一种新型的LED升压驱动器架构解析

LCD面板中的LED背光灯是笔记本和平板电脑应用中最大的耗电量。随着屏幕分辨率和亮度级别的增加，LED背光灯消耗的输入功率也随之增加。市场上现有的常规LED驱动器正在达到峰值性能，并且在效率没有进一步提高的情况下达到顶峰。

因此，需要一种新型的LED升压驱动器架构来实现显着的效率性能突破，以实现用于下一代笔记本和平板电脑设计的低功耗LCD面板。本文讨论了一种新的LED升压架构，并概述了其与传统LED升压驱动器相比的优势。

传统的LED升压架构

当今的常规LED升压驱动器使用单级异步升压DC-DC架构。之所以使用这种DC-DC架构，是因为LED灯串需要高输出电压。由于具有高输出电压，因此在LED升压驱动器中集成用于同步转换器的高压，大尺寸P沟道MOSFET的经济意义不大。

此外，异步转换器中肖特基二极管中的正向压降仅影响效率0.5％至1％。由于这两个原因，异步升压架构是当今LED升压驱动器的首选方法。传统LED升压驱动器的简化电路如图1所示。

图1简化的电路图显示了传统的LED升压架构。资料来源：pSemi

常规的LED升压架构是易于使用的电路，但有几个缺点。由于转换比的增加，效率随着输出电压（VOUT）的增加而降低。这迫使许多应用使用较少的串联LED来降低输出电压，但同时也增加了并联LED串的数量。更多的并行LED串需要更宽的边框以容纳更多的布线。由于LED电流吸收器的调节电压（VREG）损失更大，因此这种传统架构还会降低系统效率。对于0.4V的典型VREG和24V的VOUT，VREG造成1.67％的系统效率损耗（VREG损耗= VREG/ VOUT* 100％）。图2显示了两个不同的VOUT电平对效率的影响。

图2注意，在5W输出功率水平下，随着VOUT从26V增加到34V，效率下降了约2％。资料来源：pSemi

在常规架构中，必须使用更大的电感器以保持高效率。这种架构占用了更多的电路板空间并增加了成本，使得低调设计更具挑战性。

如果VOUT短接到GND，则异步架构会在VIN和GND之间建立一条路径，从而增加了发生灾难性故障的可能性。预防性解决方案包括放置输入断开FET（例如图1中的Q1）或在VIN路径中放置保险丝。该解决方案需要额外的电路板空间，并增加了材料成本和系统效率损失。

两级LED升压架构

本文介绍的独特的LED升压使用两级DC-DC架构。第一级是基于电感的同步升压DC-DC转换器。第二阶段是专有的基于电容的电荷泵电路。该电荷泵电路提供从升压输出（VX）到LED VOUT的固定2x或3x转换，效率高达99％。不管输入或输出电压如何，该专有电荷泵电路均可提供高达99％的转换效率。它还具有降低EMI，降低输出纹波和无听得见的噪声的优势。

这些优势是通过专有的软充电，相位交错的架构来实现的，该架构的工作就像在100％的占空比中一样。同样，电容器是一种比电感器更有效的能量存储元件-效率大约高60到70倍。该第二级电荷泵从升压DC-DC转换器上卸载了大部分工作负载，提高了升压DC-DC效率，并实现了总体更高的系统效率。VOUT调节由升压级控制。图3显示了这种独特的LED升压架构的简化电路图。

图3此简化电路图显示了独特的LED升压架构。资料来源：pSemi

这种独特的体系结构具有多个优点。与传统的LED升压架构相比，使用高效的电荷泵电路可提供更高的效率。更高的效率会减小升压电路的输出电压范围，当VOUT增加时，对效率的影响较小。而且，与传统的LED升压相比，输入电压（VIN）上的效率更加一致，从而使运行时间随着电池的耗尽而变得更加一致。图4显示了随着VOUT增加而产生的效率。

图4请注意，在5W输出功率水平下，随着VOUT从26V增加到34V，效率下降了<0.5％。资料来源：pSemi

通过降低升压电路上的输出电压，由于占空比降低，可以使用小型且低成本的片式电感器。由于芯片电感器尺寸较小，该电感器的最大额定值为20V，以避免电感器内部泄漏或直通电流，使其不适合用于高VOUT应用的常规LED升压。与传统的LED升压架构相比，当减小电感器尺寸时，效率影响较小。

凭借独特的LED升压架构，较低的升压输出电压允许使用同步转换器，而无需外部二极管。

两级架构分多个阶段提高电压，电荷泵和升压电路中的每个FET在漏极至源极之间仅看到很小的电压阶跃。这种多步骤架构允许使用低得多的电压FET，从而降低了开关损耗。

电感上的压摆电压很小。与传统的单级架构相比，该架构使用了软充电电荷泵，可大大降低EMI和噪声。

图5显示了独特的两级升压架构与常规单级升压架构之间的效率比较。图6显示了功耗比较。

图5此图比较了独特的LED升压架构和传统LED升压架构的效率。资料来源：pSemi

图6功耗比较显示了独特的和传统的LED升压架构。资料来源：pSemi

两个器件的VOUT为34V，两个器件均使用4.7 µH电感器。但是，独特的LED升压架构使用的电感器是片式电感器DFE322512F-4R7M，可提供紧凑的3.2×2.5×1.2 mm外壳尺寸。传统的LED升压架构使用大型绕线电感器SPM5020T-4R7M，外壳尺寸为5.4×5.1×2.0 mm。

图7显示了效率测量中使用的片式电感器和绕线电感器之间的尺寸比较。

图7您可以看到薄型片状电感器（左）和常规绕线电感器（右）之间的尺寸差异。资料来源：pSemi

这种比较表明，与传统的单级体系结构相比，独特的两级体系结构具有很大的效率提升。在此测量中，效率差异高达8％。输出功率为5 W时效率为87％等于0.75 W的功率损耗，输出功率为5 W时93％效率则等于0.37 W的功率损耗。因此，独特的两级架构可在功率损耗方面节省多达0.37 W的功率。常规的单级体系结构。0.37 W的功率意味着移动计算设备的运行时间更长，LED升压电路的温度上升幅度也更低。

新的架构方法

LCD显示器中的LED背光驱动器是一个简单的电路，但在系统效率，电池运行时间，热管理和尺寸方面起着至关重要的作用。不幸的是，许多提高这种传统电路效率的研究工作都集中在优化工艺技术上，而不是在架构上进行创新。

本文提供了一个示例，说明了创新的架构思想如何带来许多好处，例如更高的效率，更低的工作温度，更小的解决方案和更小的轮廓解决方案。同样，它有助于降低EMI以减少系统干扰并更好地集成系统保护功能。

编辑：hfy