解析可變模式分?jǐn)?shù)電荷泵實(shí)現(xiàn)低功耗手機(jī)LCD背光驅(qū)動(dòng)方案

LED(Light Emitting Diode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料決定的。

LCD背光驅(qū)動(dòng)方案有直接連接電池、電荷泵驅(qū)動(dòng)器電路和DC/DC升壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器三種，然而三種方案在效率、成本、PCB占位面積等方面各自存在不同的缺點(diǎn)。本文介紹的可變模式分?jǐn)?shù)電荷泵結(jié)合了這些方案的優(yōu)點(diǎn)，使用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的電流匹配概念，具有最小器件數(shù)量和低噪聲性能以及高效率。

LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，其發(fā)光效率可超過(guò)150lm/W(2010)。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W，壽命小于2000小時(shí)，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/W，壽命小于8000小時(shí)，T5熒光燈則為96lm/W，壽命大約為10000小時(shí)，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過(guò)150lm/W，壽命可大于100000小時(shí)。有人還預(yù)測(cè)，未來(lái)的LED壽命上限將無(wú)窮大。

LED應(yīng)用于路燈有先天優(yōu)勢(shì)：第一，LED作為點(diǎn)光源，如果設(shè)計(jì)合理，很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須依靠光發(fā)射來(lái)解決的二次取光及光損耗問(wèn)題;第二，對(duì)光照射面的均勻度可控，理論上可以做到在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)完全均勻，這也能避免傳統(tǒng)光源“燈下亮”現(xiàn)象中的光浪費(fèi);第三，色溫可選，這樣在不同場(chǎng)合的應(yīng)用中，也是提高效率、降低成本的一個(gè)重要途徑;第四，技術(shù)進(jìn)步空間依然很大。

手機(jī)新增特性的一個(gè)缺點(diǎn)是顯示背光需要消耗更高的電流。為獲得最佳的顯示效果，彩色LCD需要白光作為背光源，典型的白光LED實(shí)質(zhì)上要比用在第一代手機(jī)中的綠光LED消耗更多電流。

對(duì)在這些設(shè)計(jì)中使用的白光LCD供電，有三種廣泛應(yīng)用的電路方案，但這些方案在顯示質(zhì)量、成本、電路板占用面積和功耗等方面都存在這樣或那樣的缺點(diǎn)。

影響手機(jī)背光設(shè)計(jì)的兩個(gè)參數(shù)是電池工作電壓和LED正向電壓。一般手機(jī)目前使用工作電壓在3.2V到4.2V之間的單塊鋰電池。另一方面，為在白天獲得足夠背光，白光LED在正向電壓大約為3.3V時(shí)，一般每個(gè)需要20mA電流。在選擇背光方案時(shí)，這兩個(gè)因素決定了在電流消耗、產(chǎn)品質(zhì)量和成本之間需要做出的設(shè)計(jì)折衷?？捎脕?lái)給白光LED背光供電的三種普通電路是：直接連接電池、電荷泵驅(qū)動(dòng)器電路和DC/DC升壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。

將LED直接并行連接到電池的效率很高，因?yàn)闆](méi)有驅(qū)動(dòng)器電路消耗電流，所以很少采用這種方案。另一種通常用來(lái)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)白光LED的設(shè)計(jì)是固定模式的電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器，該方案的基本原理是利用開(kāi)關(guān)電容器系統(tǒng)對(duì)泵電容器進(jìn)行充放電，從而產(chǎn)生一個(gè)比輸入電壓高的電壓。在這些器件中，線性調(diào)節(jié)器和分?jǐn)?shù)電荷泵用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)比輸入電壓高的固定輸出電壓。通常用這個(gè)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)電壓值在4V至5V之間的固定輸出電壓，因?yàn)樗墒褂孟鄬?duì)較低的固定開(kāi)關(guān)頻率，所以開(kāi)關(guān)噪聲很小并且是可預(yù)測(cè)的。

為了升高電壓，電荷泵相比直接連接電池方法需要更高的電源輸出電流，器件的效率則受電壓升壓因數(shù)和器件靜電流的制約。然而，電荷泵方案的顯示背光質(zhì)量?jī)?yōu)于直接連接的方案，因?yàn)樗谡麄€(gè)輸入電池電壓范圍內(nèi)保持恒定的輸出電壓。

也可采用基于電感器的升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)串聯(lián)而不是并聯(lián)的白光LED，它是通過(guò)產(chǎn)生足夠高的電壓以得到期望輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)的。采用這種方法，LED的亮度可以很好地匹配，因?yàn)闊o(wú)論LED的正向電壓是多少，LED都能獲得相同的電流。升壓轉(zhuǎn)換器的效率可能高于固定模式電荷泵，這取決于所需的負(fù)載電流和輸出電壓。

盡管它們的效率非常高，但基于電感器的升壓轉(zhuǎn)換器也有它們的缺點(diǎn)：由于開(kāi)關(guān)頻率隨輸出電壓變化，所以通常需要增加屏蔽以避免寄生噪聲耦合到電話接收器中。相比陶瓷電容器，電感器更大且更貴，因此升壓轉(zhuǎn)換器的電路板面積和成本要求一般也比電荷泵系統(tǒng)高。

可變模式分?jǐn)?shù)電荷泵在單個(gè)設(shè)計(jì)中結(jié)合了前面這些系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，它使用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的電流匹配概念，具有標(biāo)準(zhǔn)電荷泵的最小器件數(shù)量和低噪聲性能以及直接連接電池方法的高效率，以便為手機(jī)背光提供最佳平均效率。

圖1：四種背光驅(qū)動(dòng)器方案的比較表明，可變模式電荷泵在鋰電池放電曲線的85%時(shí)間窗口時(shí)效率最高，這使其在電池壽命周期中的平均效率達(dá)到86%。

這些器件調(diào)節(jié)電流來(lái)保持LED之間亮度的一致性，而不是調(diào)節(jié)電壓。同時(shí)，調(diào)節(jié)保持期望電流所需的輸出電壓。LED以并聯(lián)方式連接在一起，這樣輸出電壓就不必像升壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中要求的那么高的電壓。

IC的電荷泵部分一般工作在以下三種模式中的一種：1×模式(電荷泵無(wú)效)、1.5×模式(VOUT=1.5×VIN)以及2×模式(VOUT=2×VIN)。當(dāng)電池電壓高于LED的正向電壓和陰極控制電壓時(shí)，器件工作在1×模式，其作用就像線性調(diào)節(jié)器。隨著電話的使用電池逐漸消耗，電荷泵切換到1.5×模式，然后再到2×模式。

這些電荷泵與鋰電池一起使用最為理想，因?yàn)樵阡囯姵氐牡湫碗妷悍秶鷥?nèi)，它們的效率最高。通過(guò)使器件在整個(gè)放電時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間地保持工作在1×模式，這種特性能使分?jǐn)?shù)電荷泵在電池放電周期中獲得較高的平均效率。　　下圖顯示的是四種背光驅(qū)動(dòng)器方案的效率特性。在每個(gè)系統(tǒng)中都使用了四個(gè)正向電壓為3.3V、電流為20mA的白光LED?？勺兡Ｊ诫姾杀弥还ぷ髟?×模式和1.5×模式，因?yàn)槠漭斎腚妷翰粫?huì)降低到迫使電荷泵進(jìn)入2×模式的電壓值。

可變模式分?jǐn)?shù)電荷泵可消除直接連接電池的方法中會(huì)導(dǎo)致閃爍的電壓波動(dòng)，提供優(yōu)于固定模式電荷泵的明顯的效率優(yōu)勢(shì)，其平均效率則與升壓轉(zhuǎn)換器相當(dāng)。而它做到這些并不需要采用電感器或者特殊屏蔽，一般只需幾個(gè)外部電容就能實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而削減了系統(tǒng)成本。