如Maxim等公司的芯片，不但可以获得电感升压电路的效率（大约85％），而且可以保持传统电荷泵设计的简捷、低成本等优势。

分数电荷泵及其对效率的影响

第一代白光LED驱动电荷泵的基本架构是倍压或2x拓扑，2倍压电荷泵的工作效率为：

PLED/PIN=VLED×ILED/（2×VIN×ILED+Iq×VIN）

其中，Iq是电路的静态电流，因为Iq非常小，上式可近似等效为：

PLED/PIN≈VLED/（2VIN）

为了提高效率，第二代白光LED驱动电荷泵的输出不再是输入电压的整数倍。如果电池电压足够，LED驱动器将产生1.5倍压输出，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）

从上式可明显看出：1.5倍压电荷泵的效率显著提高了。假设电池电压为3.6V，LED电压为3.7V，效率从2倍压电荷泵的51％提高到69％。

第三代电荷泵引入的1倍压模式进一步提高了效率。当电池电压足够高时，通过一个低压差电流调节器直接将电池连接到LED，此时，效率可以通过下式表示。

PLED/PIN=VLED×ILED/（VIN×ILED+Iq×VIN）VLED/（VIN）

当电池电压足以驱动白光LED时，1倍压模式的效率超过90％。如果电池电压为4V，LED导通压降为3.7V，则效率可达92％。

在不同电池电压下获得最高效率

1倍压转换模式效率最高，但只能用于电池电压高于LED正向压降的情况下。为了获得最高效率，白光LED驱动器设计要求综合考虑电池和LED电压，当电池电压（或LED电压）改变时需要相应地改变驱动器的工作模式。但是，如果在电池电压较高时（而非必要的条件下）改变工作模式，开关损耗可能使电路进入低效率模式。当电池电压下降时，最好尽可能地使驱动器保持在高效模式（例如1倍压模式），对于功率开关而言，为了得到低损耗，芯片面积和成本都将提高。

为了保持1倍压模式能够工作在尽可能低的电池电压下，要尽可能降低1倍压模式调整管FET和电流调节器的压降。压降决定了串联损耗和所能维持的1倍压模式的最低输入电压。最小输入电压由下式表示：

VLED+Bypass PFET RDS（ON）×ILED+VDROPOUT

传统的正电荷泵白光LED解决方案采用PMOS FET作为旁路开关连接电池和LED。FET的导通电阻RDS（ON）大概是1～2Ω。更小的导通电阻将受限于芯片面积和成本。导通电阻越小，芯片面积越大，成本也越高。
来源；国际led网