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。