优化白光LED背光应用效率

优化白光LED背光应用效率

白光LED通常由一个恒定直流电流源驱动，以保持恒定的亮度。在采用单颗锂离子电池供电的可携式应用中，白光LED以及电流源上的电压降之总和可以比电池电压高或低，这意味着白光LED某些时候需要对电池电压进行升压。完成这样应用的最好办法是使用升压DC-DC转换器，这种方法大大地优化效率，但代价是成本和PCB面积增加。另外一种提升电池电压的方法是使用电荷帮浦，也称为开关电容转换器。本文将详细地分析这种组件的工作原理。

电荷帮浦的基本原理

电容是存储电荷或电能，并按预先确定的速度和时间放电的装置。如果一个理想的电容以理想的电压源VG进行充电(见图1a)，将依据Dirac电流脉波函数立即存储电荷(图1b)。存储的总电荷数量按以下方式计算︰Q=CVG

实际的电容具有等效串联阻抗(ESR)和等效串联电感(ESL)，两者都不会影响到电容存储电能的能力。然而，它们对开关电容电压转换器的整体转换效率有很大的影响。实际电容充电的等效电路如图1c所示，其中RSW是开关的电阻。充电电流路径具有串行电感，透过适当的组件布局设计可以降低这个串行电感。

一旦电路被加电，将产生指数特性的瞬态条件，直到达到一个稳态条件为止。电容的寄生效应限制峰值充电电流，并增加电荷转移时间。因此电容的电荷累积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零。电荷帮浦就利用了这种电容特性，如图2a所示。

电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段期间，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，充电到输入电压:

VC1+VC1-=VC1+=VIN

VC1+─VC1-=VOUT─VIN=VIN→VOUT=2VIN

在第二个阶段，开关S3和S4关闭，而S1和S2打开。因为电容两端的电压降不能立即改变，输出电压突变到输入电压值的两倍︰使用这种方法可以实现电压的倍压。开关讯号的工作周期通常为50%，这通常能产生最佳的电荷转移效率。以下让我们更详细地了解电荷转移过程以及开关电容转换器寄生效应如何影响其工作。

图2b中显示了开关电容电压倍压器的稳态电流和电压波形。根据功率守恒的原理，平均的输入电流是输出电流的两倍。在第一阶段，充电电流流入到C1。该充电电流的初始值决定于电容C1两端的初始电压、C1的ESR以及开关的电阻。在C1充电后，充电电流呈指数级地降低。充电时间常数是开关周期的几倍，更小的充电时间常数将导致峰值电流增加。在这个时间内，输出电容Chold提供负载电流线性放电的电量，放电量等于︰

在第二阶段，C1+连接到输出，放电电流(电流大小与前面的充电电流相同)透过C1流到负载。在这个阶段，输出电容电流的变化大约为2IOUT。尽管这个电流变化应该能产生一个输出电压变化为2IoutESRChold，使用低ESR的陶瓷电容使得这种变化可以忽略不计。此时，CHOLD按下面的电量线性电位充电︰如此一来，电荷帮浦的输出电压可以用以下的等式模仿︰

VOUT=2VIN─IoutRout

总之，因为陶瓷电容低的ESR以及高的开关频率，输出涟波以及输出电压降取决于开关电阻。利用更多的开关和电容可以实现附加的电压转换。图3展示了使用电容的这个特性的电路。同样的，电压转换在两个阶段内完成。在第一个阶段，开关S1到S3关闭，而开关S4到S8打开。因此C1和C2并联，假设C1等于C2，输出电容CHOLD提供输出负载电流。随着这个电容的放电，输出电压降低到期望的输出电压以下，第二个阶段是被激活来将输出电压增高到这个值以上。在第二阶段，C1和C2并联，连接在VIN和VOUT之间。开关S4到S7关闭，而S1到S3和S8打开。因为电容两端的电压降并不能突变，输出电压跳变到输入电压值的1.5倍︰

电压升压是透过以下的模式完成︰透过关闭S8并保持S1到S7打开，电压转换可以获得1倍的增益。

脉波频率调制(PFM)方案

图4种介绍了一种简化的PFM调压方案，该方案利用许多个增益。下调的输出电压透过PUMP/SKIP比较器与1.2V的电压基准比较。PUMP/SKIP比较器输出电压在启动时线性上升，提供软启动功能。当输出电压超过期望的极限，组件不会开启，消耗的电源电流将很小。在这种空闲状态的期间，输出电容提供输出负载电流。随着这个电容不断放电以及输出电压降低到期望的输出电压以下，