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白光LED升壓轉(zhuǎn)換器和電荷泵的比較

發(fā)布時間:2010-04-06

中心議題:
  • 電路復(fù)雜性對比
  • 物理尺寸對比
  • 系統(tǒng)設(shè)計靈活性對比
  • 輸出電壓紋波對比
  • 外接旁路元件的對比
目前,便攜式產(chǎn)品廣泛使用彩色LCD顯示器,用白光LED作為背光。為白光LED供電需要特別的轉(zhuǎn)換器,需要提供LED正向?qū)ǖ母邏汉秃懔黩?qū)動,減小電池電壓變化時所引起的亮度變化以及不同LED之間的亮度不匹配。為了達(dá)到這個目的,有兩種主流的轉(zhuǎn)換器:基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器和基于電容的電荷泵轉(zhuǎn)換器。這兩種轉(zhuǎn)換器各具優(yōu)缺點,需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求決定選用哪種架構(gòu)。

本文以MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器和MAX1573電荷泵為例,對兩種轉(zhuǎn)換架構(gòu)進(jìn)行比較。文中評估了每種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點,所得出的結(jié)論有助于系統(tǒng)設(shè)計者選擇正確的方案。MAX1561和MAX1573幾乎是在同一時期、在同一工廠、采用相同工藝設(shè)計的,開關(guān)頻率均為1MHz,適合進(jìn)行對比。

電路復(fù)雜性:電荷泵略占優(yōu)勢

圖1給出了兩種方案的電路圖,兩個電路都只有幾個簡單的外部元件,但升壓轉(zhuǎn)換器需要電感和肖特基二極管(有些升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成肖特基二極管,但通常會降低效率)。


圖1.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器(a)和MAX1573電荷泵(b)是2種LED供電方案。電路復(fù)雜度基本相同,但電荷泵不需要電感。
效率:電荷泵的效率竟略占優(yōu)勢[page]

圖2給出了兩種方案的效率,效率是在標(biāo)準(zhǔn)的鋰電池以C/5的速率放電為LED供電的情況下測量的。18mA/LED的效率曲線代表正常顯示亮度情況下的效率,升壓轉(zhuǎn)換器和電荷泵的平均效率都是83%;圖中2mA/LED的效率曲線代表LED處于亮度比較暗的靜止?fàn)顟B(tài)時的效率,電荷泵可以獲得76%的平均效率,明顯好于升壓轉(zhuǎn)換器的59%。


圖2.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器(a)和MAX1573電荷泵(b)在18mA/LED的測試條件下,整個電池工作時間內(nèi)的平均效率均為83%。當(dāng)LED比較暗時,2mA/LED,電荷泵效率高于升壓轉(zhuǎn)換器。

上述結(jié)果出乎人們的預(yù)料,因為大多數(shù)電荷泵的效率達(dá)不到這樣的效率。MAX1573之所以能夠提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的效率,是因為它包含了1倍壓旁路和1.5倍壓升壓電荷泵模式,并具有自適應(yīng)切換功能,低壓差線性電流調(diào)節(jié)器能夠在電池電壓下降的時候盡可能地保持在1倍壓模式,從而取得高效率。傳統(tǒng)電荷泵方案不具備1倍壓模式,只能取得50%至67%的效率。一些競爭產(chǎn)品雖然也包含了1倍壓模式,但工作在這種模式的時間較短,所以一般達(dá)不到83%的平均效率。

對于升壓轉(zhuǎn)換器,MAX1561是業(yè)界效率非常高產(chǎn)品。通過某些折中,也可以獲得更高的效率,例如:MAX1599,在18mA/LED時,效率是87%;在2mA/LED時,效率是71%。MAX1599和MAX1561非常類似,只是開關(guān)頻率從1MHz降到500kHz,第開關(guān)頻率下減少了開關(guān)損失。但是,頻率的降低使得外部電感的尺寸提高2倍。[page]

物理尺寸;電荷泵占優(yōu)勢

圖3給出了兩種方案的PCB布局,包括外部元件。升壓轉(zhuǎn)換器的引腳數(shù)較少,允許采用小尺寸、3mmx3mm的封裝,但電感使得整體尺寸變大,高度也較大。大約1mm高的電感甚至占用比圖3還大的電路板空間。雖然電荷泵本身尺寸較大,4mmx4mm,但它只需要較小的1μF陶瓷電容。圖3(b)所示0603封裝的電容,至少有3家廠商可以提供圖3(c)所示0402電容。在對尺寸要求特別苛刻的情況下,也可以選擇2mmx2mm封裝的MAX1573,整個電荷泵方案的尺寸僅為11mm2。



圖3.因為要使用電感,升壓轉(zhuǎn)換器(a)比電荷泵(b)占用更大的電路板空間和高度。如果使用晶片級封裝的MAX1573和0402封裝的1μF電容,整個電荷泵方案(c)的尺寸就會非常小。

系統(tǒng)靈活性:升壓轉(zhuǎn)換器占優(yōu)勢

升壓轉(zhuǎn)換器的一個重要的優(yōu)點是支持串聯(lián)LED,電荷泵只能驅(qū)動并聯(lián)LED。從圖4(a)可以看出,串聯(lián)配置的LED,在升壓轉(zhuǎn)換器和LED之間只需2條連線。如果升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵放置在系統(tǒng)板,而LED模塊放置在顯示板,這個優(yōu)勢將非常重要。這種情況下,升壓轉(zhuǎn)換器只需極少的接點。除此之外,升壓轉(zhuǎn)換器可以支持更多的LED模塊,每個顯示模塊可以串聯(lián)不同數(shù)量的LED。而且,在實際應(yīng)用中可能不需要改變升壓轉(zhuǎn)換電路既可更換顯示模塊;也可以在不改變顯示模塊的條件下更改升壓轉(zhuǎn)換器。由此可見,串聯(lián)LED架構(gòu)大大降低了設(shè)計風(fēng)險。

為了提高電荷泵的效率,在電池直接驅(qū)動模式下,每個LED需要一個單獨的電流調(diào)節(jié)器,如圖4(b)所示。如果改變LED數(shù)量,LED連線也必須改變。而且,為了關(guān)閉不使用的電流源,有時也不得不改變電路(例如,將MAX1573不使用的電流調(diào)節(jié)器接IN)。有些競爭方案會在這種情況下產(chǎn)生很多問題:不使用的電流調(diào)節(jié)器需要通過不同方式關(guān)閉(例如,接OUT或浮空);更糟糕的是,新設(shè)計的電荷泵可能采用共陰極LED,而非共陽極配置,這種情況下要求顯示模塊的改動更多。


圖4.升壓轉(zhuǎn)換器(a)與LED只有兩條連線;電荷泵(b)需要更多的連線。因此,使用升壓轉(zhuǎn)換器更靈活,可以在不改變升壓電路的情況下改變LED配置,或在不影響LED配置的情況下改變升壓轉(zhuǎn)換器。使用電荷泵時,LED必須與IC配套。
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紋波和噪聲:電荷泵占優(yōu)

因為電荷泵和升壓轉(zhuǎn)換器都是開關(guān)轉(zhuǎn)換器,它們會在輸入、輸出端產(chǎn)生電壓和電流紋波,在電感和開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生EMI。有時,這些紋波和噪聲會耦合到系統(tǒng)電路,如手機的RF接收器,影響性能。

輸入紋波顯然很重要,因為電池輸入在系統(tǒng)中對很多電路是公用的。圖5所示,在相同開關(guān)頻率、驅(qū)動同樣負(fù)載時,如果使用同樣的輸入電容,電荷泵和升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸入紋波在同一量級。應(yīng)當(dāng)注意,MAX1573輸入端只需使用一個1μF的陶瓷電容,為了和MAX1561進(jìn)行比較,我們將這個電容增大到2.2μF。把輸入電容提高到4.7μF或10μF可以進(jìn)一步減小輸入紋波,但在一定程度上提高了成本,增大了物理尺寸。


圖5.如果開關(guān)頻率為1MHz,驅(qū)動同樣數(shù)量的LED,采用相同的輸入電容,那么電荷泵(b)和升壓轉(zhuǎn)換器(a)的輸入紋波基本相同。然而,由于電荷泵與LED之間有較多引線,建議使用更短的連線(天線),另外,泵電容產(chǎn)生的EMI低于升壓轉(zhuǎn)換器的電感。

輸出紋波也是一個問題,尤其是輸出線較長時,可能產(chǎn)生天線效應(yīng)或?qū)⒃肼曬詈系较噜忞娐贰榱私鉀Q這個問題,可能更傾向于選擇升壓轉(zhuǎn)換器,但也僅僅是因為它需要的輸出引線較少,可以放置在距離LED較遠(yuǎn)的位置。電荷泵因為有大量的輸出連線,要求IC與LED盡可能靠近。

升壓轉(zhuǎn)換器是把能量儲存在電感的電磁場中,會比電荷泵電容產(chǎn)生更強的EMI。所以,建議使用屏蔽電感或?qū)ο到y(tǒng)屏蔽。另外,升壓轉(zhuǎn)換器在電感和肖特基二極管的連接處有快速的高壓波動,可以在開關(guān)節(jié)點處加一個小電容來減緩開關(guān)信號產(chǎn)生的EMI輻射,但這樣做會犧牲效率。

其它特點:根據(jù)需要而定

下列問題不是升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵本身的特性,但在選擇任何具體的背光IC時,這些特性非常重要。

MAX1561和MAX1573都包含輸出過壓保護(hù)。這個特點可以防止IC在二極管(或任何輸出)開路時損壞IC。如果沒有這個功能,需要在外部加一個齊納二極管。

亮度控制在LED不工作的情況下降低LED的電流(顯示亮度),以延長電池使用時間。用戶也可以根據(jù)個人愛好調(diào)節(jié)顯示器的亮度。亮度調(diào)節(jié)的方式有許多種,包括模擬DAC、邏輯輸入、開/關(guān)PWM控制、PWM濾波、單總線脈沖接口和SPI?或I2C串口。MAX1561和MAX1573使用了多種亮度控制方法。

MAX1561用一個CTRL輸入控制亮度,這個信號可以是簡單的開/關(guān)邏輯電平或DAC輸出的模擬信號,也可以是頻率在200Hz到200kHz的PWM信號。因為MAX1561內(nèi)部集成了一個反饋環(huán)路,PWM信號經(jīng)過內(nèi)部濾波轉(zhuǎn)換成直流LED電流,與傳統(tǒng)的開/關(guān)PWM亮度控制相比具有更低的輸入/輸出紋波和噪聲。
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MAX1573用2個邏輯輸入:EN1和EN2,用于控制LED關(guān)閉和10%、30%、100%的電流等級。另外,當(dāng)EN2驅(qū)動至高電平時,可以在EN1上加一個200Hz到20kHz的信號調(diào)節(jié)LED電流,利用PWM信號在10%至100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電流。另外,MAX1573的外部電阻Rset用來設(shè)置100%的電流最大值,因此,利用不同的電阻或在SET引腳施加一個模擬或邏輯信號同樣可以控制亮度。

軟啟動用來抑制啟動時的浪涌電流,使電池電壓的跌落最小,以免對系統(tǒng)的其它電路造成影響。如圖6所示,MAX1561和MAX1573都包括軟啟動電路。合理的軟啟動機制可以防止任何輸入過沖電流,有些軟啟動電路只能防止過沖電流不超過一定的限制。


圖6.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器(a)和MAX1573電荷泵(b)的軟啟動和關(guān)斷波形都表明沒有輸入過沖電流(IIN),使電池跌落最小,以免對系統(tǒng)的其它電路造成影響。

快速、固定開關(guān)頻率允許使用小尺寸的外部元件,保持較低的輸入/輸出紋波。但是,如果開關(guān)頻率過高,開關(guān)損耗會上升,效率將會降低。按照當(dāng)前的半導(dǎo)體工藝,最佳工作頻率范圍為600kHz至1.5MHz。一些背光驅(qū)動IC采用不同頻率的PFM架構(gòu)或柵極振蕩器控制機制,可能會產(chǎn)生較大的輸入、輸出紋波,紋波存在大量的諧波分量,可能干擾其它電路的正常工作。如果使用PFM架構(gòu),建議在使用之前進(jìn)行認(rèn)真評估。

較高的電流精度和匹配度,會使顯示器亮度和電源損耗達(dá)到最佳狀態(tài),使不同LED之間的亮度差異最小。設(shè)計人員可能非常關(guān)注這個問題,但并非想象的那樣嚴(yán)格。即使電流精度達(dá)到了極致,LED本身也會存在±20%的亮度偏差。而且,人眼對于40%的整體亮度誤差和LED之間±30%偏差并不敏感。

老式的穩(wěn)壓型電荷泵中使用了很大的電阻,所能達(dá)到的精度和匹配度均無法接受。新的電荷泵中集成了多個電流調(diào)節(jié)器,為每個LED提供有源控制。即便這樣,在小電流情況下保持良好的匹配度仍然是一些IC設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)。升壓轉(zhuǎn)換器由于采用了串聯(lián)LED架構(gòu),從根本上能夠在任意電流下保持優(yōu)異的匹配度,但升壓IC還需在整個亮度范圍內(nèi)保證合理的精度。

電荷泵在1倍壓模式和1.5倍壓模式下切換時,模式切換滯回功能可以防止LED閃爍。一種較好的自適應(yīng)模式轉(zhuǎn)換機制是對電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行監(jiān)測,在電壓剛好跌落到最低門限之前切換工作模式,以便在盡可能地的電池電壓下保持高效的1倍壓模式。對每路電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行監(jiān)測非常關(guān)鍵,否則,有些LED可能會在模式轉(zhuǎn)變之前發(fā)生閃爍,使得1.5倍壓模式開啟時出現(xiàn)明顯的LED亮度越變。一旦工作在1.5倍壓模式,滯回功能可以避免模式之間的反復(fù)切換,產(chǎn)生較大的輸入/輸出紋波和明顯的LED閃爍。如果滯回電壓設(shè)置過大,則在發(fā)生極小的電池電壓跌落時都會把電荷泵置于低效的1.5倍壓模式,而在電池電壓恢復(fù)正常時仍然阻止電荷泵返回到1倍壓模式。因此,需要對滯回進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置,比如,MAX1573不僅監(jiān)測每個電流調(diào)節(jié)器,還采用了專利技術(shù),主動修改滯回門限,使效率達(dá)到最佳,并避免了閃爍(當(dāng)然,升壓轉(zhuǎn)換器,如MAX1561,并不需要模式轉(zhuǎn)換)。

上述比較表明電荷泵具有更大優(yōu)勢,當(dāng)然,要根據(jù)具體情況和每個驅(qū)動IC的特點選擇驅(qū)動方式。到目前為止,大多數(shù)升壓轉(zhuǎn)換器可以提供更高效率,應(yīng)用更普遍。不過,既然新一代1倍壓/1.5倍壓電荷泵彌補了這個差距,電荷泵方案會在大多數(shù)新設(shè)計中受到青睞
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