应用笔记 3243

白光LED升压转换器和电荷泵的比较


摘要 : 在手持产品中,白光LED的供电需要特别的转换器。现有的两种转换方式各有本文以MAX1561和MAX1573为例,讨论了每种转换方式的特点。

目前,便携式产品广泛使用彩色LCD显示器,用白光LED作为背光。为白光LED供电需要特别的转换器,需要提供LED正向导通的高压和恒流驱动,减小电池电压变化时所引起的亮度变化以及不同LED之间的亮度不匹配。为了达到这个目的,有两种主流的转换器:基于电感的升压转换器和基于电容的电荷泵转换器。这两种转换器各具优缺点,需要根据系统的具体要求决定选用哪种架构。

本文以MAX1561升压转换器和MAX1573电荷泵为例,对两种转换架构进行比较。文中评估了每种转换器的优点,所得出的结论有助于系统设计者选择正确的方案。MAX1561和MAX1573几乎是在同一时期、在同一工厂、采用相同工艺设计的,开关频率均为1MHz,适合进行对比。

电路复杂性:电荷泵略占优势

图1给出了两种方案的电路图,两个电路都只有几个简单的外部元件,但升压转换器需要电感和肖特基二极管(有些升压转换器内部集成肖特基二极管,但通常会降低效率)。

图1. MAX1561升压转换器(a)和MAX1573电荷泵(b)是2种LED供电方案。电路复杂度基本相同,但电荷泵不需要电感。
图1. MAX1561升压转换器(a)和MAX1573电荷泵(b)是2种LED供电方案。电路复杂度基本相同,但电荷泵不需要电感。

效率:电荷泵的效率竟略占优势

图2给出了两种方案的效率,效率是在标准的锂电池以C/5的速率放电为LED供电的情况下测量的。18mA/LED的效率曲线代表正常显示亮度情况下的效率,升压转换器和电荷泵的平均效率都是83%;图中2mA/LED的效率曲线代表LED处于亮度比较暗的静止状态时的效率,电荷泵可以获得76%的平均效率,明显好于升压转换器的59%。

图2. MAX1561升压转换器(a)和MAX1573电荷泵(b)在18mA/LED的测试条件下,整个电池工作时间内的平均效率均为83%。当LED比较暗时,2mA/LED,电荷泵效率高于升压转换器。
图2. MAX1561升压转换器(a)和MAX1573电荷泵(b)在18mA/LED的测试条件下,整个电池工作时间内的平均效率均为83%。当LED比较暗时,2mA/LED,电荷泵效率高于升压转换器。

上述结果出乎人们的预料,因为大多数电荷泵的效率达不到这样的效率。MAX1573之所以能够提供业内领先的效率,是因为它包含了1倍压旁路和1.5倍压升压电荷泵模式,并具有自适应切换功能,低压差线性电流调节器能够在电池电压下降的时候尽可能地保持在1倍压模式,从而取得高效率。传统电荷泵方案不具备1倍压模式,只能取得50%至67%的效率。一些竞争产品虽然也包含了1倍压模式,但工作在这种模式的时间较短,所以一般达不到83%的平均效率。

对于升压转换器,MAX1561是业界效率非常高产品。通过某些折中,也可以获得更高的效率,例如:MAX1599,在18mA/LED时,效率是87%;在2mA/LED时,效率是71%。MAX1599和MAX1561非常类似,只是开关频率从1MHz降到500kHz,第开关频率下减少了开关损失。但是,频率的降低使得外部电感的尺寸提高2倍。

物理尺寸:电荷泵占优势

图3给出了两种方案的PCB布局,包括外部元件。升压转换器的引脚数较少,允许采用小尺寸、3mm x 3mm的封装,但电感使得整体尺寸变大,高度也较大。大约1mm高的电感甚至占用比图3还大的电路板空间。虽然电荷泵本身尺寸较大,4mm x 4mm,但它只需要较小的1µF陶瓷电容。图3(b)所示0603封装的电容,至少有3家厂商可以提供图3(c)所示0402电容。在对尺寸要求特别苛刻的情况下,也可以选择2mm x 2mm封装的MAX1573,整个电荷泵方案的尺寸仅为11mm²。

图3. 因为要使用电感,升压转换器(a)比电荷泵<b)占用更大的电路板空间和高度。如果使用晶片级封装的MAX1573和0402封装的1µF电容,整个电荷泵方案(c)的尺寸就会非常小。
图3. 因为要使用电感,升压转换器(a)比电荷泵(b)占用更大的电路板空间和高度。如果使用晶片级封装的MAX1573和0402封装的1µF电容,整个电荷泵方案(c)的尺寸就会非常小。

系统灵活性:升压转换器占优势

升压转换器的一个重要的优点是支持串联LED,电荷泵只能驱动并联LED。从图4(a)可以看出,串联配置的LED,在升压转换器和LED之间只需2条连线。如果升压转换器或电荷泵放置在系统板,而LED模块放置在显示板,这个优势将非常重要。这种情况下,升压转换器只需极少的接点。除此之外,升压转换器可以支持更多的LED模块,每个显示模块可以串联不同数量的LED。而且,在实际应用中可能不需要改变升压转换电路既可更换显示模块;也可以在不改变显示模块的条件下更改升压转换器。由此可见,串联LED架构大大降低了设计风险。

为了提高电荷泵的效率,在电池直接驱动模式下,每个LED需要一个单独的电流调节器,如图4(b)所示。如果改变LED数量,LED连线也必须改变。而且,为了关闭不使用的电流源,有时也不得不改变电路(例如,将MAX1573不使用的电流调节器接IN)。有些竞争方案会在这种情况下产生很多问题:不使用的电流调节器需要通过不同方式关闭(例如,接OUT或浮空);更糟糕的是,新设计的电荷泵可能采用共阴极LED,而非共阳极配置,这种情况下要求显示模块的改动更多。

图4. 升压转换器(a)与LED只有两条连线;电荷泵(b)需要更多的连线。因此,使用升压转换器更灵活,可以在不改变升压电路的情况下改变LED配置,或在不影响LED配置的情况下改变升压转换器。使用电荷泵时,LED必须与IC配套。
图4. 升压转换器(a)与LED只有两条连线;电荷泵(b)需要更多的连线。因此,使用升压转换器更灵活,可以在不改变升压电路的情况下改变LED配置,或在不影响LED配置的情况下改变升压转换器。使用电荷泵时,LED必须与IC配套。

纹波和噪声:电荷泵占优势

因为电荷泵和升压转换器都是开关转换器,它们会在输入、输出端产生电压和电流纹波,在电感和开关节点产生EMI。有时,这些纹波和噪声会耦合到系统电路,如手机的RF接收器,影响性能。

输入纹波显然很重要,因为电池输入在系统中对很多电路是公用的。图5所示,在相同开关频率、驱动同样负载时,如果使用同样的输入电容,电荷泵和升压转换器产生的输入纹波在同一量级。应当注意,MAX1573输入端只需使用一个1µF的陶瓷电容,为了和MAX1561进行比较,我们将这个电容增大到2.2µF。把输入电容提高到4.7µF或10µF可以进一步减小输入纹波,但在一定程度上提高了成本,增大了物理尺寸。

图5. 如果开关频率为1MHz,驱动同样数量的LED,采用相同的输入电容,那么电荷泵(b)和升压转换器(a)的输入纹波基本相同。然而,由于电荷泵与LED之间有较多引线,建议使用更短的连线(天线),另外,泵电容产生的EMI低于升压转换器的电感。
图5. 如果开关频率为1MHz,驱动同样数量的LED,采用相同的输入电容,那么电荷泵(b)和升压转换器(a)的输入纹波基本相同。然而,由于电荷泵与LED之间有较多引线,建议使用更短的连线(天线),另外,泵电容产生的EMI低于升压转换器的电感。

输出纹波也是一个问题,尤其是输出线较长时,可能产生天线效应或将噪声耦合到相邻电路。为了解决这个问题,可能更倾向于选择升压转换器,但也仅仅是因为它需要的输出引线较少,可以放置在距离LED较远的位置。电荷泵因为有大量的输出连线,要求IC与LED尽可能靠近。

升压转换器是把能量储存在电感的电磁场中,会比电荷泵电容产生更强的EMI。所以,建议使用屏蔽电感或对系统屏蔽。另外,升压转换器在电感和肖特基二极管的连接处有快速的高压波动,可以在开关节点处加一个小电容来减缓开关信号产生的EMI辐射,但这样做会牺牲效率。

其它特点:根据需要而定

下列问题不是升压转换器或电荷泵本身的特性,但在选择任何具体的背光IC时,这些特性非常重要。

MAX1561和MAX1573都包含输出过压保护。这个特点可以防止IC在二极管(或任何输出)开路时损坏IC。如果没有这个功能,需要在外部加一个齐纳二极管。

亮度控制在LED不工作的情况下降低LED的电流(显示亮度),以延长电池使用时间。用户也可以根据个人爱好调节显示器的亮度。亮度调节的方式有许多种,包括模拟DAC、逻辑输入、开/关PWM控制、PWM滤波、单总线脉冲接口和SPI™或I²C串口。MAX1561和MAX1573使用了多种亮度控制方法。

MAX1561用一个CTRL输入控制亮度,这个信号可以是简单的开/关逻辑电平或DAC输出的模拟信号,也可以是频率在200Hz到200kHz的PWM信号。因为MAX1561内部集成了一个反馈环路,PWM信号经过内部滤波转换成直流LED电流,与传统的开/关PWM亮度控制相比具有更低的输入/输出纹波和噪声。

MAX1573用2个逻辑输入:EN1和EN2,用于控制LED关闭和10%、30%、100%的电流等级。另外,当EN2驱动至高电平时,可以在EN1上加一个200Hz到20kHz的信号调节LED电流,利用PWM信号在10%至100%范围内调节电流。另外,MAX1573的外部电阻Rset用来设置100%的电流最大值,因此,利用不同的电阻或在SET引脚施加一个模拟或逻辑信号同样可以控制亮度。

软启动用来抑制启动时的浪涌电流,使电池电压的跌落最小,以免对系统的其它电路造成影响。如图6所示,MAX1561和MAX1573都包括软启动电路。合理的软启动机制可以防止任何输入过冲电流,有些软启动电路只能防止过冲电流不超过一定的限制。

图6. MAX1561升压转换器(a)和MAX1573电荷泵(b)的软启动和关断波形都表明没有输入过冲电流(IIN使电池跌落最小,以免对系统的其它电路造成影响。
图6. MAX1561升压转换器(a)和MAX1573电荷泵(b)的软启动和关断波形都表明没有输入过冲电流(IIN),使电池跌落最小,以免对系统的其它电路造成影响。

快速、固定开关频率允许使用小尺寸的外部元件,保持较低的输入/输出纹波。但是,如果开关频率过高,开关损耗会上升,效率将会降低。按照当前的半导体工艺,最佳工作频率范围为600kHz至1.5MHz。一些背光驱动IC采用不同频率的PFM架构或栅极振荡器控制机制,可能会产生较大的输入、输出纹波,纹波存在大量的谐波分量,可能干扰其它电路的正常工作。如果使用PFM架构,建议在使用之前进行认真评估。

较高的电流精度和匹配度,会使显示器亮度和电源损耗达到最佳状态,使不同LED之间的亮度差异最小。设计人员可能非常关注这个问题,但并非想象的那样严格。即使电流精度达到了极致,LED本身也会存在±20%的亮度偏差。而且,人眼对于40%的整体亮度误差和LED之间±30%偏差并不敏感。

老式的稳压型电荷泵中使用了很大的电阻,所能达到的精度和匹配度均无法接受。新的电荷泵中集成了多个电流调节器,为每个LED提供有源控制。即便这样,在小电流情况下保持良好的匹配度仍然是一些IC设计所面临的挑战。升压转换器由于采用了串联LED架构,从根本上能够在任意电流下保持优异的匹配度,但升压IC还需在整个亮度范围内保证合理的精度。

电荷泵在1倍压模式和1.5倍压模式下切换时,模式切换滞回功能可以防止LED闪烁。一种较好的自适应模式转换机制是对电流调节器进行监测,在电压刚好跌落到最低门限之前切换工作模式,以便在尽可能地的电池电压下保持高效的1倍压模式。对每路电流调节器进行监测非常关键,否则,有些LED可能会在模式转变之前发生闪烁,使得1.5倍压模式开启时出现明显的LED亮度越变。一旦工作在1.5倍压模式,滞回功能可以避免模式之间的反复切换,产生较大的输入/输出纹波和明显的LED闪烁。如果滞回电压设置过大,则在发生极小的电池电压跌落时都会把电荷泵置于低效的1.5倍压模式,而在电池电压恢复正常时仍然阻止电荷泵返回到1倍压模式。因此,需要对滞回进行优化设置,比如,MAX1573不仅监测每个电流调节器,还采用了专利技术,主动修改滞回门限,使效率达到最佳,并避免了闪烁(当然,升压转换器,如MAX1561,并不需要模式转换)。

结论:升压转换器得1分,电荷泵得4分

上述比较表明电荷泵具有更大优势,当然,要根据具体情况和每个驱动IC的特点选择驱动方式。到目前为止,大多数升压转换器可以提供更高效率,应用更普遍。不过,既然新一代1倍压/1.5倍压电荷泵弥补了这个差距,电荷泵方案会在大多数新设计中受到青睐。
下一步
EE-Mail 订阅EE-Mail,接收关于您感兴趣的新文档的自动通知。
© , Maxim Integrated Products, Inc.
The content on this webpage is protected by copyright laws of the United States and of foreign countries. For requests to copy this content, contact us.
APP 3243:
应用笔记 3243,AN3243, AN 3243, APP3243, Appnote3243, Appnote 3243