利用电荷泵实现背光源的解决方案分析

利用电荷泵实现背光源的解决方案分析

至1996年日亚化学发表蓝光LED之后，白光LED就被视为下一代照明光源最具发展潜力的器件。目前白光LED已经广泛应用在公共场所步道灯、汽车照明、交通号志、便携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，而电荷泵是利用电容达到升降压的DC/DC转换器，非常适用于手持式系统中小尺寸面板的背光源。

电荷泵将能量储存在电容上然后转移到输出，而不需利用电感储能方式，故在PCB布局时占有面积、高度及成本上的优势，此种不用电感的低功率辅助电源设计在目前电子产品强调轻薄短小上是较佳选择。

常见电荷泵

依电荷泵的输出电压不同可分为2倍压、1.5倍压及负电压架构。主要工作模式如下：

1. 2倍压架构

2倍压架构顾名思义也就是在输出端VOUT电压为两倍VIN电压，其所需要的器件为开关(Q1~Q4)与电容(CIN、COUT、CPUMP) ，而电路动作可分为充电阶段与转移阶段(Transfer Phase)。

充电阶段：Q1和Q4闭合，Q2和Q3打开，此时输入电压(VIN)对CPUMP 充电，如此在CPUMP两端的电压为VIN。

转移阶段Q1和Q4打开，Q2和Q3闭合，此时输入电压(VIN)与CPUMP 串联对COUT充电，如此在COUT端输出电压即为两倍输入电压。

使用这种方法可以实现输出电压为输入电压的两倍。开关信号的占空比通常为50％，这通常能产生最佳的电荷转移效率。

2. 1.5倍压架构

1.5倍压架构也就是在输出端VOUT电压为1.5倍VIN电压，其所需要的器件为开关(Q1~Q7)与电容(CIN、COUT、CPUMP1、CPUMP2)，而电路动作同样可分为充电阶段与转移阶段。

充电阶段：Q1、Q4和Q7闭合，Q2、Q3、Q5和Q6打开，此时输入电压(VIN)对CPUMP1和CPUMP2充电，如此在电容两端电压分别为1/2VIN。

转移阶段：Q1、Q4和7打开，Q2、Q3、Q5和Q6闭合，此时CPUMP1与CPUMP2为并联再与输入电压(VIN)串联对COUT充电，如此在COUT端输出电压即为1.5倍输入电压。

使用7个切换开关可以实现输出电压为输入电压的1.5倍。开关信号的占空比通常为50％，这通常能产生最佳的电荷转移效率。

3．负压架构

负压架构也就是在输出端V_OUT电压为负V_IN电压，其所需器件为开关(Q1~Q4)与电容(C_IN、C_OUT、C_PUMP1)，而电路动作同样可分为充电阶段与转移阶段。

充电阶段：Q1和Q2闭合，Q3和Q4打开，此时输入电压(V_IN)对C_PUMP充电，如此在电容两端电压为V_IN。

转移阶段：Q1和Q2打开，Q3和Q4闭合，此时C_PUMP对C_OUT充电，如此在C_OUT端输出电压即为负的输入电压，而输入端对输出端而言即可获得两倍电压差。

使用这种方法可以实现输出电压为负的输入电压。开关信号的占空比通常为50％。

电荷泵等效电路分析

接下来我们深入探讨电荷泵的等效电路，并分析电容与工作频率对电荷泵的影响。以两倍压架构为例，电路结构参考图1。而其工作时可分为如图2所示的电路：

图1：电荷泵2倍压架构。

图2：电荷泵工作时的等效电路。

图3：电荷泵 1.5倍压架构。

其稳态架构电路推导如下，

稳态：

(D为占空比=0.5；V_PUMP-ON为打开时电容C1上的电压；V_PUMP-OFF为关断时电容C1上的电压；f为开关频率)

将以上公式化简带入，即可获得下列等效公式

由以上等效电路与公式，可获得几个重要结论：

f(开关频率)增快可以获得较大的驱动能力与较好的效率；

C1电容选择容值较大且ESR较小者，可以获得较大的驱动能力与较好的效率；

电荷泵的优劣与其开关(Q1~Q4)的R_DS-ON值大小直接相关，值越小电荷泵工作特性越佳

而电荷泵1.5倍压架构的等效电路亦可由相同的推导获得。

电荷泵的工作特性受f(开关频率)、电容C1与IC R_DS-ON影响，可是并非一味追求极限才是好，f(开关频率)过大会影响EMI，电容C1会影响PCB布局面积，R_DS-ON要小则IC成本会较贵，因此在众多考虑下如何取得平衡也是一种技术。

电荷泵驱动LED方案

白光LED需要大于LED正向偏压的电压驱动导通，所以利用电荷泵提高电压驱动LED，如需要较高的质量则会多加用一个恒定直流电流源以保持恒定的亮度。

电荷泵可单独使用在中小尺寸面板背光源。一般电荷泵使用在中小尺寸背光源时还会与电流源配合使用，因电荷泵提供白光LED足够的电压而电流源提供一个恒定直流电流源驱动白光LED，以保持恒定的亮度，且电流源每一通道间电流差异不可超出15%，超出15%人类眼睛即会分别出LED间亮度不均现象，除此的外电流源还有侦测电压使电荷泵自动切换不同升压模式与配合面板大小减少驱动LED数目的功能。

电荷泵自动切换不同升压模式，也就是当输入电压足够维持LED VF加上电流源工作电压时，电荷泵将不动作。随着输入电压下降，LED电流保持不变则LED VF不变，而输入电压降低会压缩到电流源工作电压，当到达电流源最低工作电压时，电荷泵即开始动作将输出电压提高以维持足够的电压提供LED与电流源。电流源可配合客户使用的面板大小来使用适当数量的LED，不会因LED数目的不同需要更换不同IC。

LED的调光方式

为配合使用者的习惯与使用环境亮度，调整LED亮度成为重要的应用，LED的亮度与LED电流成正比，当欲获得较强的亮度时则必须提供较大的LED电流，反之亦然。一般常见调光方式可分为PWM方式与数字式：

1. PWM调光

PWM调光是利用PWM方波来设定LED电流大小，改变PWM占空比即可获得对等的电流，PWM调光时须注意PWM的频率要避开人耳可听到的范围(2kHz~25kHz)，否则将会有可能产生音频噪声影响使用者。

2. 数字调光

a 脉冲调光

脉冲调光是产生由高电压电位转低电压电位再回复高电压电位的脉冲，配合IC内部设定改变LED电流。

b. I2C

I2C为一串行传输技术，利用SDA(串行数据线)线和SCL(串行时钟线)线，配合IC内部逻辑而改变LED电流。

就使用上而言，PWM较为简单，只需改变占空比即可等效改变LED电流，而数字调光则具有较低耗电与较佳EMI的表现，需要根据使用上的需求而定。如果LED需长时间发光则建议使用数字调光，如需要较佳的LED发光色谱即可使用低频PWM调光，避免LED激发偏差导致LED色偏。

本文小结

使用电荷泵驱动LED比利用电感的升压方法具有很多优势，其中一个明显的优势就是消除了电感以及相关的电磁设计问题，如稳定度与补偿。电荷泵转换器具有相对低的噪音与较小的EMI。此外，应用电路很简单，只需要几个小电容，也因为无须使用电感，所以最后的PCB器件高度通常比同等的增压开关转换器更薄。