如何在白光LED應用中提升電池電壓

　白光LED通常由一個恒定直流電流源驅(qū)動，以保持恒定的亮度。在采用單顆鋰離子電池供電的便攜式應用中，白光LED以及電流源上的電壓降之總和可以比電池電壓更高或更低，這意味著白光LED某些時候需要對電池電壓進行升壓。完成這樣應用的最好辦法是使用升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種方法可以大大地優(yōu)化效率，但代價是成本和PCB面積增加。另外一種提升電池電壓的方法是使用電荷泵，也稱為開關電容轉(zhuǎn)換器。本文將詳細地分析這種器件的工作原理。
　電荷泵的基本原理

　　電容器是一種用來儲存電荷或電能，并在指定的時間以預設的速率將之釋放的組件。

　　圖1︰從一個電壓源對電容進行充電（圖a和b是理想情況，c和d是實際情況）。

　　如果一個理想的電容以理想的電壓源VG進行充電（見圖1a），將依據(jù)Dirac電流脈沖函數(shù)立即存儲電荷（圖1b）。存儲的總電荷數(shù)量按以下方式計算︰ Q = CVG

　　實際的電容具有等效串聯(lián)阻抗（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），兩者都不會影響到電容存儲電能的能力。然而，它們對開關電容電壓轉(zhuǎn)換器的整體轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。實際電容充電的等效電路如（圖1c）所示，其中RSW是開關的電阻。充電電流路徑具有串行電感，通過適當?shù)钠骷季衷O計可以降低這個串行電感。

　　一旦電路被加電，將產(chǎn)生指數(shù)特性的瞬態(tài)條件，直到達到一個穩(wěn)態(tài)條件為止。電容的寄生效應限制峰值充電電流，并增加電荷轉(zhuǎn)移時間（圖1d）。因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷泵就利用了這種電容特性，如（圖2a）所示。

　　圖2︰a.電荷泵電路，b.相關的波形。

　　電壓變換在兩個階段內(nèi)實現(xiàn)。在第一個階段期間，開關S1和S2關閉，開關S3和S4打開，而C1被充到輸入電壓：

　　在第二個階段，開關S3和S4關閉，而S1和S2打開。因為電容兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓突變到輸入電壓值的兩倍︰

　　使用這種方法可以實現(xiàn)電壓的倍壓。開關訊號的工作周期通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。以下讓我們更詳細地了解電荷轉(zhuǎn)移過程以及開關電容轉(zhuǎn)換器寄生效應如何影響其工作。

　　（圖2b）中顯示了開關電容電壓倍壓器的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。根據(jù)功率守恒的原理，平均的輸入電流是輸出電流的兩倍。

　　在第一階段，充電電流流入到C1。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR以及開關的電阻。在C1充電后，充電電流呈指數(shù)級地降低。充電時間常數(shù)是開關周期的幾倍，更小的充電時間常數(shù)將導致峰值電流增加。在這個時間內(nèi)，輸出電容CHOLD提供負載電流線性放電的電量，放電量等于：

　　在第二階段，C1 +連接到輸出，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）通過C1流到負載。在這個階段，輸出電容電流的變化大約為2 IOUT。盡管這個電流變化應該能產(chǎn)生一個輸出電壓變化為2 IOUT ESRC_HOLD，使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計。此時，CHOLD按下面的電量線性電位充電︰

　　當C1連接到輸入和接地之間時，CHOLD依照以下的電量線性電位放電︰

　　以下等式計算出輸出漣波峰對峰電壓值的總數(shù)︰

　　更高的開關頻率可以采用更小的輸出電容來獲得相同的紋波。

　　電荷泵的寄生效應導致輸出電壓隨著負載電流的增加而下降。事實上，總是存在2 IOUT的RMS電流流過C1和兩個開關（2Rsw），導致產(chǎn)生以下的功耗︰

　　除了這些純粹的電阻損耗，IOUT的RMS電流流過開關電容C1的等效電阻，產(chǎn)生的功耗為總之，因為陶瓷電容低的ESR以及高的開關頻率，輸出漣波以及輸出電壓降取決于開關電阻。

　　利用更多的開關和電容可以實現(xiàn)更多的電壓轉(zhuǎn)換。（圖3）展示了使用電容的這個特性的電路。

　　圖3︰具有1倍和1.5倍增益的開關電容電路。

　　同樣的，電壓轉(zhuǎn)換在兩個階段內(nèi)完成。在第一個階段，開關S1到S3關閉，而開關S4到S8打開。因此C1和C2并聯(lián)，假設C1等于C2，則充電到一半的輸入電壓︰

　　輸出電容CHOLD提供輸出負載電流。隨著這個電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，第二個階段是被激活來將輸出電壓增高到這個值以上。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VOUT之間。開關S4到S7關閉，而S1到S3和S8打開。因為電容兩端的電壓降并不能突變，輸出電壓跳變到輸入電壓值的1.5倍︰

　　電壓升壓是通過以下的模式完成︰通過關閉S8并保持S1到S7打開，電壓轉(zhuǎn)換可以獲得1倍的增益。

　　脈沖頻率調(diào)制（PFM）方案

　　圖4介紹了一種簡化的脈沖頻率調(diào)制（PFM）調(diào)壓方案，該方案利用了多個增益。

　下調(diào)的輸出電壓通過PUMP/SKIP比較器與1.2V的電壓基準比較。PUMP/SKIP比較器輸出電壓在啟動時線性上升，提供軟啟動功能。當輸出電壓超過期望的極限，器件不會開啟，消耗的電源電流將很小。在這種空閑狀態(tài)的期間，輸出電容CHOLD提供輸出負載電流。隨著這個電容不斷放電以及輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，電荷泵被激活直到輸出電壓再次達到高于這個值。

　　在輕負載下，PFM調(diào)節(jié)架構的主要優(yōu)勢是很明顯的。通常通過輸出電容提供負載電能。電源電流非常低，輸出電容只需要偶爾通過電荷泵進行再次充電。

　　總之，調(diào)壓電荷泵在一個寬的輸入范圍內(nèi)不能維持高的效率，因為輸入-輸出電流比根據(jù)基本的電壓轉(zhuǎn)換進行調(diào)節(jié)，任何比輸入電壓乘以電荷泵增益所得的值更低的輸出電壓將導致轉(zhuǎn)換器內(nèi)額外的功耗，并且效率會成比例地降低。

　　轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入／輸出比例改變增益的能力允許在整個輸入電壓范圍內(nèi)完成最優(yōu)秀的效率。理想的情況是，增益應該是線性式變化。現(xiàn)實中，給予固定的電容和開關數(shù)量，只可能達到有限的增益配置。

　　在圖4中，輸入電壓被調(diào)節(jié)，并被饋入到三個比較器的正向結(jié)點。比較器的所有反向結(jié)點連接到輸出電壓。根據(jù)輸入／輸出電壓比，比較器的輸出提供帶有一個3位字的增益控制電路，增益控制電路用于選擇最小的增益G，這樣就可以獲得期望的電壓轉(zhuǎn)換。然而，在白光LED應用中，選擇正確的增益G不僅僅根據(jù)輸入和輸出電壓。

　　圖5：這個開關電容器白光LED驅(qū)動器可用于四個LED

　　圖5是利用可適性電荷泵提升電壓的發(fā)光二極管驅(qū)動器，增益可達一及一點五倍。電荷泵的輸入端連接VIN接腳，而輸出端則連接VOUT接腳。 VOUT的電壓會通過調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在VREG這個恒定的水平。對于采用共陽極配置的LED，每個LED的輸入電流都可利用內(nèi)部電流源加以控制，其峰值驅(qū)動電流可通過外置電阻(RSET)加以設定。

　　這個計算方法正確與否取決于以下的先決條件：亦即VOUT- VLED的數(shù)值必須大至足以使信道組件不會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。事實上，若要為發(fā)光二極管提供所需的恒定電流，電流源的電壓必須有最低的規(guī)定，而這個最低的電壓稱為上限電壓(VHR)，其數(shù)值會隨著RHR電阻的變動而改變 ：

　　電荷泵必須不斷轉(zhuǎn)換適用的增益倍數(shù)，以確保電流恒定，決定采用哪一增益倍數(shù)的考慮因素包括發(fā)光二極管的正向壓降、電流源的電壓以及輸入電壓（參考圖5）。因此即使輸入電壓范圍極為廣泛，電荷泵仍能以最有效率的一倍增益作業(yè)，以減少電池的耗電量。

　　總結(jié)

　　使用開關電容比基于電感的開關方法具有某些優(yōu)勢，其中一個明顯的優(yōu)勢就是消除了電感以及相關的電磁設計問題。開關電容轉(zhuǎn)換器通常具有相對低的噪音和最小的輻射EMI。此外，應用電路很簡單，只需要幾個小電容。因為在沒有電感的情況下，最后的PCB器件高度通常比同等的開關轉(zhuǎn)換器更小。