編者按：需維持恒定發(fā)光度的白光LED一般都采用恒定直流電流源驅(qū)動(dòng)。在有單節(jié)鋰離子電池供電的便攜式應(yīng)用中，白光LED上電壓降與電流源電壓之和可以低于電池電壓，也可以高于電池電壓。這意味著盡管紅光LED可直接由單節(jié)鋰離子電池供電，但對(duì)白光LED而言，有時(shí)卻要求對(duì)電池電壓進(jìn)行升壓。最簡(jiǎn)便的升壓方法是采用步進(jìn)DC/DC轉(zhuǎn)換器。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于輸入電壓可以被提升到等于LED正向電壓和電流源凈空電壓之和，所以在所有的負(fù)載和輸入電壓條件下，其效率都非常高。但效率提升的代價(jià)是增加了成本和PCB板面積。事實(shí)上，在這一方法中，電感器的占位面積幾乎是驅(qū)動(dòng)器IC的兩倍。此外，電感器還是電磁干擾(EMI)的來(lái)源，而EMI對(duì)手機(jī)顯示及無(wú)線(xiàn)通信的性能都有影響。

提升電池電壓的另一種途徑是采用電荷泵，也稱(chēng)作開(kāi)關(guān)式電容轉(zhuǎn)換器。電容存儲(chǔ)電荷或能量，以便在某個(gè)預(yù)定時(shí)間以某個(gè)預(yù)定速度釋放電荷。假設(shè)由一個(gè)理想電壓電源V_G給一個(gè)理想電容器(圖1a)充電，電容器會(huì)立即進(jìn)行電荷存儲(chǔ)，可用狄拉克脈沖函數(shù)(圖1b)表示?？偟拇鎯?chǔ)電荷等于：

Q=CV_G

真實(shí)電容器具有等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)，盡管兩者均不會(huì)影響電容器的儲(chǔ)能容量，但卻能?chē)?yán)重影響開(kāi)關(guān)式電容電壓轉(zhuǎn)換器的整體效率。圖1c顯示了真實(shí)電容器充電時(shí)的等效電路，其中RSW是開(kāi)關(guān)阻抗。充電電流路徑也有串聯(lián)電感，但通過(guò)正確的元件布局可減少這個(gè)串聯(lián)電感。

圖1：電壓源對(duì)電容器充電的理想等效電路和電壓電流響應(yīng)(圖a和圖b)，以及真實(shí)等效電路和電壓電流響應(yīng)(圖c和圖d)。

一旦對(duì)充電電路導(dǎo)通，便產(chǎn)生帶指數(shù)特性的瞬態(tài)過(guò)程，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。電容的寄生效應(yīng)限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間(圖1d)。換言之，電容電荷的累積不能在立刻出現(xiàn)，這意味著電容上的初始電壓變化等于0。

電荷泵便利用了電容這種特性(圖2)。電壓轉(zhuǎn)換分兩個(gè)階段完成。在第一階段，開(kāi)關(guān)S1、S2和S3閉合，S4到S8斷開(kāi)，于是C1和C2串聯(lián)。假設(shè)C1=C2，則電容充電直到電容電壓等于輸入電壓的一半：

V_C1+-V_C1-=V_C2+-V_C2-=V_IN/2

輸出負(fù)載電流由輸出電容CHOLD提供。隨著電容的放電，輸出電壓降到輸出電壓期望值以下，這時(shí)第二階段被激活，以便將輸出電壓提高到這個(gè)期望值之上。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，連接在V_IN和V_OUT之間。開(kāi)關(guān)S4到S7閉合，但S1、S2、S3和S8斷開(kāi)。由于電容上的壓降不能立刻發(fā)生變化，所以輸出電壓升高到等于輸入電壓值的1.5倍。

V_C1+-V_C1-=V_C2+-V_C2-=V_OUT-V_IN=V_IN/2=>V_OUT=3V_IN/2

這就完成了升壓操作。轉(zhuǎn)換信號(hào)的占空比一般是50%，因?yàn)檫@一數(shù)值通常能產(chǎn)生最優(yōu)化的電荷轉(zhuǎn)移效率。閉合開(kāi)關(guān)S8，并讓S1到S7保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)1倍增益的電壓轉(zhuǎn)換。

圖2：具有1倍和1.5倍增益的電荷泵電路。

恒流LED驅(qū)動(dòng)器

圖3中的LED驅(qū)動(dòng)器基于1倍和1.5倍增益的自適應(yīng)電荷泵，電荷泵的輸入連接至V_IN引腳，輸出連接至V_OUT引腳。電荷泵有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種工作模式。在開(kāi)環(huán)模式中，V_OUT上的電壓等于輸入電壓乘以增益倍數(shù)。當(dāng)電荷泵工作在閉環(huán)模式時(shí)，V_OUT處的電壓被調(diào)節(jié)到一個(gè)恒定電壓值(V_REG)。內(nèi)部電流源為共陽(yáng)極配置的每個(gè)LED控制電流?？赏ㄟ^(guò)外部電阻(R_SET)對(duì)峰值驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行編程。

圖3：這個(gè)該基于電荷泵的白光LED驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED。

由低壓降調(diào)節(jié)器完成電流調(diào)節(jié)功能(圖4)。誤差放大器將R2上的電壓(V2)與基準(zhǔn)電壓(V_REF)進(jìn)行比較，然后通過(guò)串聯(lián)旁路元件(nMOS晶體管)把LED電流(I_DX)調(diào)節(jié)到驅(qū)動(dòng)誤差信號(hào)(VERR=V_REF-V2)所需的值。這個(gè)電流值應(yīng)盡量接近零。V_REF為：

圖4：在恒流LED驅(qū)動(dòng)器中，誤差放大器將R2上的電壓(V2)與基準(zhǔn)電壓(VREF)進(jìn)行比較。

V_REF=I_SET×R1

其中I_SET=1.25V/R_SET

假設(shè)V_REF=V2，則通過(guò)每個(gè)LED的電流為：

I_DX=(R1/R2)×I_SET

這只有在V_OUT-V_LED的值足夠高以避免旁路元件飽和時(shí)才適用。事實(shí)上，電流電源上要求一個(gè)被稱(chēng)為凈空電壓(V_HR)的最小電壓，以提供通過(guò)LED的期望調(diào)節(jié)電流。凈空電壓可由一個(gè)電阻R_HR來(lái)模擬(圖5):

圖5：電流源凈空電壓(VHR)用一個(gè)其上電流等于IDX的等效電阻來(lái)模擬。

V_HR=R_HR×I_DX

另外，可根據(jù)LED正向壓降、電流源上的電壓以及輸入電壓來(lái)選擇增益(圖3)以維持電流調(diào)整狀態(tài)。這樣，在最大范圍的輸入電壓上，器件都能保持工作在效率最高的1倍增益模式，從而降低電池功耗。

電荷泵的一個(gè)重要參數(shù)是輸出阻抗(R_OUT)，該參數(shù)與電荷泵工作增益有關(guān)，且模擬了導(dǎo)致電荷泵輸出V_OUT下降的電荷泵內(nèi)部損耗。由于此電壓的下降幅度與電荷泵輸出電流成正比，所以損耗參數(shù)可被等效為一個(gè)電阻。