過(guò)去幾年間，便攜式設(shè)備的顯示器與鍵盤發(fā)光功能對(duì)白光 LED 驅(qū)動(dòng)器的需求快速增長(zhǎng)，這種增長(zhǎng)源于彩色顯示屏的出現(xiàn)，特別是移動(dòng)電話與其他手持設(shè)備中的有源矩陣 LCD 推動(dòng)。幾乎所有電源管理廠商都提供白光 LED 驅(qū)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(zhuǎn)換器解決方案。選擇升壓轉(zhuǎn)換器的理由很簡(jiǎn)單，如效率較高等。本文將對(duì)比充電泵解決方案與升壓轉(zhuǎn)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(duì)白光 LED 驅(qū)動(dòng)器選擇升壓轉(zhuǎn)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(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，不同的終應(yīng)用對(duì)白光 LED 驅(qū)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(duì)于 LCD 模塊制造商而言，組件高度可能是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，而對(duì)于個(gè)人數(shù)字助理 (PDA) 制造商來(lái)說(shuō)，重要的設(shè)計(jì)參數(shù)則可能是效率問(wèn)題。圖 1 顯示了白光 LED 充電泵驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)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(qū)動(dòng)器 TPS61062，這是一種升壓轉(zhuǎn)換器解決方案。

圖 2 所示的升壓轉(zhuǎn)換器是 IC 技術(shù)的開(kāi)發(fā)成果之一，作為全面集成的同步升壓轉(zhuǎn)換器，無(wú)需外接肖特基二極管。這就能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸的解決方案，所需的外部組件數(shù)量少?；趫D 1 與圖 2 所示的解決方案，我們將討論升壓轉(zhuǎn)換器與充電泵解決方案重要的設(shè)計(jì)參數(shù)以及二者之間的差異。不過(guò)，二者設(shè)計(jì)當(dāng)中也有相同之處，我們也可將充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器白光 LED 驅(qū)動(dòng)器加以比較。

效率——充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器的對(duì)比

我們幾乎很難籠統(tǒng)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?yàn)檎w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(yīng)用參數(shù)，他們基本上決定著充電泵的工作模式。圖3顯示了充電泵解決方案的典型效率曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)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(wěn)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(jù)LED正向電壓以及驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)部電壓下降的情況不同，在驅(qū)動(dòng)器從“LDO模式”轉(zhuǎn)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(nèi)部生成的電壓軌比輸入電壓高 1.5 倍，這需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，降至 LED 正向電壓的水平，這就降低了效率。因此，驅(qū)動(dòng)器工作在 LDO 模式下的時(shí)間越長(zhǎng)，充電泵效率就越高。

與充電泵解決方案不同，升壓轉(zhuǎn)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(dá)到 75% ~ 80%。某些升壓轉(zhuǎn)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(dá) 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?yàn)檩斎氲捷敵鲭妷恨D(zhuǎn)換之比較低?？傮w說(shuō)來(lái)，升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的對(duì)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(zhuǎn)換器采用較大的感應(yīng)器和外部肖特基二極管。隨著技術(shù)的發(fā)展以及更高的集成度，升壓轉(zhuǎn)換器的解決方案尺寸大小也達(dá)到與充電泵解決方案大致相當(dāng)?shù)乃?。由于充電泵?qū)動(dòng)器所需的引腳數(shù)量較大，因此器件封裝也相應(yīng)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(zhuǎn)換器相當(dāng)甚至還要再大些。如果我們將升壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率上升至高達(dá) 1MHz，就能使用小型的感應(yīng)器、輸出和輸入電容。此外，TPS61062 的內(nèi)部控制回路經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，可讓感應(yīng)器電流通常不達(dá)到正常操作下的交換電流。這就使我們能采用較小的感應(yīng)器，其額定電流剛好達(dá)到感應(yīng)器的峰值電流。例如，我們向 4 個(gè) LED 供電時(shí)，飽和電流為 200mA 的感應(yīng)器就足夠了。如果沒(méi)有特定的內(nèi)部環(huán)路設(shè)計(jì)，感應(yīng)器飽和電流必須額定為 400mA，這就要求更大的感應(yīng)器，感應(yīng)器內(nèi)核也較大。

組件高度——充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器的對(duì)比

特別當(dāng)組件高度小于 1mm 的情況下，感應(yīng)器會(huì)相當(dāng)大。因此當(dāng)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(xiàng)——充電泵與升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)比

本部分不討論如何滿足任何國(guó)際電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)（如 CE[符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)]等）。我們將集中討論無(wú)線系統(tǒng)由于使用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)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)線應(yīng)用方面更是如此，在這種情況下我們必須避免發(fā)射機(jī)與接收機(jī)頻帶的失真。

在考慮到 EMI 問(wèn)題時(shí)，設(shè)計(jì)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?yàn)椤昂ε隆鄙龎恨D(zhuǎn)換器所要求的感應(yīng)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?yàn)?RF 敏感區(qū)周圍的感應(yīng)器是屏蔽的，具有電磁屏蔽，大多數(shù) RF 應(yīng)用中都是這種情況。電感式增壓轉(zhuǎn)換器造成EMI 問(wèn)題的可能的“真實(shí)”原因在于，輸入和輸出電壓過(guò)濾不足造成傳導(dǎo)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(zhuǎn)換器不穩(wěn)定的罪魁禍?zhǔn)住?/P>

在鋰離子電池供電的無(wú)線系統(tǒng)中，白光 LED 驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入 RF 系統(tǒng)，與白光 LED 驅(qū)動(dòng)器的輸入耦合。帶有脈動(dòng)輸入電流的白光 LED 驅(qū)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(qū)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(dǎo)致嚴(yán)重的干擾。為了明確哪種 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案在傳導(dǎo) EMI 方面的性能更好，我們應(yīng)比較升壓轉(zhuǎn)換器與充電泵解決方案的輸入電壓紋波。

一種評(píng)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(cè)量升壓轉(zhuǎn)換器 TPS61062（帶有標(biāo)準(zhǔn)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，基波頻率及其諧波應(yīng)盡可能高，振幅則應(yīng)保持較低。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)與發(fā)射機(jī)的載頻相混合，使邊帶也有載頻。邊帶出現(xiàn)在發(fā)射機(jī)的輸出頻帶中，剛好比發(fā)射機(jī)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(jī)的信噪比。開(kāi)關(guān)頻率越高，邊帶離載頻就越遠(yuǎn)，并加大發(fā)射機(jī)的信噪比。當(dāng)然，轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因?yàn)槿绱耍潭ǖ霓D(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率等于及高于 1MHz 時(shí)，通常適合大多數(shù)應(yīng)用的要求。

我們不查看輸入頻譜，而是用示波器測(cè)量輸入電壓紋波，圖 6 及圖 7 顯示了升壓轉(zhuǎn)換器與充電泵解決方案的情況。

圖 6 顯示了交換節(jié)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(shè)置下，充電泵解決方案的輸入紋波電壓是升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)換器以及充電泵解決方案時(shí)有效的方法就是增加輸入電容的值。就非常敏感的應(yīng)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(jié)論

我們可以清楚地看到，充電泵解決方案滿足不了所有的應(yīng)用，升壓轉(zhuǎn)換器解決方案也是如此。選擇解決方案時(shí)要根據(jù)具體的終應(yīng)用要求及關(guān)鍵參數(shù)來(lái)考慮。此外，我們也清楚地認(rèn)識(shí)到，充電泵解決方案在 EMI 方面并不優(yōu)于升壓轉(zhuǎn)換器解決方案。表 1 總結(jié)了選擇充電泵或升壓轉(zhuǎn)換器解決方案時(shí)的重要選擇標(biāo)準(zhǔn)。