利用電荷泵實(shí)現(xiàn)背光源的設(shè)計(jì)方法分析

至1996年日亞化學(xué)發(fā)表藍(lán)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(chǎng)所步道燈、汽車照明、交通號(hào)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(rèn)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(dá)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(chǔ)存在電容上然后轉(zhuǎn)移到輸出，而不需利用電感儲(chǔ)能方式，故在PCB布局時(shí)占有面積、高度及成本上的優(yōu)勢(shì)，此種不用電感的低功率輔助電源設(shè)計(jì)在目前電子產(chǎn)品強(qiáng)調(diào)輕薄短小上是較佳選擇。

常見電荷泵

依電荷泵的輸出電壓不同可分為2倍壓、1.5倍壓及負(fù)電壓架構(gòu)。主要工作模式如下：

1.2倍壓架構(gòu)

2倍壓架構(gòu)顧名思義也就是在輸出端VOUT電壓為兩倍VIN電壓，其所需要的器件為開關(guān)(Q1~Q4)與電容(CIN、COUT、CPUMP)，而電路動(dòng)作可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段(TransferPhase)。

充電階段：Q1和Q4閉合，Q2和Q3打開，此時(shí)輸入電壓(VIN)對(duì)CPUMP充電，如此在CPUMP兩端的電壓為VIN。

轉(zhuǎn)移階段Q1和Q4打開，Q2和Q3閉合，此時(shí)輸入電壓(VIN)與CPUMP串聯(lián)對(duì)COUT充電，如此在COUT端輸出電壓即為兩倍輸入電壓。

使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的兩倍。開關(guān)信號(hào)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。

2.1.5倍壓架構(gòu)

1.5倍壓架構(gòu)也就是在輸出端VOUT電壓為1.5倍VIN電壓，其所需要的器件為開關(guān)(Q1~Q7)與電容(CIN、COUT、CPUMP1、CPUMP2)，而電路動(dòng)作同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。

充電階段：Q1、Q4和Q7閉合，Q2、Q3、Q5和Q6打開，此時(shí)輸入電壓(VIN)對(duì)CPUMP1和CPUMP2充電，如此在電容兩端電壓分別為1/2VIN。

轉(zhuǎn)移階段：Q1、Q4和7打開，Q2、Q3、Q5和Q6閉合，此時(shí)CPUMP1與CPUMP2為并聯(lián)再與輸入電壓(VIN)串聯(lián)對(duì)COUT充電，如此在COUT端輸出電壓即為1.5倍輸入電壓。

使用7個(gè)切換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的1.5倍。開關(guān)信號(hào)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(fù)壓架構(gòu)

負(fù)壓架構(gòu)也就是在輸出端VOUT電壓為負(fù)VIN電壓，其所需器件為開關(guān)(Q1~Q4)與電容(CIN、COUT、CPUMP1)，而電路動(dòng)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(shí)輸入電壓(VIN)對(duì)CPUMP充電，如此在電容兩端電壓為VIN。

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

使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓為負(fù)的輸入電壓。開關(guān)信號(hào)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(duì)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(shí)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(shí)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；VPUMP-ON為打開時(shí)電容C1上的電壓；VPUMP-OFF為關(guān)斷時(shí)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(gè)重要結(jié)論：

f(開關(guān)頻率)增快可以獲得較大的驅(qū)動(dòng)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(dòng)能力與較好的效率；

電荷泵的優(yōu)劣與其開關(guān)(Q1~Q4)的RDS-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ICRDS-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(huì)影響EMI，電容C1會(huì)影響PCB布局面積，RDS-ON要小則IC成本會(huì)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(dòng)LED方案

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

電荷泵可單獨(dú)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(shí)還會(huì)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(gè)恒定直流電流源驅(qū)動(dòng)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(huì)分別出LED間亮度不均現(xiàn)象，除此的外電流源還有偵測(cè)電壓使電荷泵自動(dòng)切換不同升壓模式與配合面板大小減少驅(qū)動(dòng)LED數(shù)目的功能。

電荷泵自動(dòng)切換不同升壓模式，也就是當(dāng)輸入電壓足夠維持LEDVF加上電流源工作電壓時(shí)，電荷泵將不動(dòng)作。隨著輸入電壓下降，LED電流保持不變則LEDVF不變，而輸入電壓降低會(huì)壓縮到電流源工作電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)電流源最低工作電壓時(shí)，電荷泵即開始動(dòng)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(dāng)數(shù)量的LED，不會(huì)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(xí)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(dāng)欲獲得較強(qiáng)的亮度時(shí)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：[!--empirenews.page--]

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(duì)等的電流，PWM調(diào)光時(shí)須注意PWM的頻率要避開人耳可聽到的范圍(2kHz~25kHz)，否則將會(huì)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.I2CI2C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(shí)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(shí)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(dòng)LED比利用電感的升壓方法具有很多優(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)問題，如穩(wěn)定度與補(bǔ)償。電荷泵轉(zhuǎn)換器具有相對(duì)低的噪音與較小的EMI。此外，應(yīng)用電路很簡單，只需要幾個(gè)小電容，也因?yàn)闊o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。