白光LED升壓轉(zhuǎn)換器與電荷泵

為當(dāng)今手持電子設(shè)備中的白光LED供電需要專門的穩(wěn)壓器。存在兩種常見的調(diào)節(jié)器樣式，每種樣式都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本應(yīng)用筆記討論了每種穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)。MAX1561和MAX1573作為示例。

當(dāng)今的手持式電子產(chǎn)品通常采用彩色LCD顯示屏，以白色LED作為背光。為白光LED提供最佳供電需要專門的穩(wěn)壓器，既要克服LED的高正向電壓，又要提供恒流驅(qū)動(dòng)，以最大限度地減少電池電壓和LED之間的強(qiáng)度變化。為此，有兩種主流穩(wěn)壓器類型：基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器和基于電容的電荷泵轉(zhuǎn)換器。每種穩(wěn)壓器類型都有特定的優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)，因此最佳選擇取決于系統(tǒng)的特定優(yōu)先級(jí)。

本文比較了每種類型的先進(jìn)穩(wěn)壓器，MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器和MAX1573電荷泵。評(píng)估每種穩(wěn)壓器類型的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)論將有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇合適的解決方案。MAX1561和MAX1573特別適合比較，因?yàn)閮煽?a target="_blank">產(chǎn)品是同時(shí)設(shè)計(jì)的，在同一設(shè)施中采用相同的工藝制造，并且開關(guān)頻率相同，為1MHz。

原理圖復(fù)雜性：對(duì)電荷泵略有優(yōu)勢(shì)

圖1顯示了兩種穩(wěn)壓器解決方案的原理圖。電路很簡單，只需幾個(gè)外部元件，但升壓轉(zhuǎn)換需要一個(gè)電感器和肖特基二極管。（一些競(jìng)爭的升壓轉(zhuǎn)換器集成了肖特基二極管，但通常會(huì)降低效率。

圖1.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器（a）和MAX1573電荷泵（b）是兩種先進(jìn)的白光LED供電方案。電路復(fù)雜度相似，但電荷泵不需要電感。

效率：電荷泵略有優(yōu)勢(shì)

圖2顯示了兩種解決方案的效率。效率的測(cè)量方法是在標(biāo)準(zhǔn)化鋰離子電池C / 5放電曲線期間LED中的功率除以電池功率。18mA/LED的曲線表示正常背光亮度水平下的效率;升壓轉(zhuǎn)換器和電荷泵的平均值均為83%。圖中還顯示了2mA/LED處的曲線，表示長時(shí)間不活動(dòng)期間變暗時(shí)的效率;與升壓轉(zhuǎn)換器的76%相比，電荷泵的平均效率高達(dá)59%。

圖2.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器（a）和MAX1573電荷泵（b）在Li+電池壽命內(nèi)，在83mA/LED下的平均效率均為18%。然而，當(dāng)調(diào)光至2mA/LED時(shí)，電荷泵的效率遠(yuǎn)高于升壓轉(zhuǎn)換器。

上述結(jié)果有些令人驚訝，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電荷泵的效率并不高。MAX1573具有1倍直通和1.5倍升壓電荷泵模式、自適應(yīng)模式切換和極低壓差線性電流調(diào)節(jié)器，可在電池電量下降時(shí)盡可能長時(shí)間地保持在更高效的1倍模式，從而獲得同類領(lǐng)先的效率。沒有1倍模式的舊式電荷泵通常只能獲得50%至67%的效率。此外，一些包含1倍模式的競(jìng)爭電荷泵在大部分電池壽命中無法使用它，因此獲得的平均效率遠(yuǎn)低于83%。

轉(zhuǎn)向升壓轉(zhuǎn)換器，MAX1561是業(yè)界效率最高的轉(zhuǎn)換器之一。盡管如此，如果進(jìn)行權(quán)衡，效率是可能的。MAX1599就是一個(gè)很好的例子，它在87mA/LED時(shí)的效率為18%，在71mA/LED時(shí)的效率為2%。MAX1599與MAX1561完全相同，只是其振蕩器從1MHz減慢至500KHz，以降低開關(guān)損耗。由于頻率降低，電感的物理尺寸增加了一倍。

物理尺寸：電荷泵的優(yōu)勢(shì)

圖3顯示了兩種解決方案（包括外部元件）的PCB尺寸。雖然升壓轉(zhuǎn)換器的引腳數(shù)較少，可實(shí)現(xiàn)更小的 3mm × 3mm 封裝，但電感器的總占位面積更大，高度更高。接近1mm高度的電感器將需要比圖3所示更多的電路板空間。雖然電荷泵采用較大的4mm×4mm封裝，但它只需要四個(gè)小型1uF陶瓷電容。圖3（b）顯示的電容器尺寸為0603，但至少有三家制造商已經(jīng)提供更小的0402尺寸，如圖3（c）所示。對(duì)于空間極其受限的應(yīng)用，MAX1573電荷泵還提供2mm×2mm芯片級(jí)封裝，使整個(gè)電荷泵方案僅需11mm2.

圖3.由于需要電感器，升壓轉(zhuǎn)換器（a）比電荷泵（b）需要更多的電路板面積和高度。采用芯片級(jí)封裝和1uF 0402尺寸電容器，電荷泵解決方案（c）變得非常小。

系統(tǒng)靈活性：升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)

升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是，與電荷泵的并聯(lián)排列相比，LED是串聯(lián)連接的。如圖4（a）所示，這種串聯(lián)配置只需要升壓轉(zhuǎn)換器和LED之間的兩條走線。如果LED安裝在單獨(dú)的顯示模塊中，而升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵保留在主系統(tǒng)PCB上，則尤其具有優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，升壓轉(zhuǎn)換器消耗較少的連接器端子。此外，可以在大量型號(hào)中使用相同的升壓轉(zhuǎn)換器電路，每個(gè)型號(hào)在顯示模塊中使用不同數(shù)量的LED?；蛘呷魏翁囟ㄐ吞?hào)的顯示模塊可以隨時(shí)更改，而不會(huì)影響升壓轉(zhuǎn)換器電路。相反，可以更改升壓轉(zhuǎn)換器，而不會(huì)影響顯示模塊。這種 LED 串聯(lián)可顯著降低設(shè)計(jì)進(jìn)度的風(fēng)險(xiǎn)。

為了使電荷泵高效，1x模式需要為每個(gè)LED安裝一個(gè)單獨(dú)的電流調(diào)節(jié)器，如圖4（b）所示。如果 LED 的數(shù)量發(fā)生變化，則 LED 的走線數(shù)量也必須發(fā)生變化。此外，有時(shí)還必須更改原理圖，以禁用未使用的電流調(diào)節(jié)器（例如，將未使用的電流調(diào)節(jié)器連接到MAX1573的IN）。如果將電荷泵更改為競(jìng)爭解決方案，則會(huì)產(chǎn)生問題：未使用的電流調(diào)節(jié)器可能通過不同的方式禁用（例如，連接到OUT或保持浮動(dòng)）;更糟糕的是，新的電荷泵可能設(shè)計(jì)為具有公共陰極而不是公共陽極的LED排列，因此需要進(jìn)一步更改顯示模塊。

圖4.升壓轉(zhuǎn)換器 （a） 只有兩個(gè)連接到 LED，而電荷泵 （b） 需要多個(gè)連接。使用升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，靈活性更大，因?yàn)榭梢栽诓挥绊懮龎涸韴D的情況下更改 LED 數(shù)量，或者可以在不影響 LED 排列的情況下更改升壓轉(zhuǎn)換器 IC。對(duì)于電荷泵，LED的排列方式在某種程度上特定于所使用的特定IC。

紋波和噪聲：電荷泵的優(yōu)勢(shì)

由于電荷泵和升壓轉(zhuǎn)換器是開關(guān)穩(wěn)壓器，它們?cè)谄漭斎牒洼敵錾袭a(chǎn)生電壓和電流紋波，并從電感和開關(guān)節(jié)點(diǎn)輻射EMI。有時(shí)，這種紋波和噪聲可能會(huì)耦合到產(chǎn)品內(nèi)的其他敏感電路中，例如蜂窩電話中的RF收發(fā)器，并導(dǎo)致性能問題。

輸入紋波顯然很重要，因?yàn)殡姵仉娫淳€對(duì)于系統(tǒng)中的許多電路都是通用的。然而，圖5顯示，當(dāng)以相同頻率開關(guān)、驅(qū)動(dòng)相同輸出負(fù)載和利用相同輸入電容時(shí)，電荷泵和升壓轉(zhuǎn)換器的輸入紋波非常相似。需要注意的是，MAX1573只需要1uF的輸入電容，但為了公平比較，電容增加到2.2uF，與MAX1561相匹配。將輸入電容增加到 4.7uF 或 10uF 可進(jìn)一步降低兩個(gè)器件的輸入紋波，而只需很少的額外成本或物理尺寸。

圖5.升壓轉(zhuǎn)換器 （a） 和電荷泵 （b） 在以 1MHz 開關(guān)、為相同數(shù)量的 LED 供電以及使用相同的輸入電容時(shí)，其輸入紋波非常相似。然而，由于LED連接數(shù)量較多，電荷泵鼓勵(lì)更短的輸出走線（天線），并且與升壓轉(zhuǎn)換器從其電感和開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的EMI相比，跨接電容器產(chǎn)生的EMI更少。

輸出紋波也是一個(gè)問題，特別是對(duì)于長輸出走線，它可能充當(dāng)天線，甚至將噪聲電容耦合到附近的電路。升壓轉(zhuǎn)換器更容易出現(xiàn)此問題，但這只是因?yàn)樗鼈兪褂玫妮敵鲎呔€較少，因此更有可能放置在離LED更遠(yuǎn)的地方。電荷泵的大量輸出連接自然會(huì)鼓勵(lì)I(lǐng)C和LED更緊密地連接。

由于升壓轉(zhuǎn)換器將能量存儲(chǔ)在電感的磁場(chǎng)中，因此它們比電荷泵的跨接電容器輻射更多的EMI。因此，建議在系統(tǒng)外殼內(nèi)使用屏蔽電感或隔間屏蔽。此外，升壓轉(zhuǎn)換器還具有較大的電壓擺幅，電感和肖特基二極管之間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)邊緣非常鋒利。雖然在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上增加一個(gè)小電容可能會(huì)軟化快速邊沿并降低EMI，但不幸的是，效率會(huì)降低一些。

其他重要功能：優(yōu)勢(shì)取決于需求

雖然以下特性不是升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵所固有的，但它們?nèi)匀皇沁x擇任何特定背光驅(qū)動(dòng)器IC時(shí)需要評(píng)估的重要特性。

MAX1561和MAX1573均提供輸出過壓保護(hù)。此功能可防止 IC 在 LED（或輸出連接）開路時(shí)發(fā)生故障時(shí)損壞自身。如果沒有此功能，則需要一個(gè)外部齊納二極管。

調(diào)光控制用于在一段時(shí)間不活動(dòng)后降低LED電流（顯示亮度），以延長電池壽命。也可以采用調(diào)光來調(diào)整顯示器的正常亮度級(jí)別以適應(yīng)用戶的偏好。有許多調(diào)光技術(shù)，包括模擬DAC、邏輯輸入、開/關(guān)PWM、濾波PWM、1線串行脈沖接口和SPI?或我2C* 串行接口。MAX1561和MAX1573給出了各種調(diào)光方法。

MAX1561采用單路CTRL輸入，可用于簡單的邏輯電平開/關(guān)，由DAC的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)，或直接由200Hz至200KHz的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。由于MAX1561設(shè)計(jì)有集成反饋環(huán)路，PWM信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部濾波，產(chǎn)生直流LED電流，與傳統(tǒng)的開/關(guān)PWM調(diào)光相比，輸入/輸出紋波和噪聲要小得多。

MAX1573使用兩個(gè)邏輯輸入EN1和EN2來控制關(guān)斷、10%、30%和100%LED電流。此外，當(dāng)將EN2驅(qū)動(dòng)為高電平并向EN200施加20Hz至1KHz PWM信號(hào)時(shí)，LED電流在PWM占空比下在10%至100%之間快速切換。此外，MAX1573具有一個(gè)外部電阻Rset，用于設(shè)置100%電流電平，允許通過切換不同的電阻或?qū)⒛M或邏輯信號(hào)通過第二個(gè)電阻相加到SET節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)光。

軟啟動(dòng)用于降低啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，從而最大限度地減少可能破壞系統(tǒng)中其他電路的電池電壓下降。MAX1561和MAX1573均具有軟啟動(dòng)功能，如圖6所示。一些軟啟動(dòng)算法可防止任何輸入電流過沖，而效率較低的算法只是防止電流過沖過大。

圖6.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器（a）和MAX1573電荷泵（b）的軟啟動(dòng)和關(guān)斷波形顯示無輸入電流（I在） 過沖。這最大限度地減少了電池輸入電壓下降，因此由電池供電的其他電路不會(huì)中斷。

快速固定頻率開關(guān)允許物理上較小的外部元件，并保持較低的輸入/輸出紋波。但是，如果開關(guān)發(fā)生得太快，開關(guān)損耗會(huì)增加，效率也會(huì)受到影響。在當(dāng)今的半導(dǎo)體工藝中，600KHz至1.5MHz范圍內(nèi)的頻率似乎是最佳的。一些背光驅(qū)動(dòng)器IC使用變頻PFM或門控振蕩器控制方案，可能會(huì)產(chǎn)生較大的輸入和輸出紋波，諧波含量豐富，可能會(huì)對(duì)其他電路造成干擾。使用這些PFM方案時(shí)，建議仔細(xì)評(píng)估。

良好的電流精度和匹配功能可將顯示器亮度和功耗保持在目標(biāo)水平，并最大限度地減少LED之間的任何亮度變化。盡管此規(guī)范受到了很多關(guān)注，但它并不像人們想象的那么重要。即使具有完美的電流精度，LED本身也有±20%的亮度變化。此外，人眼對(duì)40%的總亮度誤差和±30%的LED與LED不匹配相當(dāng)不敏感。

舊式電壓調(diào)節(jié)電荷泵使用鎮(zhèn)流電阻來實(shí)現(xiàn)略微不可接受的精度和匹配。新型電荷泵通過集成多個(gè)電流調(diào)節(jié)器（每個(gè)LED一個(gè)）來主動(dòng)控制各個(gè)電流，從而解決了這一挑戰(zhàn)。盡管如此，對(duì)于某些電荷泵IC來說，在低電流水平下調(diào)光時(shí)保持良好的匹配仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，串聯(lián)LED連接在任何電流水平下都能提供固有的完美匹配，但升壓IC仍然需要在整個(gè)亮度范圍內(nèi)提供合理的精度。

電荷泵模式 - 改變遲滯可防止在 1x 和 1.5x 電荷泵模式之間切換時(shí)出現(xiàn) LED 閃爍。良好的自適應(yīng)模式變化方案可監(jiān)控電流調(diào)節(jié)器，以便在壓差之前啟動(dòng)模式變化，從而保持更高效的1倍模式，直至盡可能低的電池電壓。監(jiān)控所有電流調(diào)節(jié)器非常重要。否則，某些 LED 可能會(huì)在更改模式之前變暗，從而導(dǎo)致 1.5x 模式開始時(shí) LED 亮度明顯下降。一旦進(jìn)入 1.5x 模式，遲滯會(huì)阻止模式來回切換，這會(huì)導(dǎo)致輸入/輸出紋波，并可能導(dǎo)致可見的 LED 閃爍。但是，如果遲滯太大，則電池電壓的任何暫時(shí)下降都會(huì)鎖存效率較低的1.5x模式，并阻止在電池恢復(fù)時(shí)返回到1x模式。因此，需要優(yōu)化遲滯。例如，MAX1573不僅監(jiān)測(cè)每個(gè)電流調(diào)節(jié)器，還采用專有技術(shù)主動(dòng)修改遲滯，以獲得最佳效率，無閃爍機(jī)會(huì)。（當(dāng)然，升壓轉(zhuǎn)換器如MAX1561不需要任何模式改變。

結(jié)論：升壓轉(zhuǎn)換器得分1，電荷泵得分4

上述比較表明電荷泵取得了良好的勝利。然而，根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)和任何特定驅(qū)動(dòng)器IC的獨(dú)特特性，意見可能會(huì)有所不同。直到最近，升壓轉(zhuǎn)換器比電荷泵效率更高，更受歡迎。然而，現(xiàn)在新一代1倍/1.5倍電荷泵已經(jīng)縮小了差距，大多數(shù)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)都傾向于電荷泵解決方案。

審核編輯：郭婷