关于负电荷泵白光LED驱动器的设计方案，你知道吗？
你知道负电荷泵白光LED驱动器的设计吗?它有什么特点?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
【关于负电荷泵白光LED驱动器的设计方案，你知道吗？】 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 。以上就是负电荷泵白光LED驱动器的设计解析 ， 希望能给学习中的设计者一定的帮助 。
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