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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1 评论0 下载7 收藏10 阅读量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》,可适用于电子通讯领域,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 3V至 4.2V,而WLED的正向电压通常为 3.5V至 3.8V (电 流为 20mA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 85%),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 12%,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 2倍压模式)。2倍压电荷泵的 效率为: PLED/PIN = VLED ILED/[(2 VIN ILED + IQ VIN)] 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: PLED/PIN VLED/2VIN 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 1.5倍压电荷泵产生足够高的WLED驱动电压。1.5倍压电荷泵的转换效率为: PLED/PIN = VLED ILED/(1.5 VIN ILED + IQ VIN) VLED/1.5VIN 可以看出,1.5倍压电荷泵大大提高了效率。对于 3.6V电池电压和 3.7V的WLED,效率 从 2倍压电荷泵的 51%跃升至 1.5倍压电荷泵的 69%。 第三代WLED驱动器增加了 1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。1倍压模式的效率为: PLED/PIN = VLED ILED/(VIN ILED + IQ VIN) VLED/VIN 当电池电压高到足以直接驱动WLED时,1倍压模式下的效率可超过 90%。例如当电池电 压为 4V,WLED电压为 3.7V时,效率为 92%。 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,1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 1倍压模式的关键往往在于: 降低 1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 1 倍压模式所需的最低输入电压。1倍压模式要求的最低电池电压等于: VIN(MIN_1X) = 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 1所示。 该 FET的 RDS(ON)通常为 1Ω至 2Ω。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 1. 在 1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 1倍压传输模式的要求时,正电荷泵产生 1.5x VIN或 2x VIN来驱动WLED 阳极。在正电荷泵架构下实现 1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-0.5x VIN来驱动WLED阴极。然而, 1倍压模式下这种结构并不需要将-0.5x VIN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 1倍压模式,VIN最低 可为: VIN(MIN_1X) = VLED + 电流调节器的 VDROPOUT 图图图图 2为 1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 100mA (即,5个WLED 20mA),则在 2Ω的 pMOS旁路开关的压降将为 200mV。放电时,锂离子电池电压将稳定在 3.6V至 3.8V (典 型值)之间。按照典型锂离子电池放电曲线,1倍压模式下工作电压提高 200mV,效率将 明显提高。 图 2. 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 1倍压/1.5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(VIN - VLED)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 1.5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 1倍压 模式,如图 2所示,模式复用电路为每个WLED单独选择 1倍压模式或-0.5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,MAX8647/MAX8648 电荷泵驱动器打开-0.5倍压电荷泵。在这种情况下,器件只通过-0.5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 1倍压模式。 为了进一步提高效率,MAX8647/MAX8648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-0.5 倍压模式(图图图图 3)。 图 3. MAX8647/MAX8648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 1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 MAX8647/MAX8648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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