利用電荷泵實現背光源的解決方案分析

至1996年日亞化學發表藍光LED之后，白光LED就被視為下一代照明光源最具發展潛力的器件。目前白光LED已經廣泛應用在公共場所步道燈、汽車照明、交通號志、便攜式電子產品、液晶顯示器等領域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發光效率，一般認為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，而電荷泵是利用電容達到升降壓的DC/DC轉換器，非常適用于手持式系統中小尺寸面板的背光源。

電荷泵將能量儲存在電容上然后轉移到輸出，而不需利用電感儲能方式，故在PCB布局時占有面積、高度及成本上的優勢，此種不用電感的低功率輔助電源設計在目前電子產品強調輕薄短小上是較佳選擇。

使用7個切換開關可以實現輸出電壓為輸入電壓的1.5倍。開關信號的占空比通常為50％，這通常能產生最佳的電荷轉移效率。

3．負壓架構

負壓架構也就是在輸出端V_OUT電壓為負V_IN電壓，其所需器件為開關(Q1~Q4)與電容(C_IN、C_OUT、C_PUMP1)，而電路動作同樣可分為充電階段與轉移階段。

充電階段：Q1和Q2閉合，Q3和Q4打開，此時輸入電壓(V_IN)對C_PUMP充電，如此在電容兩端電壓為V_IN。

轉移階段：Q1和Q2打開，Q3和Q4閉合，此時C_PUMP對C_OUT充電，如此在C_OUT端輸出電壓即為負的輸入電壓，而輸入端對輸出端而言即可獲得兩倍電壓差。

使用這種方法可以實現輸出電壓為負的輸入電壓。開關信號的占空比通常為50％。

電荷泵等效電路分析

接下來我們深入探討電荷泵的等效電路，并分析電容與工作頻率對電荷泵的影響。以兩倍壓架構為例，電路結構參考圖1。而其工作時可分為如圖2所示的電路：

圖1：電荷泵2倍壓架構。

圖2：電荷泵工作時的等效電路。

圖3：電荷泵 1.5倍壓架構。

其穩態架構電路推導如下，

穩態：

(D為占空比=0.5；V_PUMP-ON為打開時電容C1上的電壓；V_PUMP-OFF為關斷時電容C1上的電壓；f為開關頻率)

將以上公式化簡帶入，即可獲得下列等效公式

由以上等效電路與公式，可獲得幾個重要結論：

f(開關頻率)增快可以獲得較大的驅動能力與較好的效率；

C1電容選擇容值較大且ESR較小者，可以獲得較大的驅動能力與較好的效率；

電荷泵的優劣與其開關(Q1~Q4)的R_DS-ON值大小直接相關，值越小電荷泵工作特性越佳

而電荷泵1.5倍壓架構的等效電路亦可由相同的推導獲得。

電荷泵的工作特性受f(開關頻率)、電容C1與IC R_DS-ON影響，可是并非一味追求極限才是好，f(開關頻率)過大會影響EMI，電容C1會影響PCB布局面積，R_DS-ON要小則IC成本會較貴，因此在眾多考慮下如何取得平衡也是一種技術。

電荷泵驅動LED方案

白光LED需要大于LED正向偏壓的電壓驅動導通，所以利用電荷泵提高電壓驅動LED，如需要較高的質量則會多加用一個恒定直流電流源以保持恒定的亮度。

電荷泵可單獨使用在中小尺寸面板背光源。一般電荷泵使用在中小尺寸背光源時還會與電流源配合使用，因電荷泵提供白光LED足夠的電壓而電流源提供一個恒定直流電流源驅動白光LED，以保持恒定的亮度，且電流源每一通道間電流差異不可超出15%，超出15%人類眼睛即會分別出LED間亮度不均現象，除此的外電流源還有偵測電壓使電荷泵自動切換不同升壓模式與配合面板大小減少驅動LED數目的功能。

電荷泵自動切換不同升壓模式，也就是當輸入電壓足夠維持LED VF加上電流源工作電壓時，電荷泵將不動作。隨著輸入電壓下降，LED電流保持不變則LED VF不變，而輸入電壓降低會壓縮到電流源工作電壓，當到達電流源最低工作電壓時，電荷泵即開始動作將輸出電壓提高以維持足夠的電壓提供LED與電流源。電流源可配合客戶使用的面板大小來使用適當數量的LED，不會因LED數目的不同需要更換不同IC。

LED的調光方式

為配合使用者的習慣與使用環境亮度，調整LED亮度成為重要的應用，LED的亮度與LED電流成正比，當欲獲得較強的亮度時則必須提供較大的LED電流，反之亦然。一般常見調光方式可分為PWM方式與數字式：

1. PWM調光

PWM調光是利用PWM方波來設定LED電流大小，改變PWM占空比即可獲得對等的電流，PWM調光時須注意PWM的頻率要避開人耳可聽到的范圍(2kHz~25kHz)，否則將會有可能產生音頻噪聲影響使用者。

2. 數字調光

a 脈沖調光

脈沖調光是產生由高電壓電位轉低電壓電位再回復高電壓電位的脈沖，配合IC內部設定改變LED電流。

b. I2C

I2C為一串行傳輸技術，利用SDA(串行數據線)線和SCL(串行時鐘線)線，配合IC內部邏輯而改變LED電流。

就使用上而言，PWM較為簡單，只需改變占空比即可等效改變LED電流，而數字調光則具有較低耗電與較佳EMI的表現，需要根據使用上的需求而定。如果LED需長時間發光則建議使用數字調光，如需要較佳的LED發光色譜即可使用低頻PWM調光，避免LED激發偏差導致LED色偏。

本文小結

使用電荷泵驅動LED比利用電感的升壓方法具有很多優勢，其中一個明顯的優勢就是消除了電感以及相關的電磁設計問題，如穩定度與補償。電荷泵轉換器具有相對低的噪音與較小的EMI。此外，應用電路很簡單，只需要幾個小電容，也因為無須使用電感，所以最后的PCB器件高度通常比同等的增壓開關轉換器更薄。