充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器不同LED驅(qū)動器解決方案之間的較量

過去幾年間，便攜式設(shè)備的顯示器與鍵盤發(fā)光功能對白光 led 驅(qū)動器的需求快速增長，這種增長源于彩色顯示屏的出現(xiàn)，特別是移動電話與其他手持設(shè)備中的有源矩陣 lcd 推動。幾乎所有電源管理廠商都提供白光 led 驅(qū)動器，不過市場基本分為兩大陣營。有人喜歡充電泵解決方案，而有人則喜歡升壓轉(zhuǎn)換器解決方案。選擇升壓轉(zhuǎn)換器的理由很簡單，如效率較高等。本文將對比充電泵解決方案與升壓轉(zhuǎn)換器解決方案的具體因素，并討論可能存在的電磁干擾 (emi) 問題。

針對白光 led 驅(qū)動器選擇升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵解決方案時(shí)，重要的是考慮兩種解決方案的所有具體因素。我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，不同的最終應(yīng)用對白光 led 驅(qū)動器的要求可能差別極大，這點(diǎn)非常重要。舉例來說，對于 lcd 模塊制造商而言，組件高度可能是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，而對于個(gè)人數(shù)字助理 (pda) 制造商來說，最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)則可能是效率問題。圖 1 顯示了白光 led 充電泵驅(qū)動器的典型應(yīng)用，這里使用的器件為tps60230。

tps60230 通常由鋰離子電池直接供電，典型電壓范圍為 3.0 ~ 4.2v ，可同時(shí)為最多 5 個(gè) led 供電，每個(gè)電流為 20ma。圖 2 顯示了典型的白光 led 驅(qū)動器 tps61062，這是一種升壓轉(zhuǎn)換器解決方案。

圖 2 所示的升壓轉(zhuǎn)換器是 ic 技術(shù)的最新開發(fā)成果之一，作為全面集成的同步升壓轉(zhuǎn)換器，無需外接肖特基二極管。這就能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸最小的解決方案，所需的外部組件數(shù)量最少。基于圖 1 與圖 2 所示的解決方案，我們將討論升壓轉(zhuǎn)換器與充電泵解決方案最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)以及二者之間的差異。不過，二者設(shè)計(jì)當(dāng)中也有相同之處，我們也可將充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器白光 led 驅(qū)動器加以比較。

效率——充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器的對比

我們幾乎很難籠統(tǒng)地說充電泵解決方案就是一個(gè)高效的解決方案，這是因?yàn)檎w效率取決于 led 正向電壓、鋰離子電池放電特性以及 led 電流等具體應(yīng)用參數(shù)，他們基本上決定著充電泵的工作模式。圖3顯示了充電泵解決方案的典型效率曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在“l(fā)do 模式”情況下時(shí)，增益為 1，輸入電壓范圍從 4.2v 降至 3.6v 不等，效率水平高于 75%，如圖 3 所示。在 ldo 模式中，充電泵的作用就像ldo一樣，輸入電壓經(jīng)穩(wěn)壓降至 led 正向電壓，通常為 3.1~ 3.5v。ldo 模式的另一積極作用是，器件不發(fā)生開關(guān)交換，因此可以避免 emi 問題。

但是，根據(jù)led正向電壓以及驅(qū)動器ic內(nèi)部電壓下降的情況不同，在驅(qū)動器從“l(fā)do模式”轉(zhuǎn)為升壓模式 (boost mode) 而采用的增益為 1.5 時(shí)，效率會大幅下降。在升壓模式下，器件發(fā)生交換開關(guān)，內(nèi)部生成的電壓軌比輸入電壓高 1.5 倍，這需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，降至 led 正向電壓的水平，這就降低了效率。因此，驅(qū)動器工作在 ldo 模式下的時(shí)間越長，充電泵效率就越高。

與充電泵解決方案不同，升壓轉(zhuǎn)換器 tps61062（如圖 4 所示）在鋰離子電池的整個(gè)輸入電壓范圍下效率均達(dá)到 75% ~ 80%。某些升壓轉(zhuǎn)換器解決方案在使用外部校正器二極管的情況下其效率甚至高達(dá) 85%，如 tps61042。如果為少于 5 個(gè)led 供電，那么效率甚至還會提高，因?yàn)檩斎氲捷敵鲭妷恨D(zhuǎn)換之比較低。總體說來，升壓轉(zhuǎn)換器的效率比充電泵解決方案略高，特別在為 4 個(gè)乃至更多 led 供電時(shí)更是如此。

解決方案尺寸——充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器的對比

過去，充電泵解決方案是明顯的優(yōu)勝者，這主要是由于升壓轉(zhuǎn)換器采用較大的感應(yīng)器和外部肖特基二極管。隨著最新技術(shù)的發(fā)展以及更高的集成度，升壓轉(zhuǎn)換器的解決方案尺寸大小也達(dá)到與充電泵解決方案大致相當(dāng)?shù)乃?。由于充電泵?qū)動器所需的引腳數(shù)量較大，因此器件封裝也相應(yīng)較大，需要兩個(gè)外部快速電容器 (flying capacitor)，在這種情況下，充電泵解決方案的大小與升壓轉(zhuǎn)換器相當(dāng)甚至還要再大些。如果我們將升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率上升至高達(dá) 1mhz，就能使用小型的感應(yīng)器、輸出和輸入電容。此外，tps61062 的內(nèi)部控制回路經(jīng)過設(shè)計(jì)，可讓感應(yīng)器電流通常不達(dá)到正常操作下的最大交換電流。這就使我們能采用較小的感應(yīng)器，其最大額定電流剛好達(dá)到感應(yīng)器的最大峰值電流。例如，我們向 4 個(gè) led 供電時(shí)，飽和電流為 200ma 的感應(yīng)器就足夠了。如果沒有特定的內(nèi)部環(huán)路設(shè)計(jì)，感應(yīng)器飽和電流必須額定為 400ma，這就要求更大的感應(yīng)器，感應(yīng)器內(nèi)核也較大。

組件高度——充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器的對比

特別當(dāng)組件高度小于 1mm 的情況下，感應(yīng)器會相當(dāng)大。因此當(dāng)組件高度必須小于1mm 時(shí)，充電泵解決方案可能是更好的選擇。

emi 考慮事項(xiàng)——充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器對比

本部分不討論如何滿足任何國際電磁兼容性 (emc) 標(biāo)準(zhǔn)（如 ce[符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)]等）。我們將集中討論無線系統(tǒng)由于使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器造成的射頻 (rf) 失真問題。電磁干擾 (emi) 總是我們需要考慮的問題，特別在無線應(yīng)用方面更是如此，在這種情況下我們必須避免發(fā)射機(jī)與接收機(jī)頻帶的失真。

在考慮到 emi 問題時(shí)，設(shè)計(jì)人員仍是總想采用充電泵解決方案，這有些令人吃驚。人們這樣做的原因之一可能是因?yàn)椤昂ε隆鄙龎恨D(zhuǎn)換器所要求的感應(yīng)器會帶來問題。通常說來，可能的電磁輻射不會是大問題，因?yàn)? rf 敏感區(qū)周圍的感應(yīng)器是屏蔽的，具有電磁屏蔽，大多數(shù) rf 應(yīng)用中都是這種情況。電感式增壓轉(zhuǎn)換器造成emi 問題的最可能的“真實(shí)”原因在于，輸入和輸出電壓過濾不足造成傳導(dǎo)放射，或印刷電路板 (pcb) 布局不理想。不良的 pcb 布局和組件放置是造成 emi 的主要原因之一，甚至也是升壓轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

在鋰離子電池供電的無線系統(tǒng)中，白光 led 驅(qū)動器的開關(guān)噪聲進(jìn)入 rf 系統(tǒng)，與白光 led 驅(qū)動器的輸入耦合。帶有脈動輸入電流的白光 led 驅(qū)動器輸入直接連接至電池電極。由于 rf 部分也由電池供電，因此白光 led 驅(qū)動器輸入端的開關(guān)噪聲也存在于電池電極處，同時(shí)也存在于 rf 電路的輸入端，這會導(dǎo)致嚴(yán)重的干擾。為了明確哪種 led 驅(qū)動器解決方案在傳導(dǎo) emi 方面的性能更好，我們應(yīng)比較升壓轉(zhuǎn)換器與充電泵解決方案的輸入電壓紋波。

一種評估解決方案的辦法就是用頻譜分析儀檢查輸入端。如果器件以固定的開關(guān)頻率工作，那么頻譜將顯示基波的開關(guān)頻率及其諧波。圖 5 顯示了用頻譜分析儀測量升壓轉(zhuǎn)換器 tps61062（帶有標(biāo)準(zhǔn)的1 f輸入電容）輸入端的例子。

圖 5 顯示了頻率為 1mhz 時(shí)的基本情況，諧波在更高的開關(guān)頻率上。為了將 rf 部分的干擾降至最低，基波頻率及其諧波應(yīng)盡可能高，振幅則應(yīng)保持較低。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率會與發(fā)射機(jī)的載頻相混合，使邊帶也有載頻。邊帶出現(xiàn)在發(fā)射機(jī)的輸出頻帶中，剛好比發(fā)射機(jī)頻率高和低一個(gè)開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越低，邊帶離載頻就越近，可降低發(fā)射機(jī)的信噪比。開關(guān)頻率越高，邊帶離載頻就越遠(yuǎn)，并加大發(fā)射機(jī)的信噪比。當(dāng)然，轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因?yàn)槿绱耍潭ǖ霓D(zhuǎn)換器開關(guān)頻率等于及高于 1mhz 時(shí)，通常適合大多數(shù)應(yīng)用的要求。

我們不查看輸入頻譜，而是用示波器測量輸入電壓紋波，圖 6 及圖 7 顯示了升壓轉(zhuǎn)換器與充電泵解決方案的情況。

圖 6 顯示了交換節(jié)點(diǎn) ch1 及 ch2 上的輸入紋波電壓。如僅采用 1 f 輸入電容，峰到峰值輸入紋波電壓為 32mv。圖 7 顯示了充電泵解決方案的類似輸入紋波電壓（輸入電容也為 1 f，為 5 個(gè) led 供電）。
在相同設(shè)置下，充電泵解決方案的輸入紋波電壓是升壓轉(zhuǎn)換器解決方案的兩倍。這是由于充電泵工作于 1.5 增益模式下會生成幾乎為方形波的輸入電流。作為輸入濾波器，充電泵只有輸入電容。而升壓轉(zhuǎn)換器帶有電感及輸入電容，可更好地完成輸入濾波器的工作，從而實(shí)現(xiàn)較低的輸入電壓紋波。為了進(jìn)一步降低輸入電壓紋波，在采用升壓轉(zhuǎn)換器以及充電泵解決方案時(shí)最有效的方法就是增加輸入電容的值。就非常敏感的應(yīng)用而言，我們還可考慮增加額外的 lc 輸入濾波器，這要用到較小的鐵氧體磁珠。

結(jié)論

我們可以清楚地看到，充電泵解決方案滿足不了所有的應(yīng)用，升壓轉(zhuǎn)換器解決方案也是如此。選擇解決方案時(shí)要根據(jù)具體的最終應(yīng)用要求及關(guān)鍵參數(shù)來考慮。此外，我們也清楚地認(rèn)識到，充電泵解決方案在 emi 方面并不優(yōu)于升壓轉(zhuǎn)換器解決方案。表 1 總結(jié)了選擇充電泵或升壓轉(zhuǎn)換器解決方案時(shí)的重要選擇標(biāo)準(zhǔn)。