新型高效而緊湊的白光LED驅(qū)動(dòng)方案

無(wú)需增加成本、外圍元件和印刷電路板空間，新式白光LED驅(qū)動(dòng)拓?fù)渚湍軌蛱峁I(yè)界領(lǐng)先的效率和簡(jiǎn)單架構(gòu)的電荷泵。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員目前面臨一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)，他們需要利用彩色便攜式顯示屏來(lái)最大限度地提升系統(tǒng)功能和效率，同時(shí)又要實(shí)現(xiàn)成本和尺寸最小化?，F(xiàn)在已經(jīng)到了需要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供一種全新的LED驅(qū)動(dòng)拓?fù)涞臅r(shí)候。

白光LED需要大約3.6伏的供電電壓才能實(shí)現(xiàn)合適的亮度控制。然而，大多數(shù)掌上設(shè)備都采用鋰離子電池作電源，它們?cè)诔錆M(mǎn)電之后約為4.2伏，安全放完電后約為2.8伏，顯然白光LED不能由電池直接驅(qū)動(dòng)。替代的解決方案是使用升壓電路，在需要時(shí)提高驅(qū)動(dòng)的電壓，從而在整個(gè)電池使用周期間內(nèi)不間斷地為L(zhǎng)ED穩(wěn)定供電。

LCD顯示屏中使用的LED驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)要求。首先它們要能準(zhǔn)確控制和匹配每一個(gè)LED的亮度，這將最大限度地保持顯示屏背光的一致性；其次LED驅(qū)動(dòng)器要能夠把輸入的電池電壓升高，這將保證在整個(gè)電池的使用周期內(nèi)能為L(zhǎng)ED提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。

基于電感的LED驅(qū)動(dòng)器通常用于驅(qū)動(dòng)串型連接的LED，此種結(jié)構(gòu)本身就能夠提供一致的匹配。它們還能夠提供可變和優(yōu)化的電壓升高比例，因此具有非常高的電源轉(zhuǎn)換效率。然而，由于外部元件的尺寸和成本，以及討厭的電磁干擾(EMI)，基于電感的LED驅(qū)動(dòng)器方案具有明顯的缺陷。體積龐大的儲(chǔ)能電感限制了這種方案在細(xì)長(zhǎng)和低外觀(guān)的小型掌上設(shè)備中的應(yīng)用。

另一方面，電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器則提供了一個(gè)非常好的解決方案，其外部電路只需使用極小的電容即可。這使之成為進(jìn)一步推動(dòng)消費(fèi)增長(zhǎng)的更小更薄的便攜式設(shè)備的理想選擇。電荷泵上的各個(gè)電流通道使用匹配的電流獨(dú)立驅(qū)動(dòng)各并行連接的LED，但是，升壓比例是離散的，由不同的運(yùn)行模式(倍增因子)而定?？捎玫倪\(yùn)行模式數(shù)量和當(dāng)前的電池電壓決定了整個(gè)電荷泵的電源效率。

常見(jiàn)的電荷泵方案使用二個(gè)外部飛電容來(lái)提供三種運(yùn)行模式(1倍，1.5倍，2倍)來(lái)進(jìn)行升壓。隨著電池的消耗，這些器件逐次提高升壓參數(shù)。在每一種升壓模式中，最大輸出電壓等于輸入電池電壓乘倍增因子。超過(guò)驅(qū)動(dòng)LED所必需的那部分電壓的能量，將在電荷泵或者電流調(diào)節(jié)器中被消耗掉，這就降低了整個(gè)電路的轉(zhuǎn)換效率。

嵌入更多的運(yùn)行模式有助于在鋰電池的整個(gè)使用周期內(nèi)限制過(guò)高的電壓增益，從而提高效率。某些電荷泵目前提供第四種運(yùn)行模式(1.33倍)，按照1倍、1.33倍、1.5倍和2倍依次提高輸出電壓。實(shí)現(xiàn)1.33倍升壓的常規(guī)方法需要增加器件引腳和外部元件的數(shù)量，相應(yīng)地，需要更多引腳的封裝和更大面積的印刷電路板空間，這使整個(gè)解決方案的成本遠(yuǎn)高于只有三種運(yùn)行模式的器件。

圖1  通過(guò)增加一個(gè)1.33倍運(yùn)行模式，電荷泵方案的效率相當(dāng)于基于電感的方案

按照1倍、1.33倍、1.5倍和2倍順序來(lái)提升電壓的電荷泵達(dá)到了傳統(tǒng)上基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器的效率(圖1)，同時(shí)還擁有與電荷泵方案相應(yīng)的低成本和小尺寸的全部好處。此外，通過(guò)使用1.33倍運(yùn)行模式，過(guò)高提升的電壓被盡量限制，從而減少電源浪費(fèi)和由此而產(chǎn)生的熱損失(圖2)。

圖2 三模式和四模式中電源浪費(fèi)對(duì)比

目前已經(jīng)有一種創(chuàng)新的、即將獲批美國(guó)專(zhuān)利的自適應(yīng)分?jǐn)?shù)電荷泵器件，該器件在保持低成本和三模式(1倍、1.5倍和2倍)器件的簡(jiǎn)單性的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)第四種電荷泵運(yùn)行模式(1.33倍)。四模式(Quad-Mode TM)電荷泵能夠提供更高的效率，同時(shí)不必增加外部元件及相關(guān)的成本和印刷電路板空間。此外，1.33倍分?jǐn)?shù)工作模式還可減少電池端的可見(jiàn)電流紋波。這有助于最大限度地減少整個(gè)供電噪聲，這在手機(jī)等便攜式設(shè)備中是一個(gè)很重要的指標(biāo)。

圖3  常規(guī)的1.33倍運(yùn)行模式需要三個(gè)外部飛電容

常規(guī)的1.33倍運(yùn)行模式(圖3)需要三個(gè)飛電容，通過(guò)使用兩相轉(zhuǎn)換(充電和升壓)來(lái)實(shí)現(xiàn)1.33倍升壓。Catalyst Semiconductor的新型1.33倍轉(zhuǎn)換架構(gòu)(圖4)通過(guò)增加額外的第三個(gè)轉(zhuǎn)換相來(lái)完成1.33倍升壓，這就消除了通常所需外接的第三個(gè)飛電容。

圖4  新的Catalyst 1.33倍運(yùn)行模式架構(gòu)消除了第三個(gè)飛電容

在這種新的1.33倍升壓架構(gòu)中(圖4)，第一相動(dòng)作是把飛電容C1和C2串聯(lián)并通過(guò)輸入電源為它們充電，第二相動(dòng)作是把與輸入電源相連的電容C1與C2斷開(kāi)并轉(zhuǎn)接至輸出端實(shí)現(xiàn)升壓，與此同時(shí)，電容C2因與C1斷開(kāi)而保持浮空狀態(tài)。第三相動(dòng)作是串接C1和C2并串聯(lián)于輸入和輸出間實(shí)現(xiàn)第二次升壓，電容C1在這過(guò)程中是被反向接入的，因此，電容C1的正極被連接到輸入電源，而電容C2的正極被連接到輸出端。通過(guò)這三相操作，C1將被充電到輸入電壓的三分之一，C2將被充電到輸入電壓的三分之二，這就可以把輸出電壓升高到輸入電壓的三分之四(4/3)倍。

穩(wěn)態(tài)輸出電壓可通過(guò)求解由基爾霍夫電壓定理所確定的每相電壓方程而得到：
第一相 : VIN  = VC1 + VC2 (1)
第二相 : VOUT = VIN + VC1 (2)
第三相 : VOUT = VIN - VC1 + VC2 (3)
將(2)替換到(3):
VIN + VC1 = VIN - VC1 + VC2 (4)
VC2 = 2 VC1 (5)
將(5)替換到(1):
VC1 = 1/3 VIN (6)
將(6)替換到(2):
VOUT = 4/3 VIN (7)

Catalyst半導(dǎo)體公司的最新產(chǎn)品CAT3636(圖5)已經(jīng)包含了這種新的四模式(Quad-Mode TM)自適應(yīng)分?jǐn)?shù)電荷泵交換架構(gòu)。CAT3636包含三組共6個(gè)LED驅(qū)動(dòng)通道，每組包含兩個(gè)嚴(yán)格穩(wěn)流和匹配的通道。通過(guò)一個(gè)單線(xiàn)接口(包含地址和數(shù)據(jù))邏輯，可以實(shí)現(xiàn)完整的功能和調(diào)光控制，這就可以對(duì)各個(gè)LED組進(jìn)行單獨(dú)和精確的設(shè)置。在含有主,副顯示屏的彩色LCD背光系統(tǒng)或RGB LED組或閃光功能的便攜式產(chǎn)品中,這一接口還有助于減少引腳和接口連接數(shù)量。

圖5  CAT3636 LED驅(qū)動(dòng)器框圖：新的四模式交換架構(gòu)消除了常規(guī)方案所必需的第三個(gè)外部飛電容

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以在采用簡(jiǎn)潔的電荷泵方案的同時(shí)享有效率比美與基于電感的方案，并且不需要增加成本、外圍元件和印刷電路板面積。由于采用了兼容RoHS標(biāo)準(zhǔn)的微型3x3mm低外觀(guān)TQFN封裝，Catalyst CAT3636四模式自適應(yīng)分?jǐn)?shù)電荷泵的推出是適用于目前最新的便攜式產(chǎn)品中的LED驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)飛躍性進(jìn)步。(翻譯：天虹)