基于升压的负电荷泵白光LED驱动器的设置
概述
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。
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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。
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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。
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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）。
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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。
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结束语
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