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优化白光LED背光应用效率

导读: 白光LED通常由一个恒定直流电流源驱动,以保持恒定的亮度。在采用单颗锂离子电池供电的可携式应用中,白光LED以及电流源上的电压降之总和可以比电池电压高或低

                                                         Dario Nurzad(美国国家半导体公司应用工程师)

白光LED通常由一个恒定直流电流源驱动,以保持恒定的亮度。在采用单颗锂离子电池供电的可携式应用中,白光LED以及电流源上的电压降之总和可以比电池电压高或低,这意味着白光LED某些时候需要对电池电压进行升压。完成这样应用的最好办法是使用升压DC-DC转换器,这种方法大大地优化效率,但代价是成本和PCB面积增加。另外一种提升电池电压的方法是使用电荷帮浦,也称为开关电容转换器。本文将详细地分析这种组件的工作原理。

 电荷帮浦的基本原理

电容是存储电荷或电能,并按预先确定的速度和时间放电的装置。如果一个理想的电容以理想的电压源VG进行充电(见图1a),将依据Dirac电流脉波函数立即存储电荷(图1b)。存储的总电荷数量按以下方式计算︰ Q = CVG

实际的电容具有等效串联阻抗(ESR)和等效串联电感(ESL),两者都不会影响到电容存储电能的能力。然而,它们对开关电容电压转换器的整体转换效率有很大的影响。实际电容充电的等效电路如图1c所示,其中RSW是开关的电阻。充电电流路径具有串行电感,透过适当的组件布局设计可以降低这个串行电感。

一旦电路被加电,将产生指数特性的瞬态条件,直到达到一个稳态条件为止。电容的寄生效应限制峰值充电电流,并增加电荷转移时间。因此电容的电荷累积不能立即完成,这意味着电容两端的初始电压变化为零。电荷帮浦就利用了这种电容特性,如图2a所示。


 
 图1︰从一个电压源对电容进行充电(图a和b是理想情况,c和d是实际情况)。
 
电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段期间,开关S1和S2关闭,而开关S3和S4打开,充电到输入电压:

VC1+ VC1- = VC1+ = VIN
VC1+ ─ VC1- = VOUT ─ VIN = VIN →VOUT = 2VIN

在第二个阶段,开关S3和S4关闭,而S1和S2打开。因为电容两端的电压降不能立即改变,输出电压突变到输入电压值的两倍︰使用这种方法可以实现电压的倍压。开关讯号的工作周期通常为50%,这通常能产生最佳的电荷转移效率。以下让我们更详细地了解电荷转移过程以及开关电容转换器寄生效应如何影响其工作。


 
图2︰a. 电荷帮浦电路,b. 相关的波形。
 
图2b中显示了开关电容电压倍压器的稳态电流和电压波形。根据功率守恒的原理,平均的输入电流是输出电流的两倍。在第一阶段,充电电流流入到C1。该充电电流的初始值决定于电容C1两端的初始电压、C1的ESR以及开关的电阻。在C1充电后,充电电流呈指数级地降低。充电时间常数是开关周期的几倍,更小的充电时间常数将导致峰值电流增加。在这个时间内,输出电容C hold提供负载电流线性放电的电量,放电量等于︰

 
在第二阶段,C1+连接到输出,放电电流(电流大小与前面的充电电流相同)透过C1流到负载。在这个阶段,输出电容电流的变化大约为2IOUT。尽管这个电流变化应该能产生一个输出电压变化为2 Iout ESR C hold,使用低ESR的陶瓷电容使得这种变化可以忽略不计。此时,CHOLD按下面的电量线性电位充电︰

 
当C1连接到输入和接地之间时,C hold依照以下的电量线性电位放电︰

 
以下计算出输出涟波峰对峰电压值的总数︰

 
更高的开关频率可以采用更小的输出电容来获得相同的涟波。电荷帮浦的寄生效应导致输出电压随着负载电流的增加而下降。事实上,总是存在2IOUT的RMS电流流过C1和两个开关 ( 2Rsw),导致产生以下的功耗︰

 
除了这些纯粹的电阻损耗,IOUT的RMS电流流过开关电容C1的等效电阻,产生的功耗为︰

 
流过CHOLD的RMS电流等于IOUT,导致产生以下的功耗︰

 
所有这些损耗可以用以下的等效输出电阻进行汇总︰

 
如此一来,电荷帮浦的输出电压可以用以下的等式模仿︰
VOUT = 2VIN ─ Iout Rout

总之,因为陶瓷电容低的ESR以及高的开关频率,输出涟波以及输出电压降取决于开关电阻。利用更多的开关和电容可以实现附加的电压转换。图3展示了使用电容的这个特性的电路。同样的,电压转换在两个阶段内完成。在第一个阶段,开关S1到S3关闭,而开关S4到S8打开。因此C1和C2并联,假设C1等于C2,则充电到一半的输入电压︰

 
输出电容CHOLD提供输出负载电流。随着这个电容的放电,输出电压降低到期望的输出电压以下,第二个阶段是被激活来将输出电压增高到这个值以上。在第二阶段,C1和C2并联,连接在VIN和VOUT之间。开关S4到S7关闭,而S1到S3和S8打开。因为电容两端的电压降并不能突变,输出电压跳变到输入电压值的1.5倍︰

 
 图3︰具有1倍和1.5倍增益的开关电容电路。
 
电压升压是透过以下的模式完成︰透过关闭S8并保持S1到S7打开,电压转换可以获得1倍的增益。
 
脉波频率调制(PFM)方案

图4种介绍了一种简化的PFM调压方案,该方案利用许多个增益。下调的输出电压透过PUMP/SKIP比较器与1.2V的电压基准比较。PUMP/SKIP比较器输出电压在启动时线性上升,提供软启动功能。当输出电压超过期望的极限,组件不会开启,消耗的电源电流将很小。在这种空闲状态的期间,输出电容提供输出负载电流。随着这个电容不断放电以及输出电压降低到期望的输出电压以下,电荷帮浦被激活直到输出电压再次达到高于这个值。

在轻负载下,PFM调节架构的主要优势是很明显的。通常透过输出电容提供负载电能。电源电流非常低,输出电容只需要偶尔透过电荷帮浦进行再次充电。

总之,调压电荷帮浦在一个宽的输入范围内不能维持高的效率,因为输入-输出电流比根据基本的电压转换进行调节,任何比输入电压乘以电荷帮浦增益所得的值更低的输出电压将导致转换器内额外的功耗,并且效率会成比例地降低。

 
 
转换器根据输入/输出比例改变增益的能力允许在整个输入电压范围内完成最优秀的效率。理想的情况是,增益应该是线性式变化。现实中,给予固定的电容和开关数量,只可能达到有限的增益配置。

在图4中,输入电压被调节,并被馈入到三个比较器的正向结点。比较器的所有反向结点连接到输出电压。根据输入-输出电压比,比较器的输出提供带有一个3位字的增益控制电路,增益控制电路用于选择最小的增益G,这样就可以获得期望的电压转换。然而,在白光LED应用中,选择正确的增益G不仅仅根据输入和输出电压。

 
图4︰开关电容电压调节器框图。
 
高整合度电荷帮浦双显LED驱动器

以NS的LM27965电荷帮浦双显LED驱动器为例,D1A-5A或D1B-D3B输出可以连接在一起以较高的电流来驱动一个或两个LED。在这样的配置中,所有的五个并行电流输出可以驱动一个LED。应该选择设定用于D1A-5A的LED电流,这样可以设定每个输出电流为期望的总LED电流的20%。例如,如果60mA是期望中的单LED驱动电流,应该选择合适的RSET,这样透过每个电流吸收端的输入电流为12mA。可提供的二极管输出电流、最大的二极管电压以及电气参数表中提供的所有其它参数与标准的5-LED应用电路相同。

在较高的输入电压条件下,LM27965工作在直通模式(Pass-Mode),允许输出电压跟踪输入电压。随着输入电压不断降低,Dxx管脚上的电压也会下降(VDXX = VPOUT VLEDx)。一旦任何已激活的Dxx管脚达到接近175mV的电压时,电压帮浦将切换到3/2x的增益。这种切换确保不会因为在LED两端没有足够的电压余量而影响到流过LED的电流。第一组和第二组输出在每个Dxx管脚上利用了片上的LED正向电压检测功能以优化电荷帮浦增益,实现最大的效率。由于检测电路的特性,因此如果在正常操作期间将使用到任何一个LED组,不建议将任何DxA (D1A-D4A)或DxB (D1B-D2B)的管脚悬空。如果将DxA和/或DxB的管脚悬空,将会在整个VIN范围内迫使电荷帮浦进入3/2x模式。

如果D5A未使用,建议将驱动器管脚接地,并将通用缓存器的EN5A位设置为0以确保正确的增益转换。使用通用缓存器,D3B驱动器可以在工作中完全地开或关闭。激活二极管监测电路并禁止驱动器。如果D3B没有使用,建议将驱动器管脚接地,通用缓存器的EN3B位设置为0确保正确的增益转换。


图5︰LM27965典型应用电路
 
 结论

使用开关电容比基于电感的开关方法具有某些优势,其中一个明显的优势就是消除了电感以及相关的电磁设计问题。开关电容转换器通常具有相对低的噪音和最小的辐射EMI。此外,应用电路很简单,只需要几个小电容。因为在没有电感的情况下,最后的PCB组件高度通常比同等的开关转换器更小。

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