無需增加成本、外圍元件和印刷電路板空間，新式白光LED驅(qū)動拓?fù)渚湍軌蛱峁I(yè)界領(lǐng)先的效率和簡單架構(gòu)的電荷泵。
系統(tǒng)設(shè)計人員目前面臨一個艱巨的挑戰(zhàn)，他們需要利用彩色便攜式顯示屏來最大限度地提升系統(tǒng)功能和效率，同時又要實現(xiàn)成本和尺寸最小化。現(xiàn)在已經(jīng)到了需要為系統(tǒng)設(shè)計師提供一種全新的LED驅(qū)動拓?fù)涞臅r候。
白光LED需要大約3.6伏的供電電壓才能實現(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，它們在充滿電之后約為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。替代的解決方案是使用升壓電路，在需要時提高驅(qū)動的電壓，從而在整個電池使用周期間內(nèi)不間斷地為LED穩(wěn)定供電。
LCD顯示屏中使用的LED驅(qū)動器有兩個要求。首先它們要能準(zhǔn)確控制和匹配每一個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)動器要能夠把輸入的電池電壓升高，這將保證在整個電池的使用周期內(nèi)能為LED提供足夠的驅(qū)動電壓，從而延長設(shè)備的使用時間。
基于電感的LED驅(qū)動器通常用于驅(qū)動串型連接的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)動器方案具有明顯的缺陷。體積龐大的儲能電感限制了這種方案在細(xì)長和低外觀的小型掌上設(shè)備中的應(yīng)用。
另一方面，電荷泵型LED驅(qū)動器則提供了一個非常好的解決方案，其外部電路只需使用極小的電容即可。這使之成為進一步推動消費增長的更小更薄的便攜式設(shè)備的理想選擇。電荷泵上的各個電流通道使用匹配的電流獨立驅(qū)動各并行連接的LED，但是，升壓比例是離散的，由不同的運行模式(倍增因子)而定。可用的運行模式數(shù)量和當(dāng)前的電池電壓決定了整個電荷泵的電源效率。
常見的電荷泵方案使用二個外部飛電容來提供三種運行模式(1倍，1.5倍，2倍)來進行升壓。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。超過驅(qū)動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，這就降低了整個電路的轉(zhuǎn)換效率。
嵌入更多的運行模式有助于在鋰電池的整個使用周期內(nèi)限制過高的電壓增益，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，這使整個解決方案的成本遠(yuǎn)高于只有三種運行模式的器件。
圖1 通過增加一個1.33倍運行模式，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，通過使用1.33倍運行模式，過高提升的電壓被盡量限制，從而減少電源浪費和由此而產(chǎn)生的熱損失(圖2)。
圖2 三模式和四模式中電源浪費對比
目前已經(jīng)有一種創(chuàng)新的、即將獲批美國專利的自適應(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)器件的簡單性的同時可以實現(xiàn)第四種電荷泵運行模式(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電流紋波。這有助于最大限度地減少整個供電噪聲，這在手機等便攜式設(shè)備中是一個很重要的指標(biāo)。
圖3 常規(guī)的1.33倍運行模式需要三個外部飛電容
常規(guī)的1.33倍運行模式(圖3)需要三個飛電容，通過使用兩相轉(zhuǎn)換(充電和升壓)來實現(xiàn)1.33倍升壓。Catalyst Semiconductor的新型1.33倍轉(zhuǎn)換架構(gòu)(圖4)通過增加額外的第三個轉(zhuǎn)換相來完成1.33倍升壓，這就消除了通常所需外接的第三個飛電容。
圖4 新的Catalyst 1.33倍運行模式架構(gòu)消除了第三個飛電容
在這種新的1.33倍升壓架構(gòu)中(圖4)，第一相動作是把飛電容C1和C2串聯(lián)并通過輸入電源為它們充電，第二相動作是把與輸入電源相連的電容C1與C2斷開并轉(zhuǎn)接至輸出端實現(xiàn)升壓，與此同時，電容C2因與C1斷開而保持浮空狀態(tài)。第三相動作是串接C1和C2并串聯(lián)于輸入和輸出間實現(xiàn)第二次升壓，電容C1在這過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LED驅(qū)動通道，每組包含兩個嚴(yán)格穩(wěn)流和匹配的通道。通過一個單線接口(包含地址和數(shù)據(jù))邏輯，可以實現(xiàn)完整的功能和調(diào)光控制，這就可以對各個LED組進行單獨和精確的設(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外部飛電容
系統(tǒng)設(shè)計師現(xiàn)在可以在采用簡潔的電荷泵方案的同時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)動器的一個飛躍性進步。