設計人員通常使用帶有電容電荷泵或電感器的升壓電路，為白光 LED （WLED） 提供必要的正向偏置。電荷泵更便宜，使用更簡單，但到目前為止，它們的效率也低于基于電感的升壓電路。本應用筆記介紹了一種負電荷泵設計，該設計既能實現基于電感的設計的效率，又能保持無電感設計的簡單性和低成本。

概述

白光 LED （WLED） 占用空間小，光輸出高，為蜂窩電話和其他便攜式設備中的小型彩色顯示器提供了理想的背光解決方案。然而，WLED在由單節鋰離子（Li+）電池供電的設備中確實存在一個困難。大多數Li+電池的工作電壓為3V至4.2V，而WLED的正向電壓通常為3.5V至3.8V （20mA時）。因此，Li+電池工作范圍下端的電壓輸出不足以偏置WLED。

通常使用兩種方法為WLED產生足夠的正向偏置：電容電荷泵和基于電感的升壓電路。傳統上，基于電感的電路一直是提高效率和電池壽命的最佳選擇。但是，它們需要增加昂貴的電感器，并且需要仔細的布局和設計以避免電磁和RF干擾問題。相比之下，電荷泵解決方案更容易實現，成本更低，但它們通常效率也較低，這可以減少電池運行時間。

負電荷泵技術可實現低成本、高能效的應用

ADI公司的負電荷泵架構具有自適應切換功能，使WLED驅動器IC能夠實現類似電感器的效率（平均85%），同時仍保持無電感設計的簡單性和低成本。

這種創新的拓撲結構采用自適應模式開關技術，可單獨為每個 LED 供電、調光和調節。這種方法可將 LED 效率提高 12%，延長電池壽命并節省便攜式應用中寶貴的 PCB 空間。通過提供與基于電感器的設計相當的效率，這些器件有效地降低了能效的價格點。

分數比電荷泵的效率改進

第一代WLED電荷泵解決方案的核心是基本的倍增器拓撲（或2倍模式）。2倍電荷泵的效率為：

PLED/PIN = VLED × ILED/[（2 × VIN × ILED + IQ × VIN）]

其中 IQ 是電路的靜態工作電流。

由于與WLED的負載電流相比，IQ通常很小，因此效率可以由以下公式近似：

鍍層/引腳 ≈ VLED/2VIN

為了提高效率，第二代WLED電荷泵并不總是將輸出驅動到輸入的整數倍。如果電池電壓足夠，則可使用1.5倍電荷泵產生足夠的LED驅動電壓。1.5倍泵的轉換效率為：

PLED/PIN = VLED × ILED/（1.5 × VIN × ILED + IQ × VIN）
≈ VLED/1.5VIN

可以看出，1.5倍泵大大提高了效率。采用 3.6V 電池電壓和 3.7V WLED 時，效率從 2x 泵的 51% 躍升至 1.5x 泵的 69%。

第三代WLED驅動器通過1倍轉換模式進行了進一步的改進，當電池電壓足夠高時，該模式通過低壓差電流調節器將電池直接連接到LED。這種效率描述如下：

PLED/PIN = VLED × ILED/（VIN × ILED + IQ × VIN）
≈ VLED/VIN

當電池電壓足以直接驅動WLED時，1倍模式效率可以超過90%。使用 4V 電池和 3.7V WLED 時，效率為 92%。

最大限度地提高每個電池電壓下的效率

最佳的WLED驅動器設計采用針對給定電池和LED電壓的最高效功率傳輸模式。該設計還會隨著電池（或WLED）電壓的變化而改變模式。然而，開關損耗可能會迫使電路在高于其他必要電壓時進入效率較低的模式。在電池電壓下降時，驅動器最好盡可能長時間地保持高效模式。然而，這種性能要求電源開關的損耗最小，因此需要更多的空間和成本。

如上所述，1倍傳輸模式可提供最佳轉換效率，但此模式只能在電池電壓大于WLED的正向電壓（VF).利用1x模式獲得盡可能低的電池電壓的關鍵通常集中在降低1x模式旁路FET和電流調節器的壓降上。這些壓降決定了串聯損耗和可維持 1x 模式的最小輸入電壓。1x 模式所需的最小電池電壓為：

VIN（MIN_1X） = VLED + 旁路 pFET RDS（ON） × （ILED + 電流穩壓器的壓降）

傳統的正電荷泵WLED解決方案使用pFET旁路開關將電池電壓連接到WLED，如圖1所示。該場效應管的 RDS（ON）典型值為1Ω至2Ω。進一步降低電阻是有限的，因為較低的電阻通常需要更大的FET，從而增加功率器件的成本。

圖1.在1x模式下，正電荷泵使用內部開關旁路V在到 WLED 的陽極。

當VIN不足以驅動1倍轉換模式時，正電荷泵產生1.5x VIN或2x VIN來驅動WLED陽極。為了在正電荷泵架構中實現1x模式，我們必須使用一個額外的內部開關將VIN直接路由到WLED的陽極，從而繞過電荷泵。

負電荷泵架構還可產生 -0.5x VIN 以在 VIN 不足以完成任務時驅動 WLED 陰極。但是，這種架構不需要在 1x 模式下將 -0.5x VIN 電荷泵輸出旁路至地，因為電流穩壓器直接控制 WLED 從 VIN 到地的電流。因此，負電荷泵架構將1倍模式一直擴展到：

VIN（MIN_1X） = VLED + 電流穩壓器的壓差

圖2顯示了帶有負電荷泵的1x模式的電流路徑。該電路不需要pMOS旁路開關，它直接從V調節WLED電流在接地。如果我發光二極管總電流為 100mA （即 5 個 WLED × 20mA），2Ω pMOS 旁路開關的壓降為 200mV。放電時，Li+電池電壓在3.6V至3.8V（典型值）電壓范圍內保持相對穩定。假設典型的Li+電池放電曲線，200x模式使工作電壓增加1mV可顯著提高效率。

圖2.當驅動器切換到負電荷泵模式時，每個WLED都可以單獨切換，從而提高整體效率。

最大限度地提高每個 LED 正向電壓下的效率

在傳統的 1x/1.5x 正電荷泵 WLED 驅動器中，WLED 陽極連接到電荷泵的輸出。如果 WLED 不匹配，則驅動程序必須在沒有足夠的 （V在- 五發光二極管） 裕量以支持最差的正向電壓 WLED。

采用負電荷泵架構，不再需要因為只有一個WLED的正向電壓不好而放棄高效的1x模式。如圖2所示，模式多路復用電路為每個WLED單獨選擇1x模式或-0.5x模式，從而最大限度地提高整體效率。

例如，MAX8647/MAX8648電荷泵驅動器在輸入電壓不足以驅動最高正向電壓WLED時開啟-0.5倍電荷泵。在這種情況下，器件僅驅動最高電壓FWLED 通過 -0.5x 負電源軌（而不是接地），而具有較低正向電壓的 WLED 仍處于 1x 模式。

為了進一步提高效率，MAX8647/MAX8648為WLED提供單獨的模式開關。該技術可在不同時間和不同電壓下自適應地將WLED切換到-0.5x模式在由于 V 引起的水平F不匹配或溫度變化（圖3）。

圖3.MAX8647/MAX8648電荷泵WLED驅動器的效率可以通過切換到負電荷泵模式和每個WLED的單獨模式開關來擴展。

總結

傳統上，采用電荷泵的WLED背光設計的效率低于基于電感的設計。當任何單個WLED電流低于預定水平時，正電荷泵架構從其最高效率模式（1x）切換。因此，具有大量WLED和大正向電壓失配的系統會浪費大量功率。

負電荷泵架構克服了正電荷泵設計中常見的低效率問題。MAX8647/MAX8648等器件采用這種負電荷泵架構，每個LED具有單獨的模式開關，可顯著提高效率并延長電池運行時間。這些WLED驅動器使設計人員能夠實現類似電感器的效率，同時受益于電荷泵解決方案提供的簡單性和成本節約。