负电荷泵白光LED驱动器的设计

当前许多便携式消费类电子产品，例如手机、PDA、MP3播放器、笔记本等都带有显示屏，虽然不同的应用对于显示屏的种类以及大小会有所不同，但对于广大设计人员来说，都需要为其设计背光电路。白光LED被认为是小型手持设备彩色显示器的理想背光源。
驱动白光LED的最简单方法是采用电压源通过一个镇流电阻驱动LED（如图1所示）。这种驱动方式的优点是选择电压源的余地很大，调节器与LED之间只需要一个连接端点。但缺点也同样明显：其一，效率低下，这主要是由于镇流电阻的损耗造成的；其二，LED电流的稳流能力差，控制不精确，由于温漂以及LED的不匹配造成的LED正向电压的变化，将使最终的LED电流产生较大变化，从而影响背光亮度的控制。

因此，理想的白光LED驱动方式是采用恒流驱动，它能避免白光LED由于温漂造成的电流波动，或者由于LED不匹配造成的亮度不均，可以产生一个可控的LED正向电流。此时驱动器不需要输出稳定电压，只需控制流过LED的电流恒定，即可实现可控的亮度控制。
常见拓扑结构比较
LED的发光强度与流过LED的电流有关，电流越大，光强越高。常见数码相机和蜂窝电话中一般需要2至3个LED作为背光，而PDA中则一般需要3至6个LED背光。可以通过并联或者串联的方式驱动LED，这两种方式各有优缺点：串联方案中LED电流一致，电路控制简单，但需要较高的驱动电压；并联方案的电路较为简单，所需的驱动电压也较低，但LED数目较多时，需要多个控制通道，同时电流的一致性也较差。
LED驱动器从拓扑结构上分，主要可以分为基于电感的DC/DC驱动器以及基于电容的电荷泵驱动器，当然也有少数LED驱动器采用线性稳压器的驱动架构。由于基于电感的驱动器能够提供比较宽范围的输出电压，效率高，因此在很多设计中均采用基于电感的驱动器结构驱动多个串联LED。而基于电容的电荷泵驱动器省去了所需的外部电感，具有体积小、设计简单、成本低的特点，也比较受欢迎。由于基于电荷泵的LED驱动器只能产生输入电压的倍数(如：1.5倍、2倍)，有限的驱动电压使基于电荷泵的LED驱动器常用于并联驱动多个LED。至于采用线性稳压器的LED驱动架构，由于效率较低，并且只能工作于降压条件下，因此应用范围较为受限，无法用于采用单节Li+电池供电的手持设备。本文主要讨论基于电感的DC/DC驱动器和基于电容的电荷泵驱动器这两种常见的拓扑结构。
为适应便携式产品的应用需求，MAXIM提供了多种拓扑结构的LED驱动器，包括基于电感的LED驱动器，以MAX1553-MAX1554为代表，还包括MAX1561、MAX1582等器件；以及基于电容的电荷泵驱动器，以MAX1570为代表，其他产品还有MAX1575、MAX1576等。
      MAX1553-MAX1554是一款高效、40V升压转换器，可用于驱动2-10只串联白光LED，为蜂窝电话、PDA和其它手持设备提供高效率的背光显示。该升压转换器内置40V、低RDSON的N沟道MOSFET开关，大大提高了转换效率并有效延长电池寿命。该器件具有模拟/PWM两种模式的亮度调节方法，独立的使能输入还可用于开/关控制。软启动功能可以有效抑制启动过程的浪涌电流。器件还具有可调节的过压保护电路，当检测到输出过压时，可关断内部MOSFET，从而降低输出电压。图2为MAX1553典型工作电路。
MAX1570分数型电荷泵能够以恒定电流驱动多达5只白色LED，来获得均匀的亮度。MAX1570利用1倍/1.5倍分数型电荷泵和低压差电流调节器，在整个Li+电池供电电压范围内保持最高的效率。MAX1570工作在1MHz固定频率，允许选用小巧的外部元件。经过优化的电流调节结构保证低EMI和低输入纹波。器件可以利用一个外部电阻设置满量程LED电流，两个数字输入控制开/关或选择三级亮度中的一级。器件还可采用脉宽调制(PWM)信号调节LED的亮度。MAX1570典型工作电路见图3。

从图2和图3中，可以看出基于电感的LED驱动器与基于电容的电荷泵型LED驱动器相比，电路结构较为复杂；功率电感的选取对电路性能的影响较大，对很多设计人员来说是一个难点；此外电感体积也较大，比较占用电路板空间。基于电容的电荷泵型LED驱动器仅需少数几个电容，设计较为简单，节省了电路板空间。然而，基于电感的LED驱动器与电荷泵型LED驱动器相比，在效率方面有较明显的优势，MAX1553在LED工作电流范围以内基本可以保持80%左右的效率（见图4a），且效率随电流变化波动较小，而MAX1570电荷泵型LED驱动器的效率在LED的工作电流范围内有较大波动，且轻载时的效率将低于80%（见图4b）。

可见，基于电容的电荷泵型LED驱动器虽然具有设计简单，节省电路板空间等优点，但它相对低的效率却往往限制了器件的运用，尤其对于效率敏感的应用，例如手持设备中的手机、PDA等产品，人们往往希望电池有足够长的供电时间。针对这一需求，MAXIM推出了新型负电荷泵LED驱动器，与传统的正电荷泵LED驱动器相比，该器件的效率提高了12%，大大降低了驱动方案的功耗。 
高效率的新型负电荷泵LED驱动器
MAX8647能以恒定电流驱动6个白光LED或2组RBG LED，适合于显示屏背光或娱乐照明等应用。通过负电荷泵和自适应超低压差电流调节器，这些器件可在1节Li+电池的整个输入电压范围内、甚至在LED正向电压存在较大失配时仍然保持极高的效率。图5给出了MAX8647典型应用电路图及内部原理框图。

传统正电荷泵型LED驱动器的电荷泵位于输入电源(通常是电池)与全部LED之间，当输入电源下降到一定的值，导致任意一个LED正向压降不足时，正电荷泵打开，此时VF较低的那些LED将消耗更多的功率。以图3中的LED5和LED6为例，假设LED5的正向压降VF5 > VF6。当VIN下降到低于VF5 + 0.15V（电流调节器正常稳流的正向压降），整个电荷泵将切换到1.5倍模式，使VOUT提高到VIN的1.5倍，保证LED5的完全导通，但由于传统的正电荷泵架构的电荷泵串联于VIN和LED之间，无法动态切换各路LED的输出，那些VF较低的LED所对应的调节器回路将消耗额外的功耗（例如LED6，其他路同理），从而降低了整个驱动器的效率。
      MAX8647这一新型负电荷泵消除了输入电源与LED之间的线路阻抗，器件所具有的自适应切换技术可对每个LED进行动态切换，对各路LED实现独立的供电、调光和稳流。当某路LED正向压降不够时，器件内部负电荷泵启动，将NEG的电压稳定到不超过VIN?5V的电压上，同时独立地将该路LED的电流回路从GND切换到NEG，而不是将全部LED的电流回路同时切换过来。例如，图5中的LED5和LED6，同样假设LED5的VF5 > VF6。当VIN较高时，负电荷泵关闭。随着能量的消耗，当VIN降低到LED5上的正向压降不足时，器件启动负电荷泵，LED5率先将LED的电流回路切换到NEG上，而LED6仍然保持原来状态，从而使整个LED驱动器的效率得到提高。这一独特的拓扑结果可显著提高电池寿命，使效率提高大约12%。图6显示了MAX8647与传统电荷泵型LED驱动器效率的对比关系。

此外，MAX8647还带有I2C串行接口，可进行独立的主屏或子屏背光开启/关闭以及亮度控制；电流可在24mA至0.1mA范围内以伪对数形式分32级进行设置；具有温度降额功能，保证设定为24mA满幅输出电流时的安全，当环境温度高于+60℃时，器件以2.5%/℃降低电流，以保护LED。同时，该器件还提供了热关断功能（当IC温度超过160℃时关断IC）以及开路和短路保护。
结束语
MAX8647负电荷泵白光LED驱动器，在具备电荷泵型LED驱动器所具有的小尺寸、设计简单等共有优点外，相对于正电荷泵LED驱动器，效率提高了12%，它适用于各种效率敏感的手持设备，包括蜂窝电话、智能手机以及媒体播放器等。