利用電荷泵實現(xiàn)背光源的設(shè)計方法分析

至1996年日亞化學(xué)發(fā)表藍光LED之后，白光LED就被視為下一代照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ钠骷?。目前白光LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用在公共場所步道燈、汽車照明、交通號志、便攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率，一般認(rèn)為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，而電荷泵是利用電容達到升降壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適用于手持式系統(tǒng)中小尺寸面板的背光源。

電荷泵將能量儲存在電容上然后轉(zhuǎn)移到輸出，而不需利用電感儲能方式，故在PCB布局時占有面積、高度及成本上的優(yōu)勢，此種不用電感的低功率輔助電源設(shè)計在目前電子產(chǎn)品強調(diào)輕薄短小上是較佳選擇。

常見電荷泵

依電荷泵的輸出電壓不同可分為2倍壓、1.5倍壓及負(fù)電壓架構(gòu)。主要工作模式如下：

1.2倍壓架構(gòu)

2倍壓架構(gòu)顧名思義也就是在輸出端VOUT電壓為兩倍VIN電壓，其所需要的器件為開關(guān)(Q1~Q4)與電容(CIN、COUT、CPUMP)，而電路動作可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段(TransferPhase)。

充電階段：Q1和Q4閉合，Q2和Q3打開，此時輸入電壓(VIN)對CPUMP充電，如此在CPUMP兩端的電壓為VIN。

轉(zhuǎn)移階段Q1和Q4打開，Q2和Q3閉合，此時輸入電壓(VIN)與CPUMP串聯(lián)對COUT充電，如此在COUT端輸出電壓即為兩倍輸入電壓。

使用這種方法可以實現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的兩倍。開關(guān)信號的占空比通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。

2.1.5倍壓架構(gòu)

1.5倍壓架構(gòu)也就是在輸出端VOUT電壓為1.5倍VIN電壓，其所需要的器件為開關(guān)(Q1~Q7)與電容(CIN、COUT、CPUMP1、CPUMP2)，而電路動作同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。

充電階段：Q1、Q4和Q7閉合，Q2、Q3、Q5和Q6打開，此時輸入電壓(VIN)對CPUMP1和CPUMP2充電，如此在電容兩端電壓分別為1/2VIN。

轉(zhuǎn)移階段：Q1、Q4和7打開，Q2、Q3、Q5和Q6閉合，此時CPUMP1與CPUMP2為并聯(lián)再與輸入電壓(VIN)串聯(lián)對COUT充電，如此在COUT端輸出電壓即為1.5倍輸入電壓。

使用7個切換開關(guān)可以實現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的1.5倍。開關(guān)信號的占空比通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。

3．負(fù)壓架構(gòu)

負(fù)壓架構(gòu)也就是在輸出端VOUT電壓為負(fù)VIN電壓，其所需器件為開關(guān)(Q1~Q4)與電容(CIN、COUT、CPUMP1)，而電路動作同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。

充電階段：Q1和Q2閉合，Q3和Q4打開，此時輸入電壓(VIN)對CPUMP充電，如此在電容兩端電壓為VIN。

轉(zhuǎn)移階段：Q1和Q2打開，Q3和Q4閉合，此時CPUMP對COUT充電，如此在COUT端輸出電壓即為負(fù)的輸入電壓，而輸入端對輸出端而言即可獲得兩倍電壓差。

使用這種方法可以實現(xiàn)輸出電壓為負(fù)的輸入電壓。開關(guān)信號的占空比通常為50％。

電荷泵等效電路分析

接下來我們深入探討電荷泵的等效電路，并分析電容與工作頻率對電荷泵的影響。以兩倍壓架構(gòu)為例，電路結(jié)構(gòu)參考圖1。而其工作時可分為如圖2所示的電路：

圖1：電荷泵2倍壓架構(gòu)。

圖2：電荷泵工作時的等效電路。

圖3：電荷泵1.5倍壓架構(gòu)。

其穩(wěn)態(tài)架構(gòu)電路推導(dǎo)如下，

穩(wěn)態(tài)：

(D為占空比=0.5；VPUMP-ON為打開時電容C1上的電壓；VPUMP-OFF為關(guān)斷時電容C1上的電壓；f為開關(guān)頻率)將以上公式化簡帶入，即可獲得下列等效公式

由以上等效電路與公式，可獲得幾個重要結(jié)論：

f(開關(guān)頻率)增快可以獲得較大的驅(qū)動能力與較好的效率；

C1電容選擇容值較大且ESR較小者，可以獲得較大的驅(qū)動能力與較好的效率；

電荷泵的優(yōu)劣與其開關(guān)(Q1~Q4)的RDS-ON值大小直接相關(guān)，值越小電荷泵工作特性越佳

而電荷泵1.5倍壓架構(gòu)的等效電路亦可由相同的推導(dǎo)獲得。

電荷泵的工作特性受f(開關(guān)頻率)、電容C1與ICRDS-ON影響，可是并非一味追求極限才是好，f(開關(guān)頻率)過大會影響EMI，電容C1會影響PCB布局面積，RDS-ON要小則IC成本會較貴，因此在眾多考慮下如何取得平衡也是一種技術(shù)。

電荷泵驅(qū)動LED方案

白光LED需要大于LED正向偏壓的電壓驅(qū)動導(dǎo)通，所以利用電荷泵提高電壓驅(qū)動LED，如需要較高的質(zhì)量則會多加用一個恒定直流電流源以保持恒定的亮度。

電荷泵可單獨使用在中小尺寸面板背光源。一般電荷泵使用在中小尺寸背光源時還會與電流源配合使用，因電荷泵提供白光LED足夠的電壓而電流源提供一個恒定直流電流源驅(qū)動白光LED，以保持恒定的亮度，且電流源每一通道間電流差異不可超出15%，超出15%人類眼睛即會分別出LED間亮度不均現(xiàn)象，除此的外電流源還有偵測電壓使電荷泵自動切換不同升壓模式與配合面板大小減少驅(qū)動LED數(shù)目的功能。

電荷泵自動切換不同升壓模式，也就是當(dāng)輸入電壓足夠維持LEDVF加上電流源工作電壓時，電荷泵將不動作。隨著輸入電壓下降，LED電流保持不變則LEDVF不變，而輸入電壓降低會壓縮到電流源工作電壓，當(dāng)?shù)竭_電流源最低工作電壓時，電荷泵即開始動作將輸出電壓提高以維持足夠的電壓提供LED與電流源。電流源可配合客戶使用的面板大小來使用適當(dāng)數(shù)量的LED，不會因LED數(shù)目的不同需要更換不同IC。

LED的調(diào)光方式

為配合使用者的習(xí)慣與使用環(huán)境亮度，調(diào)整LED亮度成為重要的應(yīng)用，LED的亮度與LED電流成正比，當(dāng)欲獲得較強的亮度時則必須提供較大的LED電流，反之亦然。一般常見調(diào)光方式可分為PWM方式與數(shù)字式：