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| 【LED】優化白光LED背光應用效率 |
| （時間:2026-03-29 05:54:47） |
白光LED通常由一個恒定直流電流源驅動，以保持恒定的亮度。在采用單顆鋰離子電池供電的可攜式應用中，白光LED以及電流源上的電壓降之總和可以比電池電壓高或低，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轉換器，這種方法大大地優化效率，但代價是成本和PCB麵積增加。另外一種提升電池電壓的方法是使用電荷幫浦，也稱為開關電容轉換器。本文將詳細地分析這種組件的工作原理。
電荷幫浦的基本原理
電容是存儲電荷或電能，並按預先確定的速度和時間放電的裝置。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Dirac電流脈波函數立即存儲電荷(圖1b)。存儲的總電荷數量按以下方式計算︰ Q = CVG
實際的電容具有等效串聯阻抗(ESR)和等效串聯電感(ESL)，兩liang者zhe都dou不bu會hui影ying響xiang到dao電dian容rong存cun儲chu電dian能neng的de能neng力li。然ran而er，它ta們men對dui開kai關guan電dian容rong電dian壓ya轉zhuan換huan器qi的de整zheng體ti轉zhuan換huan效xiao率lv有you很hen大da的de影ying響xiang。實shi際ji電dian容rong充chong電dian的de等deng效xiao電dian路lu如ru圖tu1c所示，其中RSW是開關的電阻。充電電流路徑具有串行電感，透過適當的組件布局設計可以降低這個串行電感。
一yi旦dan電dian路lu被bei加jia電dian，將jiang產chan生sheng指zhi數shu特te性xing的de瞬shun態tai條tiao件jian，直zhi到dao達da到dao一yi個ge穩wen態tai條tiao件jian為wei止zhi。電dian容rong的de寄ji生sheng效xiao應ying限xian製zhi峰feng值zhi充chong電dian電dian流liu，並bing增zeng加jia電dian荷he轉zhuan移yi時shi間jian。因yin此ci電dian容rong的de電dian荷he累lei積ji不bu能neng立li即ji完wan成cheng，這zhe意yi味wei著zhe電dian容rong兩liang端duan的de初chu始shi電dian壓ya變bian化hua為wei零ling。電dian荷he幫bang浦pu就jiu利li用yong了le這zhe種zhong電dian容rong特te性xing，如ru圖tu2a所示。
電壓變換在兩個階段內實現。在第一個階段期間，開關S1和S2關閉，而開關S3和S4打開，充電到輸入電壓:
VC1+ VC1- = VC1+ = VIN
VC1+ ─ VC1- = VOUT ─ VIN = VIN →VOUT = 2VIN
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電壓的倍壓。開關訊號的工作周期通常為50%，這通常能產生最佳的電荷轉移效率。以下讓我們更詳細地了解電荷轉移過程以及開關電容轉換器寄生效應如何影響其工作。
圖2bzhongxianshilekaiguandianrongdianyabeiyaqidewentaidianliuhedianyaboxing。genjugonglvshouhengdeyuanli，pingjundeshurudianliushishuchudianliudeliangbei。zaidiyijieduan，chongdiandianliuliurudaoC1。該充電電流的初始值決定於電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR以及開關的電阻。在C1充chong電dian後hou，充chong電dian電dian流liu呈cheng指zhi數shu級ji地di降jiang低di。充chong電dian時shi間jian常chang數shu是shi開kai關guan周zhou期qi的de幾ji倍bei，更geng小xiao的de充chong電dian時shi間jian常chang數shu將jiang導dao致zhi峰feng值zhi電dian流liu增zeng加jia。在zai這zhe個ge時shi間jian內nei，輸shu出chu電dian容rongC hold提供負載電流線性放電的電量，放電量等於︰
在第二階段，C1+連接到輸出，放電電流(電流大小與前麵的充電電流相同)透過C1流到負載。在這個階段，輸出電容電流的變化大約為2IOUT。盡管這個電流變化應該能產生一個輸出電壓變化為2 Iout ESR C 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按下麵的電量線性電位充電︰如此一來，電荷幫浦的輸出電壓可以用以下的等式模仿︰
VOUT = 2VIN ─ Iout Rout
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於開關電阻。利用更多的開關和電容可以實現附加的電壓轉換。圖3展示了使用電容的這個特性的電路。同樣的，電壓轉換在兩個階段內完成。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並聯，假設C1等於C2，輸出電容CHOLDtigongshuchufuzaidianliu。suizhezhegedianrongdefangdian，shuchudianyajiangdidaoqiwangdeshuchudianyayixia，diergejieduanshibeijihuolaijiangshuchudianyazenggaodaozhegezhiyishang。zaidierjieduan，C1和C2並聯，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並不能突變，輸出電壓跳變到輸入電壓值的1.5倍︰
電壓升壓是透過以下的模式完成︰透過關閉S8並保持S1到S7打開，電壓轉換可以獲得1倍的增益。
脈波頻率調製(PFM)方案
圖4種介紹了一種簡化的PFM調壓方案，該方案利用許多個增益。下調的輸出電壓透過PUMP/SKIP比較器與1.2V的電壓基準比較。PUMP/SKIP比(bi)較(jiao)器(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)在(zai)啟(qi)動(dong)時(shi)線(xian)性(xing)上(shang)升(sheng)，提(ti)供(gong)軟(ruan)啟(qi)動(dong)功(gong)能(neng)。當(dang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)超(chao)過(guo)期(qi)望(wang)的(de)極(ji)限(xian)，組(zu)件(jian)不(bu)會(hui)開(kai)啟(qi)，消(xiao)耗(hao)的(de)電(dian)源(yuan)電(dian)流(liu)將(jiang)很(hen)小(xiao)。在(zai)這(zhe)種(zhong)空(kong)閑(xian)狀(zhuang)態(tai)的(de)期(qi)間(jian)，輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)提(ti)供(gong)輸(shu)出(chu)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)。隨(sui)著(zhe)這(zhe)個(ge)電(dian)容(rong)不(bu)斷(duan)放(fang)電(dian)以(yi)及(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)到(dao)期(qi)望(wang)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)以(yi)下(xia)，電(dian)荷(he)幫(bang)浦(pu)被(bei)激(ji)活(huo)直(zhi)到(dao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)再(zai)次(ci)達(da)到(dao)高(gao)於(yu)這(zhe)個(ge)值(zhi)。
在輕負載下，PFM調tiao節jie架jia構gou的de主zhu要yao優you勢shi是shi很hen明ming顯xian的de。通tong常chang透tou過guo輸shu出chu電dian容rong提ti供gong負fu載zai電dian能neng。電dian源yuan電dian流liu非fei常chang低di，輸shu出chu電dian容rong隻zhi需xu要yao偶ou爾er透tou過guo電dian荷he幫bang浦pu進jin行xing再zai次ci充chong電dian。
總之，調壓電荷幫浦在一個寬的輸入範圍內不能維持高的效率，因為輸入-輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)比(bi)根(gen)據(ju)基(ji)本(ben)的(de)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)，任(ren)何(he)比(bi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)乘(cheng)以(yi)電(dian)荷(he)幫(bang)浦(pu)增(zeng)益(yi)所(suo)得(de)的(de)值(zhi)更(geng)低(di)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)將(jiang)導(dao)致(zhi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)內(nei)額(e)外(wai)的(de)功(gong)耗(hao)，並(bing)且(qie)效(xiao)率(lv)會(hui)成(cheng)比(bi)例(li)地(di)降(jiang)低(di)。
轉換器根據輸入/輸(shu)出(chu)比(bi)例(li)改(gai)變(bian)增(zeng)益(yi)的(de)能(neng)力(li)允(yun)許(xu)在(zai)整(zheng)個(ge)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)內(nei)完(wan)成(cheng)最(zui)優(you)秀(xiu)的(de)效(xiao)率(lv)。理(li)想(xiang)的(de)情(qing)況(kuang)是(shi)，增(zeng)益(yi)應(ying)該(gai)是(shi)線(xian)性(xing)式(shi)變(bian)化(hua)。現(xian)實(shi)中(zhong)，給(gei)予(yu)固(gu)定(ding)的(de)電(dian)容(rong)和(he)開(kai)關(guan)數(shu)量(liang)，隻(zhi)可(ke)能(neng)達(da)到(dao)有(you)限(xian)的(de)增(zeng)益(yi)配(pei)置(zhi)。
在圖4中，輸入電壓被調節，並被饋入到三個比較器的正向結點。比較器的所有反向結點連接到輸出電壓。根據輸入-輸出電壓比，比較器的輸出提供帶有一個3位字的增益控製電路，增益控製電路用於選擇最小的增益G，這樣就可以獲得期望的電壓轉換。然而，在白光LED應用中，選擇正確的增益G不僅僅根據輸入和輸出電壓。
高整合度電荷幫浦雙顯LED驅動器
以NS的LM27965電荷幫浦雙顯LED驅動器為例，D1A-5A或D1B-D3B輸出可以連接在一起以較高的電流來驅動一個或兩個LED。在這樣的配置中，所有的五個並行電流輸出可以驅動一個LED。應該選擇設定用於D1A-5A的LED電流，這樣可以設定每個輸出電流為期望的總LED電流的20%。例如，如果60mA是期望中的單LED驅動電流，應該選擇合適的RSET，這樣透過每個電流吸收端的輸入電流為12mA。可提供的二極管輸出電流、最大的二極管電壓以及電氣參數表中提供的所有其它參數與標準的5-LED應用電路相同。
在較高的輸入電壓條件下，LM27965工作在直通模式(Pass-Mode)，允許輸出電壓跟蹤輸入電壓。隨著輸入電壓不斷降低，Dxx管腳上的電壓也會下降(VDXX = VPOUT VLEDx)。一旦任何已激活的Dxx管腳達到接近175mV的電壓時，電壓幫浦將切換到3/2x的增益。這種切換確保不會因為在LED兩端沒有足夠的電壓餘量而影響到流過LED的電流。第一組和第二組輸出在每個Dxx管腳上利用了片上的LED正向電壓檢測功能以優化電荷幫浦增益，實現最大的效率。由於檢測電路的特性，因此如果在正常操作期間將使用到任何一個LED組，不建議將任何DxA (D1A-D4A)或DxB (D1B-D2B)的管腳懸空。如果將DxA和/或DxB的管腳懸空，將會在整個VIN範圍內迫使電荷幫浦進入3/2x模式。
如果D5A未使用，建議將驅動器管腳接地，並將通用緩存器的EN5A位設置為0以確保正確的增益轉換。使用通用緩存器，D3B驅動器可以在工作中完全地開或關閉。激活二極管監測電路並禁止驅動器。如果D3B沒有使用，建議將驅動器管腳接地，通用緩存器的EN3B位設置為0確保正確的增益轉換。
結論
使shi用yong開kai關guan電dian容rong比bi基ji於yu電dian感gan的de開kai關guan方fang法fa具ju有you某mou些xie優you勢shi，其qi中zhong一yi個ge明ming顯xian的de優you勢shi就jiu是shi消xiao除chu了le電dian感gan以yi及ji相xiang關guan的de電dian磁ci設she計ji問wen題ti。開kai關guan電dian容rong轉zhuan換huan器qi通tong常chang具ju有you相xiang對dui低di的de噪zao音yin和he最zui小xiao的de輻fu射sheEMI。此外，應用電路很簡單，隻需要幾個小電容。因為在沒有電感的情況下，最後的PCB組件高度通常比同等的開關轉換器更小。
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