隨著彩色顯示屏在便攜市場（如手機、PDA以及超小型PC）中的廣泛采用，對于一個單色LCD照明而言，就需要一個白色背光或側光。與常用的CCFL（冷陰極熒光燈）背光相比，由于LED需要更低的功耗和更小的空間，所以其看起來是背光應用不錯的選擇。白光LED的典型正向電壓介于3V～5V之間。由于為白光LED供電的最佳選擇是選用一個恒流電源，且鋰離子電池的輸入電壓范圍低于或等于LED正向電壓，因此就需要一款新型電源解決方案。

主要的電源要求包括高效率、小型的解決方案尺寸以及調節(jié)LED亮度的可能性。對于具有無線功能的便攜式系統(tǒng)而言，可接受的EMI性能成為我們關注的另一個焦點。當高效率為我們選擇電源最為關心的標準時，升壓轉換器就是一款頗具吸引力的解決方案，而其他常見的解決方案是采用充電泵轉換器。在本文中，我們分別對用于驅動白光LED的兩款解決方案作了討論，并探討了他們與主要電源要求的關系。另外一個很重要的設計考慮因素是調節(jié)LED亮度的控制方法，其亮度不但會影響整個轉換器的效率，而且還有可能會出現(xiàn)白光LED的色度變換。下面將介紹一款使用一個PWM信號來控制其亮度的簡單的解決方案。與其他標準解決方案相比，該解決方案的另外一個優(yōu)勢就是其更高的效率。

任務

一旦為白光LED選定了電源以后，對于一個便攜式系統(tǒng)來說，其主要的要求就是效率、整體解決方案尺寸、解決方案成本以及最后一項但非常重要的EMI（電磁干擾）性能。根據(jù)便攜式系統(tǒng)的不同，對這些要求的強調程度也不盡相同。效率通常是關鍵的設計參數(shù)中最重要或次重要的考慮因素，因此在選擇電源時，要認真考慮這一因素。圖1示顯示了白光LED電源的基本電路。

該鋰離子電池具有一個介于2.7V～4.2V的電壓范圍。該電源的主要任務是為白光LED提供一個恒定的電流和一個典型的3.5V正向電壓。

與充電泵解決方案相比，升壓轉換器可實現(xiàn)更高的效率

一般來說，用于驅動白光LED的電源拓撲結構有兩種：即充電泵或開關電容解決方案和升壓轉換器。這兩款解決方案均可提供較高的輸出和輸入電壓。二者主要的不同之處在于轉換增益M=Vout/Vin，該增益將直接影響效率；而通常來說，充電泵解決方案的轉換增益是固定不變的。一款固定轉換增益為2的簡單充電泵解決方案通常會產生比LED正向電壓高很多的電壓，如方程式(1)所示。其將帶來僅為47%的效率，如方程式(2)所示。

式中Vchrgpump為充電泵IC內部產生的電壓，VBat為鋰離子電池的典型電池電壓。充電泵需要提供一個恒定的電流以及相當于LED3.5V典型正向電壓的輸出電壓。通常，固定轉換增益為2的充電泵會在內部產生一個更高的電壓(1)，該電壓將會導致一個降低整體系統(tǒng)效率的內部壓降(2)。更為高級的充電泵解決方案通過在1.5和1轉換增益之間進行轉換克服了這一缺點。這樣就可以在電池電壓稍微高于LED電壓時實現(xiàn)在90%～95%效率級別之間運行，從而充許使用增益值為1的轉換增益。方程式(3)和方程式(4)顯示了這一性能改進。

當電池電壓進一步降低時，充電泵需要轉換到1.5增益，從而導致效率下降至60%～70%，如示例(5)和(6)所示。

圖2顯示了充電泵解決方案在不同轉換增益M條件下理論與實際效率曲線圖。

轉換增益為2的真正的倍壓充電泵具有非常低的效率（低至40%），且對便攜式設備沒有太大的吸引力；而具有組合轉換增益（增益為1.0和1.5）的充電泵則顯示出了更好的效果。這樣一款充電泵接下來的問題就是從增益M=1.0向M=1.5的轉換點轉換，這是因為發(fā)生增益轉換后效率將下降至60%的范圍。當電池可在大部分時間內正常運行的地方發(fā)生效率下降（轉換）時，整體效率會降低。因此，在接近3.5V的低電池電壓處發(fā)生轉換時就可以實現(xiàn)高效率。但是，該轉換點取決于LED正向電壓、LED電流、充電泵I2R損耗以及電流感應電路所需的壓降。這些參數(shù)將把轉換點移至更高的電池電壓。因此，在具體的系統(tǒng)中必須要對這樣一款充電泵進行精心評估，以實現(xiàn)高效率數(shù)值。

計算得出的效率數(shù)值顯示了充電泵解決方案最佳的理論值。在現(xiàn)實生活中，根據(jù)電流控制方法的不同會發(fā)生更多的損耗，其對效率有非常大的影響。除了I2R損耗以外，該器件中的開關損耗和靜態(tài)損耗也將進一步降低該充電泵解決方案的效率。

通過使用一款感應升壓轉換器可以克服這些不足之處，該升壓轉換器具有一個可變轉換增益M，如方程式(7)和圖3所示。

該升壓轉換器占空比D可在0%和實際的85%左右之間發(fā)生變化，如圖3所示。

可變轉換增益可實現(xiàn)一個剛好與LED正向電壓相匹配的電壓，從而避免了內部壓降，并實現(xiàn)了高達85%的效率。

可驅動4白光LED的標準升壓轉換器

圖4中的升壓轉換器被配置為一個可驅動4白光LED的電流源。該器件將檢測電阻器Rs兩端的電壓調節(jié)至1.233V，從而得到一個定義的LED電流。

本結構中使用的升壓轉換器在1.233V電流檢測電阻器兩端將有一個壓降，而檢測電阻器的功耗會降低該解決方案的效率。因此，必須降低檢測和調節(jié)該LED電流的壓降。除此之外，對于許多應用來說，調節(jié)LED電流和LED亮度的可能性也是必須的。圖5中的電路實現(xiàn)了這兩個要求。

在圖5中，一個可選齊納二極管被添加到了電路中，用鉗位控制輸出電壓，以防止一個LED斷開連接或出現(xiàn)高阻抗。一個具有3.3V振幅的PWM信號被施加到該轉換器的反饋電路上，同時使用了一個低通濾波器Rf和Cf，以過濾PWM信號的DC部分并在R2處建立一個模擬電壓(Vadj)。通過改變所施加PWM信號的占空比，使該模擬電壓上升或下降，從而調節(jié)該轉換器的反饋電壓，此舉會增加或降低轉換器的LED電流。通過在R2處施加一個高于轉換器反饋電壓(1.233V)的模擬電壓，可以在檢測電阻器兩端實現(xiàn)一個更低的感應電壓。對于一個20mALED電流而言，感應電壓從1.233V下降到了0.98V（對于10mALED電流而言，甚至會降至0.49V）。

當使用一個具有3.3V振幅的PWM信號時，必須要將控制LED亮度的占空比范圍從50%調整到100%，以得到一個通常會高于1.233V反饋電壓的模擬電壓。在50%占空比時，模擬電壓將為1.65V，從而產生一個20mA、0.98V的感應電壓。將占空比范圍限制在70%～100%之間會進一步降低感應電壓。由此得出的效率曲線如圖6所示。

效率還取決于所選電感。在此應用中，一個尺寸為1210的小型電感可以實現(xiàn)高達83%的效率，從而使總體解決方案尺寸可與一個需要兩個尺寸為0603的飛跨電容充電泵解決方案相媲美。

圖7顯示了LED電流作為控制LED亮度的PWM占空比的一個線性函數(shù)。

上述解決方案顯示了用于驅動白光LED的標準升壓轉換器的結構以及通過限制PWM占空比范圍并選擇一個不同的電流控制反饋網(wǎng)絡來提高效率的可能性。按照邏輯思維，我們接下來將討論一款集成了所有這些特性的解決方案。

專用LED驅動器減少了外部組件數(shù)量

圖8顯示了一款集成了前面所述特性的器件。直接在CTRL引腳上施加一個PWM信號就可以對LED電流進行控制。

電流感應電壓被降至250mV，且過壓保護功能被集成到一個采用小型3mm×3mmQFN封裝的器件中。其效率曲線如圖9和圖10所示。

圖10顯示整個鋰離子電池電壓范圍（2.7V～4.2V）內均可以實現(xiàn)80%以上的效率。在此應用中，使用了一個高度僅為1.2mm的電感(Sumida CMD4D11-4R7，3.5mm*5.3mm*1.2mm)。

從圖10中的效率曲線可以看出：在大多數(shù)應用中，升壓轉換器可以實現(xiàn)比充電泵解決方案更高的效率。但是，在無線應用中使用升壓轉換器或充電泵時還需要考慮EMI問題。

對EMI加以控制

由于這兩款解決方案均為運行在高達1MHz轉換頻率上的開關轉換器，且可以快速的上升和下降，因此無論使用哪一種解決方案（充電泵還是升壓轉換器）都必須要特別謹慎。如果使用的是充電泵解決方案，則不需要使用電感，因此也就不存在磁場會引起EMI的問題了。但是，充電泵解決方案的飛跨電容通過在高頻率時開啟和關閉開關來持續(xù)地充電和放電。這將引起電流峰值和極快的上升，并對其他電路發(fā)生干擾。因此飛跨電容應該盡可能地靠近IC連接，且線跡要非常短以最小化EMI放射。必須使用一個低ESR輸入電容以最小化高電流峰值（尤其是出現(xiàn)在輸入端的電流峰值）。

如果使用的是一款升壓轉換器，則屏蔽電感器將擁有一個更為有限的磁場，從而實現(xiàn)更好的EMI性能。應對轉換器的轉換頻率加以選擇以最小化所有對該系統(tǒng)無線部分產生的干擾。PCB布局將對EMI產生重大影響，尤其要將承載開關或AC電流的線跡保持盡可能小以最小化EMI放射，如圖11所示。

粗線跡應先完成布線，且必須使用一個星形接地或接地層以最小化噪聲。輸入和輸出電容應為低ESR陶瓷電容以最小化輸入和輸出電壓紋波。

結論

在大多數(shù)應用中，與充電泵相比，升壓轉換器顯示出了更高的效率。使用一個升壓轉換器（其電感大小與1210外殼尺寸一樣）降低了充電泵在總體解決方案尺寸方面的優(yōu)勢。至少需要根據(jù)總體解決方案的尺寸對效率進行評估。在EMI性能方面，對升壓轉換器的設計還需要考慮更多因素和對更多相關知識的了解。

總之，對于許多系統(tǒng)而言，尤其在器件擁有一個從1.0到1.5的靈活轉換增益的時候，充電泵解決方案將是一個不錯的解決方案。在稍微高于LED正向電壓處發(fā)生從1.0到1.5的轉換增益時，這樣一款解決方案將實現(xiàn)絕佳的效率。在為每個應用選擇升壓轉換器或充電泵解決方案時，需要充分考慮便攜式系統(tǒng)的關鍵要求。如果效率是關鍵的要求，則升壓轉換器將為更適宜的解決方案。