白光LED驅(qū)動器CAT3636在便攜設(shè)備中的應(yīng)用

　　目前，各種消費類電子產(chǎn)品不斷被賦予新的功能特色，而隨著復(fù)雜度的提高，相應(yīng)的功耗也隨之增加。如何通過改善設(shè)計去避免功耗過快的增長，已經(jīng)成為擺在硬件設(shè)計工程師面前的一個重要課題。比如手機、PMP、GPS這一類產(chǎn)品，其LCD背光所消耗的功率占整機功耗非常大的比重，而且LCD屏有進一步增大的趨勢，這將進一步增加相應(yīng)的功率。因此，如何降低LCD背光的功率消耗成為了降低系統(tǒng)功耗首要問題之一。

　　目前，市場上LCD屏的主流架構(gòu)是CSTN和TFT，它們都需要一定亮度的背光源來達成可見的圖像。背光源的亮度需求基本上與LCD屏的大小成正比，同時也和周邊的環(huán)境和用戶的主觀感受有關(guān)。國內(nèi)比較流行的背光方案是2.8英寸以下的LCD屏采用2～4個白光LED，2.8～4.3英寸的LCD屏采用5個以上的白光LED。考慮到LED的壽命、指標及價格，一般把單個LED電流控制在15～25mA。

　　大多數(shù)便攜設(shè)備采用鋰電池供電。鋰電池的放電區(qū)間是3.2～4.2V左右，而白光LED在正常工作時所需的正向電壓在3.2～3.8V之間（IF=20mA@ VF=3.5V），而當系統(tǒng)的負載突然增大時，就會造成電池電壓波動，因此直接使用鋰電池驅(qū)動白光LED就會發(fā)生暗屏或閃屏等不正常現(xiàn)象。

　　解決這個問題的方法是在鋰電池和白光LED之間插入一級升壓驅(qū)動電路。目前常用的架構(gòu)有兩種：一種是電感升壓型，另一種是電荷泵升壓型。

　　對便攜設(shè)備中5～6個白光LED的驅(qū)動方案，雖然電感升壓型架構(gòu)比傳統(tǒng)的電荷泵升壓型架構(gòu)具備更多的高效率優(yōu)勢，然而噪聲和外圍器件的尺寸仍然是這種方案中不易克服的缺點。為了驅(qū)動串聯(lián)排列的5～6個白光LED，電感升壓型芯片至少需要輸出16 （3.2V/LED×5）～21V（3.5V/LED×6）的驅(qū)動電壓，其上固有的切換電路紋波對其他小信號電路是較大的噪聲源。如果采用PWM信號控制升壓型芯片的使能端來進行調(diào)光操作，那么不單是PWM信號自身，波動的驅(qū)動電壓更會對其他電路造成不利的影響。

　　CAT3636是一款充電泵式電容升壓型白光LED驅(qū)動器，特別適合于采用5～6個白光LED作背光的LCD屏。與流行的電容升壓型架構(gòu)相似，它不需要電感器，外圍只需要幾個小容量的陶瓷電容器，自身亦采用小尺寸的3mm×3mm見方的TQFN-16封裝。而與流行的電容升壓型架構(gòu)不同的是，它采用了Catalyst半導(dǎo)體公司的Quad-ModeTM電荷泵專利技術(shù)，能夠非常有效地提升背光LED驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換效率，以降低背光電路的功耗。

　　當前大部分流行的電荷泵式LED驅(qū)動器根據(jù)輸出電壓和輸入電壓的比率僅提供3種工作模式：1倍， 1.5倍和 2倍。Quad-ModeTM架構(gòu)增加了第四種工作模式—1.33倍。1.33倍工作模式讓輸出的升壓電壓盡可能的小，這就極大地降低了器件的無用功耗和隨之而來的熱損耗。同時，1.33倍工作模式還有效地降低了電池端的輸入開關(guān)電流，不僅有效延長了電池的工作時間，而且使得整個系統(tǒng)的輸入噪聲達到最小。特別地，為了實現(xiàn)1.33倍的工作模式，CAT3636仍然采用流行的電荷泵式LED驅(qū)動器的外圍配置，只使用兩個飛電容來實現(xiàn)電壓變換，這就使芯片不必因工作模式的增加而使引腳數(shù)相應(yīng)增加，從而使器件可以采用較小但仍然廉價的TQFN封裝，有利于實際的生產(chǎn)和采購。

　　Quad-Mode電荷泵原理

　　CAT3636采用的是QUAD-MODETM電荷泵升壓架構(gòu)。其原理不同于電感式升壓電路，輸出電壓與輸入電壓成離散性倍數(shù)關(guān)系。這種電荷泵具有1倍、1.33倍、1.5倍和2倍四種工作模式。

　　QUAD-MODETM電荷泵的2倍模式工作原理如圖1所示。第1相時，輸入電源VIN對2個外部電容C1和C2進行充電，此時兩個外部電容并聯(lián)，電容的a端接VIN，b端接地。電容兩極間的電壓就是輸入電壓，即VC1=VC2=VIN。第2相時，外部電容b端則接至VIN，a端接至VOUT，這是VOUT=VIN+VC= 2VIN。由于反復(fù)的轉(zhuǎn)換第1相和第2相，電荷就被源源不斷地“泵”到輸出端。

　　圖1 2倍模式升壓原理

　　與2倍模式類似，1.5倍模式的工作原理圖2所示。第一相時，C1和C2串聯(lián)接至VIN與地之間，輸入電壓VIN對電容C1和C2進行充電，VC1=VC2=1/2VIN。第二相時，兩個外部電容與地斷開，并聯(lián)接至VOUT，此時VOUT=VIN+VC =VIN+1/2VIN=3/2VIN。同樣的，這個過程被反復(fù)地轉(zhuǎn)換，就實現(xiàn)了1.5倍升壓。

　　圖2 1.5倍模式升壓原理

　　與傳統(tǒng)的1.33倍模式不同，QUAD -MODETM電荷泵僅使用2個外部電容即可實現(xiàn)1.33倍模式。第一相時，VIN對外部電容C1和C2進行充電，C1與C2串聯(lián)。第二相時，電容C1和C2與輸入電源VIN斷開，C1反向接至VIN和VOUT。此時C2保持浮空狀態(tài)。第三相時，C1和C2串聯(lián)接至VIN，C2的正極接至VOUT。穩(wěn)態(tài)的輸出電壓可以根據(jù)基爾霍夫電壓定律求解得到：

　　第1相：VIN=VC1+VC2 （1）

　　第2相：VOUT=VIN+VC1 （2）

　　第3相：VOUT=VIN-VC1+VC2 （3）

　　將（2）式代入（3）式得：

　　VIN +VC1=VIN-VC1+VC2 （4）

　　VC2=2VC1 （5）

　　將（5）式代入（1）式：

　　VC1=1/3VIN （6）

　　再將（6）式代入（2）可得：

　　VOUT=4/3VIN。

　　圖3 Catalyst創(chuàng)新的1.33倍模式架構(gòu)

　　如果輸入電壓VIN比LED的正向電壓降VF大的話，則驅(qū)動LED不需要升壓，QUAD-MODETM電荷泵工作在1倍模式下。

　　根據(jù)能量守恒原理，CAT3636輸入功率PI就等于外部LED消耗的功率PL加上其自身消耗的功率PE，即PI=PL+PE。CAT3636自身消耗的功率主要包括電荷泵電壓轉(zhuǎn)換功耗PC，內(nèi)部恒流源被動消耗功耗PS，內(nèi)部邏輯功能模塊消耗的功率PF，以及熱損耗PT，即PE= PC+PS+PF+PT。如圖4所示。

　　圖4 功率消耗分布圖

　　CAT3636的轉(zhuǎn)換效率η=PL/PI=PL/（PC+PL+PS+PF+PT）。由于PF和PT值都比較小，η≈PL/（PC+PL+PS）。在恒定電流工作條件下，LED的消耗功率PL近似恒定，由此可見，在同一升壓模式下，隨著輸入電壓的降低，輸出電壓隨之降低，作用于內(nèi)部恒流源的電壓也隨之降低，因此恒流源的消耗功率PS也隨之下降，CAT3636的轉(zhuǎn)換效率η升高；在相同的輸入電壓下，模式越高，輸出電壓越高，則內(nèi)部恒流源消耗的功率就會越大，轉(zhuǎn)換效率隨之降低。這也就是帶1.33倍模式的LED驅(qū)動器要比僅有1.5倍或2倍模式的驅(qū)動器綜合轉(zhuǎn)換效率要高的原因。圖5是CAT3636工作在鋰電放電范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率圖。