過(guò)去幾年間，便攜式設備的顯示器與鍵盤(pán)發(fā)光功能對白光 led 驅動(dòng)器的需求快速增長(cháng)，這種增長(cháng)源于彩色顯示屏的出現，特別是移動(dòng)電話(huà)與其他手持設備中的有源矩陣 lcd 推動(dòng)。幾乎所有電源管理廠(chǎng)商都提供白光 led 驅動(dòng)器，不過(guò)市場(chǎng)基本分為兩大陣營(yíng)。有人喜歡充電泵解決方案，而有人則喜歡升壓轉換器解決方案。選擇升壓轉換器的理由很簡(jiǎn)單，如效率較高等。本文將對比充電泵解決方案與升壓轉換器解決方案的具體因素，并討論可能存在的電磁干擾 (emi) 問(wèn)題。
針對白光 led 驅動(dòng)器選擇升壓轉換器或充電泵解決方案時(shí)，重要的是考慮兩種解決方案的所有具體因素。我們應當認識到，不同的最終應用對白光 led 驅動(dòng)器的要求可能差別極大，這點(diǎn)非常重要。舉例來(lái)說(shuō)，對于 lcd 模塊制造商而言，組件高度可能是最重要的設計參數，而對于個(gè)人數字助理 (pda) 制造商來(lái)說(shuō)，最重要的設計參數則可能是效率問(wèn)題。圖 1 顯示了白光 led 充電泵驅動(dòng)器的典型應用，這里使用的器件為tps60230。
tps60230 通常由鋰離子電池直接供電，典型電壓范圍為 3.0 ~ 4.2v ，可同時(shí)為最多 5 個(gè) led 供電，每個(gè)電流為 20ma。圖 2 顯示了典型的白光 led 驅動(dòng)器 tps61062，這是一種升壓轉換器解決方案。
圖 2 所示的升壓轉換器是 ic 技術(shù)的最新開(kāi)發(fā)成果之一，作為全面集成的同步升壓轉換器，無(wú)需外接肖特基二極管。這就能夠實(shí)現尺寸最小的解決方案，所需的外部組件數量最少�；趫D 1 與圖 2 所示的解決方案，我們將討論升壓轉換器與充電泵解決方案最重要的設計參數以及二者之間的差異。不過(guò)，二者設計當中也有相同之處，我們也可將充電泵與升壓轉換器白光 led 驅動(dòng)器加以比較。
效率——充電泵與升壓轉換器的對比
我們幾乎很難籠統地說(shuō)充電泵解決方案就是一個(gè)高效的解決方案，這是因為整體效率取決于 led 正向電壓、鋰離子電池放電特性以及 led 電流等具體應用參數，他們基本上決定著(zhù)充電泵的工作模式。圖3顯示了充電泵解決方案的典型效率曲線(xiàn)。當轉換器工作在“ldo 模式”情況下時(shí)，增益為 1，輸入電壓范圍從 4.2v 降至 3.6v 不等，效率水平高于 75%，如圖 3 所示。在 ldo 模式中，充電泵的作用就像ldo一樣，輸入電壓經(jīng)穩壓降至 led 正向電壓，通常為 3.1~ 3.5v。ldo 模式的另一積極作用是，器件不發(fā)生開(kāi)關(guān)交換，因此可以避免 emi 問(wèn)題。
但是，根據led正向電壓以及驅動(dòng)器ic內部電壓下降的情況不同，在驅動(dòng)器從“ldo模式”轉為升壓模式 (boost mode) 而采用的增益為 1.5 時(shí)，效率會(huì )大幅下降。在升壓模式下，器件發(fā)生交換開(kāi)關(guān)，內部生成的電壓軌比輸入電壓高 1.5 倍，這需要進(jìn)行調節，降至 led 正向電壓的水平，這就降低了效率。因此，驅動(dòng)器工作在 ldo 模式下的時(shí)間越長(cháng)，充電泵效率就越高。
與充電泵解決方案不同，升壓轉換器 tps61062（如圖 4 所示）在鋰離子電池的整個(gè)輸入電壓范圍下效率均達到 75% ~ 80%。某些升壓轉換器解決方案在使用外部校正器二極管的情況下其效率甚至高達 85%，如 tps61042。如果為少于 5 個(gè)led 供電，那么效率甚至還會(huì )提高，因為輸入到輸出電壓轉換之比較低�？傮w說(shuō)來(lái)，升壓轉換器的效率比充電泵解決方案略高，特別在為 4 個(gè)乃至更多 led 供電時(shí)更是如此。
解決方案尺寸——充電泵與升壓轉換器的對比
過(guò)去，充電泵解決方案是明顯的優(yōu)勝者，這主要是由于升壓轉換器采用較大的感應器和外部肖特基二極管。隨著(zhù)最新技術(shù)的發(fā)展以及更高的集成度，升壓轉換器的解決方案尺寸大小也達到與充電泵解決方案大致相當的水平。由于充電泵驅動(dòng)器所需的引腳數量較大，因此器件封裝也相應較大，需要兩個(gè)外部快速電容器 (flying capacitor)，在這種情況下，充電泵解決方案的大小與升壓轉換器相當甚至還要再大些。如果我們將升壓轉換器的開(kāi)關(guān)頻率上升至高達 1mhz，就能使用小型的感應器、輸出和輸入電容。此外，tps61062 的內部控制回路經(jīng)過(guò)設計，可讓感應器電流通常不達到正常操作下的最大交換電流。這就使我們能采用較小的感應器，其最大額定電流剛好達到感應器的最大峰值電流。例如，我們向 4 個(gè) led 供電時(shí)，飽和電流為 200ma 的感應器就足夠了。如果沒(méi)有特定的內部環(huán)路設計，感應器飽和電流必須額定為 400ma，這就要求更大的感應器，感應器內核也較大.
組件高度——充電泵與升壓轉換器的對比
特別當組件高度小于 1mm 的情況下，感應器會(huì )相當大。因此當組件高度必須小于1mm 時(shí)，充電泵解決方案可能是更好的選擇。
emi 考慮事項——充電泵與升壓轉換器對比
本部分不討論如何滿(mǎn)足任何國際電磁兼容性 (emc) 標準（如 ce[符合歐洲標準]等）。我們將集中討論無(wú)線(xiàn)系統由于使用開(kāi)關(guān)轉換器造成的射頻 (rf) 失真問(wèn)題。電磁干擾 (emi) 總是我們需要考慮的問(wèn)題，特別在無(wú)線(xiàn)應用方面更是如此，在這種情況下我們必須避免發(fā)射機與接收機頻帶的失真。
在考慮到 emi 問(wèn)題時(shí)，設計人員仍是總想采用充電泵解決方案，這有些令人吃驚。人們這樣做的原因之一可能是因為“害怕”升壓轉換器所要求的感應器會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。通常說(shuō)來(lái)，可能的電磁輻射不會(huì )是大問(wèn)題，因為 rf 敏感區周?chē)母袘魇瞧帘蔚�，具有電磁屏蔽，大多�?rf 應用中都是這種情況。電感式增壓轉換器造成emi 問(wèn)題的最可能的“真實(shí)”原因在于，輸入和輸出電壓過(guò)濾不足造成傳導放射，或印刷電路板 (pcb) 布局不理想。不良的 pcb 布局和組件放置是造成 emi 的主要原因之一，甚至也是升壓轉換器不穩定的罪魁禍首。
在鋰離子電池供電的無(wú)線(xiàn)系統中，白光 led 驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入 rf 系統，與白光 led 驅動(dòng)器的輸入耦合。帶有脈動(dòng)輸入電流的白光 led 驅動(dòng)器輸入直接連接至電池電極。由于 rf 部分也由電池供電，因此白光 led 驅動(dòng)器輸入端的開(kāi)關(guān)噪聲也存在于電池電極處，同時(shí)也存在于 rf 電路的輸入端，這會(huì )導致嚴重的干擾。為了明確哪種 led 驅動(dòng)器解決方案在傳導 emi 方面的性能更好，我們應比較升壓轉換器與充電泵解決方案的輸入電壓紋波。
一種評估解決方案的辦法就是用頻譜分析儀檢查輸入端。如果器件以固定的開(kāi)關(guān)頻率工作，那么頻譜將顯示基波的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波。圖 5 顯示了用頻譜分析儀測量升壓轉換器 tps61062（帶有標準的1 f輸入電容）輸入端的例子。
圖 5 顯示了頻率為 1mhz 時(shí)的基本情況，諧波在更高的開(kāi)關(guān)頻率上。為了將 rf 部分的干擾降至最低，基波頻率及其諧波應盡可能高，振幅則應保持較低。這是因為轉換器的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )與發(fā)射機的載頻相混合，使邊帶也有載頻。邊帶出現在發(fā)射機的輸出頻帶中，剛好比發(fā)射機頻率高和低一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)頻率越低，邊帶離載頻就越近，可降低發(fā)射機的信噪比。開(kāi)關(guān)頻率越高，邊帶離載頻就越遠，并加大發(fā)射機的信噪比。當然，轉換器開(kāi)關(guān)頻率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因為如此，固定的轉換器開(kāi)關(guān)頻率等于及高于 1mhz 時(shí)，通常適合大多數應用的要求。
我們不查看輸入頻譜，而是用示波器測量輸入電壓紋波，圖 6 及圖 7 顯示了升壓轉換器與充電泵解決方案的情況。
圖 6 顯示了交換節點(diǎn) ch1 及 ch2 上的輸入紋波電壓。如僅采用 1 f 輸入電容，峰到峰值輸入紋波電壓為 32mv。圖 7 顯示了充電泵解決方案的類(lèi)似輸入紋波電壓（輸入電容也為 1 f，為 5 個(gè) led 供電）。
在相同設置下，充電泵解決方案的輸入紋波電壓是升壓轉換器解決方案的兩倍。這是由于充電泵工作于 1.5 增益模式下會(huì )生成幾乎為方形波的輸入電流。作為輸入濾波器，充電泵只有輸入電容。而升壓轉換器帶有電感及輸入電容，可更好地完成輸入濾波器的工作，從而實(shí)現較低的輸入電壓紋波。為了進(jìn)一步降低輸入電壓紋波，在采用升壓轉換器以及充電泵解決方案時(shí)最有效的方法就是增加輸入電容的值。就非常敏感的應用而言，我們還可考慮增加額外的 lc 輸入濾波器，這要用到較小的鐵氧體磁珠。
結論
我們可以清楚地看到，充電泵解決方案滿(mǎn)足不了所有的應用，升壓轉換器解決方案也是如此。選擇解決方案時(shí)要根據具體的最終應用要求及關(guān)鍵參數來(lái)考慮。此外，我們也清楚地認識到，充電泵解決方案在 emi 方面并不優(yōu)于升壓轉換器解決方案。表 1 總結了選擇充電泵或升壓轉換器解決方案時(shí)的重要選擇標準。
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