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如何让负电荷泵为WLED背光提供与电感方案相当的高效率 .pdf

如何让负电荷泵为WLED背光提供与电感方案相当的高效率 .pdf

上传者: qmd01 2011-06-21 评分 5 0 145 20 661 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《如何让负电荷泵为WLED背光提供与电感方案相当的高效率 pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含如何让负电荷泵为WLED背光提供与电感方案相当的高效率美信公司供稿摘要:设计人员通常采用电荷泵或基于电感的boost电路提供白光LED(WLED)的符等。

如何让负电荷泵为WLED背光提供与电感方案相当的高效率美信公司供稿摘要:设计人员通常采用电荷泵或基于电感的boost电路提供白光LED(WLED)的正向导通偏置电压。电荷泵价格较低且使用方便但截至目前这种架构所能提供的效率低于基于电感的boost电路。本应用笔记介绍的负电荷泵方案能够达到基于电感的设计方案的效率并且由于省去了电感可大大简化系统设计并降低成本。概述概述概述概述白光LED(WLED)具有小外形和高亮度输出是手机和其它便携设备小尺寸彩色显示屏的理想背光解决方案。然而WLED用于单节锂离子(Li)电池供电的设备往往会遇到一个问题。多数Li电池的工作电压为V至V而WLED的正向电压通常为V至V(电流为mA时)。因此Li电池工作电压范围的低电压侧无法满足WLED偏置电压的要求。通常采用以下两种方式来产生足够的WLED正向偏置电压:电容式电荷泵和基于电感升压电路。从效率和电池寿命上考虑基于电感的电路通常是最佳选择。然而此类电路需要额外增加昂贵的电感必须进行仔细的布局和设计以避免电磁和射频干扰。相比之下电荷泵方案易于实现且成本低廉但是它们往往效率较低因此相应缩短了电池工作时间。负电荷泵技术提供低成本负电荷泵技术提供低成本负电荷泵技术提供低成本负电荷泵技术提供低成本、、、、高效解决方案高效解决方案高效解决方案高效解决方案Maxim的负电荷泵架构具有自适应切换功能能够达到电感架构的效率(平均效率为)并保留了无电感设计所具备的简单、低成本等优势。这一创新架构采用自适应切换模式为每个LED提供独立的供电、调光以及电流调节使LED驱动效率提高在便携产品中能够有效延长电池使用寿命、节省PCB空间。由于能够达到与电感设计同等的转换效率大大提升了系统的能源利用率。分数型电荷泵的效率提升分数型电荷泵的效率提升分数型电荷泵的效率提升分数型电荷泵的效率提升第一代WLED电荷泵方案内核采用基本的倍压拓扑结构(或倍压模式)。倍压电荷泵的效率为:PLEDPIN=VLEDILED(VINILEDIQVIN)其中IQ为电路的静态工作电流。由于和WLED负载电流相比IQ往往很小因此效率可近似估计为:PLEDPINVLEDVIN为了提高效率第二代WLED电荷泵的输出并不始终为输入的整数倍。如果电池电压不够时将采用倍压电荷泵产生足够高的WLED驱动电压。倍压电荷泵的转换效率为:PLEDPIN=VLEDILED(VINILEDIQVIN)VLEDVIN可以看出倍压电荷泵大大提高了效率。对于V电池电压和V的WLED效率从倍压电荷泵的跃升至倍压电荷泵的%。第三代WLED驱动器增加了倍压模式。该模式下当电池电压较高时通过低压差电流调节器直接连接电池至LED。倍压模式的效率为:PLEDPIN=VLEDILED(VINILEDIQVIN)VLEDVIN当电池电压高到足以直接驱动WLED时倍压模式下的效率可超过。例如当电池电压为VWLED电压为V时效率为。提高任意电池电压下的效率提高任意电池电压下的效率提高任意电池电压下的效率提高任意电池电压下的效率最佳的WLED驱动器设计可针对给定电池电压和LED电压提供最有效的功率传输模式。随着电池(或WLED)电压的变化设计方案也会相应改变模式。但是电池电压较高时开关损耗将会降低效率而这些损耗往往是不必要的。当电池电压下降时应该使驱动器尽可能长时间的处于高效率模式。不过这就要求尽可能降低电源开关的损耗相应的占用更多的空间成本也随之升高。正如上面所描述的倍压传输模式的效率最高但该模式仅适用于电池电压高于WLED正向电压(VF)的情况。在电池电压尽可能低的应用场合采用倍压模式的关键往往在于:降低倍压模式旁路FET和电流调节器的压降。这些压降往往决定了串联损耗以及维持倍压模式所需的最低输入电压。倍压模式要求的最低电池电压等于:VIN(MINX)=VLED旁路pFET的RDS(ON)(ILED电流调节器的VDROPOUT)传统正电荷泵WLED方案采用了pFET旁路开关将电池电压连接至WLED如图图图图所示。该FET的RDS(ON)通常为Ω至Ω。电阻的进一步降低往往是有限因为电阻降低往往需要较大的FET从而增加了功率器件的成本。图在倍压模式下正电荷泵采用内部开关将VIN旁路至WLED阳极。当VIN不能满足倍压传输模式的要求时正电荷泵产生xVIN或xVIN来驱动WLED阳极。在正电荷泵架构下实现倍压模式时必须用一个额外的内部开关将VIN直接连至WLED阳极从而旁路电荷泵。当VIN无法驱动WLED时负电荷泵结构也可以产生xVIN来驱动WLED阴极。然而倍压模式下这种结构并不需要将xVIN电荷泵输出旁路至地这是因为电流调节器控制WLED电流使之直接从VIN流向地。因此负电荷泵结构可扩展倍压模式VIN最低可为:VIN(MINX)=VLED电流调节器的VDROPOUT图图图图为倍压模式负电荷泵电流路径。该电路不需要pMOS旁路开关它直接调节VIN至地之间的WLED电流。如果总ILED为mA(即个WLEDmA)则在Ω的pMOS旁路开关的压降将为mV。放电时锂离子电池电压将稳定在V至V(典型值)之间。按照典型锂离子电池放电曲线倍压模式下工作电压提高mV效率将明显提高。图当驱动器切换到负电荷泵模式时每个WLED可单独切换提高了总体效率。提高任意提高任意提高任意提高任意LED正向电压时的效率正向电压时的效率正向电压时的效率正向电压时的效率对于传统倍压倍压正电荷泵WLED驱动器WLED阳极接电荷泵输出。如果WLED不匹配当电压裕量(VINVLED)不能够满足最坏情况下的WLED正向电压时驱动器必须切换到倍压模式。对于负电荷泵结构无需因为只有一个WLED的正向电压不满足要求就放弃高效的倍压模式如图所示模式复用电路为每个WLED单独选择倍压模式或倍压模式从而最大程度提高整体效率。例如当输入电压不够高不能满足WLED最高正向电压的要求时MAXMAX电荷泵驱动器打开倍压电荷泵。在这种情况下器件只通过倍压负电源(而不是地)驱动VF最高的WLED而其他正向电压较低的WLED仍处于倍压模式。为了进一步提高效率MAXMAX为各个WLED提供独立模式转换。该技术可以在不同时间以及不同的VIN条件下根据VF失配或温度变化自适应切换WLED至倍压模式(图图图图)。图MAXMAX电荷泵WLED驱动器切换到负电荷泵模式时每个WLED可单独进行模式切换提高了效率。总结总结总结总结传统方案中采用电荷泵的WLED背光设计往往比基于电感设计方案的效率低。当任意一路WLED的电流低于预定水平时正电荷泵结构将切换模式不再工作在效率最高的倍压模式。因此当系统采用大量WLED并且具有较高正向电压失配时将浪费大量功率。负电荷泵结构克服了正电荷泵设计通常具有的效率低下的缺点。诸如MAXMAX的器件采用了负电荷泵结构同时可对每个LED单独切换模式可显著提高效率并延长电池工作时间。这些WLED驱动器为设计人员提供电感电路一样的效率同时仍保持电荷泵方案所具有的简单和低成本的特点。

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