摘要
隨著彩色顯示屏在便攜市場（如手機、PDA以及超小型PC）中的廣泛采用，對于一個單色LCD照明而言，就需要一個白色背光或側光。與常用的CCFL（冷陰極熒光燈）背光相比，由于LED需要更低的功耗和更小的空間，所以其看起來是背光應用不錯的選擇。白光LED的典型正向電壓介于3V～5V之間。由于為白光LED供電的最佳選擇是選用一個恒流電源，且鋰離子電池的輸入電壓范圍低于或等于LED正向電壓，因此就需要一款新型電源解決方案。
主要的電源要求包括高效率、小型的解決方案尺寸以及調節LED亮度的可能性。對于具有無線功能的便攜式系統而言，可接受的EMI性能成為我們關注的另一個焦點。當高效率為我們選擇電源最為關心的標準時，升壓轉換器就是一款頗具吸引力的解決方案，而其他常見的解決方案是采用充電泵轉換器。在本文中，我們分別對用于驅動白光LED的兩款解決方案作了討論，并探討了他們與主要電源要求的關系。另外一個很重要的設計考慮因素是調節LED亮度的控制方法，其亮度不但會影響整個轉換器的效率，而且還有可能會出現白光LED的色度變換。下面將介紹一款使用一個PWM信號來控制其亮度的簡單的解決方案。與其他標準解決方案相比，該解決方案的另外一個優勢就是其更高的效率。
任務
一旦為白光LED選定了電源以后，對于一個便攜式系統來說，其主要的要求就是效率、整體解決方案尺寸、解決方案成本以及最后一項但非常重要的EMI（電磁干擾）性能。根據便攜式系統的不同，對這些要求的強調程度也不盡相同。效率通常是關鍵的設計參數中最重要或次重要的考慮因素，因此在選擇電源時，要認真考慮這一因素。圖1示顯示了白光LED電源的基本電路。
該鋰離子電池具有一個介于2.7V～4.2V的電壓范圍。該電源的主要任務是為白光LED提供一個恒定的電流和一個典型的3.5V正向電壓。
與充電泵解決方案相比，升壓轉換器可實現更高的效率
一般來說，用于驅動白光LED的電源拓撲結構有兩種：即充電泵或開關電容解決方案和升壓轉換器。這兩款解決方案均可提供較高的輸出和輸入電壓。二者主要的不同之處在于轉換增益M=Vout/Vin，該增益將直接影響效率；而通常來說，充電泵解決方案的轉換增益是固定不變的。一款固定轉換增益為2的簡單充電泵解決方案通常會產生比LED正向電壓高很多的電壓，如方程式(1)所示。其將帶來僅為47%的效率，如方程式(2)所示。
式中Vchrgpump為充電泵IC內部產生的電壓，VBat為鋰離子電池的典型電池電壓。充電泵需要提供一個恒定的電流以及相當于LED3.5V典型正向電壓的輸出電壓。通常，固定轉換增益為2的充電泵會在內部產生一個更高的電壓(1)，該電壓將會導致一個降低整體系統效率的內部壓降(2)。更為高級的充電泵解決方案通過在1.5和1轉換增益之間進行轉換克服了這一缺點。這樣就可以在電池電壓稍微高于LED電壓時實現在90%～95%效率級別之間運行，從而充許使用增益值為1的轉換增益。方程式(3)和方程式(4)顯示了這一性能改進。
當電池電壓進一步降低時，充電泵需要轉換到1.5增益，從而導致效率下降至60%～70%，如示例(5)和(6)所示。
圖2顯示了充電泵解決方案在不同轉換增益M條件下理論與實際效率曲線圖。
轉換增益為2的真正的倍壓充電泵具有非常低的效率（低至40%），且對便攜式設備沒有太大的吸引力；而具有組合轉換增益（增益為1.0和1.5）的充電泵則顯示出了更好的效果。這樣一款充電泵接下來的問題就是從增益M=1.0向M=1.5的轉換點轉換，這是因為發生增益轉換后效率將下降至60%的范圍。當電池可在大部分時間內正常運行的地方發生效率下降（轉換）時，整體效率會降低。因此，在接近3.5V的低電池電壓處發生轉換時就可以實現高效率。但是，該轉換點取決于LED正向電壓、LED電流、充電泵I2R損耗以及電流感應電路所需的壓降。這些參數將把轉換點移至更高的電池電壓。因此，在具體的系統中必須要對這樣一款充電泵進行精心評估，以實現高效率數值。
計算得出的效率數值顯示了充電泵解決方案最佳的理論值。在現實生活中，根據電流控制方法的不同會發生更多的損耗，其對效率有非常大的影響。除了I2R損耗以外，該器件中的開關損耗和靜態損耗也將進一步降低該充電泵解決方案的效率。
通過使用一款感應升壓轉換器可以克服這些不足之處，該升壓轉換器具有一個可變轉換增益M，如方程式(7)和圖3所示。
該升壓轉換器占空比D可在0%和實際的85%左右之間發生變化，如圖3所示。
可變轉換增益可實現一個剛好與LED正向電壓相匹配的電壓，從而避免了內部壓降，并實現了高達85%的效率。
可驅動4白光LED的標準升壓轉換器
圖4中的升壓轉換器被配置為一個可驅動4白光LED的電流源。該器件將檢測電阻器Rs兩端的電壓調節至1.233V，從而得到一個定義的LED電流。
本結構中使用的升壓轉換器在1.233V電流檢測電阻器兩端將有一個壓降，而檢測電阻器的功耗會降低該解決方案的效率。因此，必須降低檢測和調節該LED電流的壓降。除此之外，對于許多應用來說，調節LED電流和LED亮度的可能性也是必須的。圖5中的電路實現了這兩個要求。
在圖5中，一個可選齊納二極管被添加到了電路中，用鉗位控制輸出電壓，以防止一個LED斷開連接或出現高阻抗。一個具有3.3V振幅的PWM信號被施加到該轉換器的反饋電路上，同時使用了一個低通濾波器Rf和Cf，以過濾PWM信號的DC部分并在R2處建立一個模擬電壓(Vadj)。通過改變所施加PWM信號的占空比，使該模擬電壓上升或下降，從而調節該轉換器的反饋電壓，此舉會增加或降低轉換器的LED電流。通過在R2處施加一個高于轉換器反饋電壓(1.233V)的模擬電壓，可以在檢測電阻器兩端實現一個更低的感應電壓。對于一個20mALED電流而言，感應電壓從1.233V下降到了0.98V（對于10mALED電流而言，甚至會降至0.49V）。
當使用一個具有3.3V振幅的PWM信號時，必須要將控制LED亮度的占空比范圍從50%調整到100%，以得到一個通常會高于1.233V反饋電壓的模擬電壓。在50%占空比時，模擬電壓將為1.65V，從而產生一個20mA、0.98V的感應電壓。將占空比范圍限制在70%～100%之間會進一步降低感應電壓。由此得出的效率曲線如圖6所示。
效率還取決于所選電感。在此應用中，一個尺寸為1210的小型電感可以實現高達83%的效率，從而使總體解決方案尺寸可與一個需要兩個尺寸為0603的飛跨電容充電泵解決方案相媲美。
圖7顯示了LED電流作為控制LED亮度的PWM占空比的一個線性函數。
上述解決方案顯示了用于驅動白光LED的標準升壓轉換器的結構以及通過限制PWM占空比范圍并選擇一個不同的電流控制反饋網絡來提高效率的可能性。按照邏輯思維，我們接下來將討論一款集成了所有這些特性的解決方案。
專用LED驅動器減少了外部組件數量
圖8顯示了一款集成了前面所述特性的器件。直接在CTRL引腳上施加一個PWM信號就可以對LED電流進行控制。
電流感應電壓被降至250mV，且過壓保護功能被集成到一個采用小型3mm×3mmQFN封裝的器件中。其效率曲線如圖9和圖10所示。
圖10顯示整個鋰離子電池電壓范圍（2.7V～4.2V）內均可以實現80%以上的效率。在此應用中，使用了一個高度僅為1.2mm的電感(Sumida CMD4D11-4R7，3.5mm*5.3mm*1.2mm)。
從圖10中的效率曲線可以看出：在大多數應用中，升壓轉換器可以實現比充電泵解決方案更高的效率。但是，在無線應用中使用升壓轉換器或充電泵時還需要考慮EMI問題。
對EMI加以控制
由于這兩款解決方案均為運行在高達1MHz轉換頻率上的開關轉換器，且可以快速的上升和下降，因此無論使用哪一種解決方案（充電泵還是升壓轉換器）都必須要特別謹慎。如果使用的是充電泵解決方案，則不需要使用電感，因此也就不存在磁場會引起EMI的問題了。但是，充電泵解決方案的飛跨電容通過在高頻率時開啟和關閉開關來持續地充電和放電。這將引起電流峰值和極快的上升，并對其他電路發生干擾。因此飛跨電容應該盡可能地靠近IC連接，且線跡要非常短以最小化EMI放射。必須使用一個低ESR輸入電容以最小化高電流峰值（尤其是出現在輸入端的電流峰值）。
如果使用的是一款升壓轉換器，則屏蔽電感器將擁有一個更為有限的磁場，從而實現更好的EMI性能。應對轉換器的轉換頻率加以選擇以最小化所有對該系統無線部分產生的干擾。PCB布局將對EMI產生重大影響，尤其要將承載開關或AC電流的線跡保持盡可能小以最小化EMI放射，如圖11所示。
粗線跡應先完成布線，且必須使用一個星形接地或接地層以最小化噪聲。輸入和輸出電容應為低ESR陶瓷電容以最小化輸入和輸出電壓紋波。
結論
在大多數應用中，與充電泵相比，升壓轉換器顯示出了更高的效率。使用一個升壓轉換器（其電感大小與1210外殼尺寸一樣）降低了充電泵在總體解決方案尺寸方面的優勢。至少需要根據總體解決方案的尺寸對效率進行評估。在EMI性能方面，對升壓轉換器的設計還需要考慮更多因素和對更多相關知識的了解。
總之，對于許多系統而言，尤其在器件擁有一個從1.0到1.5的靈活轉換增益的時候，充電泵解決方案將是一個不錯的解決方案。在稍微高于LED正向電壓處發生從1.0到1.5的轉換增益時，這樣一款解決方案將實現絕佳的效率。在為每個應用選擇升壓轉換器或充電泵解決方案時，需要充分考慮便攜式系統的關鍵要求。如果效率是關鍵的要求，則升壓轉換器將為更適宜的解決方案。