在手機和" target="_blank">手機和其他移動設備中，白光LED" target="_blank">LED能為小尺寸彩屏提供完美的背光效果,。但大部分手機使用單節(jié)鋰電池供電,，而單節(jié)鋰電池很難直接驅(qū)動白光LED。通常鋰電池的工作電壓范圍為3～4.2V,，而白光LED的導通壓降是 3.5～4.2V（20mA）,。因此，鋰電池電壓降低后將無法直接驅(qū)動白光LED,。

　　為了給白光LED提供足夠的正向壓降,，可以使用基于電容的電荷泵或基于電感的升壓電路?？紤]到效率和電池壽命,，基于電感的轉(zhuǎn)換器可能是最好的選擇，但是額外的電感會增加系統(tǒng)成本,。而且,，由于EMI和RF干擾，電感型升壓電路需要仔細的設計和布板,。與之相比,，電荷泵解決方案具有價格便宜,、易使用等優(yōu)勢,，但效率較低，縮短了電池使用壽命,。

　　隨著電荷泵設計技術的改進,，新型白光LED驅(qū)動芯片，如Maxim等公司的芯片,，不但可以獲得電感升壓電路的效率（大約85％）,，而且可以保持傳統(tǒng)電荷泵設計的簡捷,、低成本等優(yōu)勢。

　　分數(shù)電荷泵及其對效率的影響

　　第一代白光LED驅(qū)動電荷泵的基本架構是倍壓或2x拓撲,，2倍壓電荷泵的工作效率為：

　　PLED/PIN=VLED×ILED/(2×VIN×ILED+Iq×VIN)

　　其中,，Iq是電路的靜態(tài)電流，因為Iq非常小,，上式可近似等效為：

　　PLED/PIN≈VLED/(2VIN)

　　為了提高效率,，第二代白光LED驅(qū)動電荷泵的輸出不再是輸入電壓的整數(shù)倍。如果電池電壓足夠,，LED驅(qū)動器將產(chǎn)生1.5倍壓輸出,，1.5倍壓電荷泵的轉(zhuǎn)換效率為：

　　PLED/PIN=VLED×ILED/(1.5×VIN×ILED+Iq×VIN)≈VLED/(1.5VIN)

　　從上式可明顯看出：1.5倍壓電荷泵的效率顯著提高了。假設電池電壓為3.6V,，LED電壓為3.7V,，效率從2倍壓電荷泵的51％提高到69％。

　　第三代電荷泵引入的1倍壓模式進一步提高了效率,。當電池電壓足夠高時,，通過一個低壓差電流調(diào)節(jié)器直接將電池連接到LED，此時,，效率可以通過下式表示,。

　　PLED/PIN=VLED×ILED/(VIN×ILED+Iq×VIN)VLED/(VIN)

　　當電池電壓足以驅(qū)動白光LED時，1倍壓模式的效率超過90％,。如果電池電壓為4V,，LED導通壓降為3.7V，則效率可達92％,。

　　在不同電池電壓下獲得最高效率

　　1倍壓轉(zhuǎn)換模式效率最高,，但只能用于電池電壓高于LED正向壓降的情況下。為了獲得最高效率,，白光LED驅(qū)動器設計要求綜合考慮電池和LED電壓,，當電池電壓（或LED電壓）改變時需要相應地改變驅(qū)動器的工作模式。但是,，如果在電池電壓較高時（而非必要的條件下）改變工作模式,，開關損耗可能使電路進入低效率模式。當電池電壓下降時,，最好盡可能地使驅(qū)動器保持在高效模式（例如1倍壓模式）,，對于功率開關而言，為了得到低損耗,，芯片面積和成本都將提高,。

　　為了保持1倍壓模式能夠工作在盡可能低的電池電壓下，要盡可能降低1倍壓模式調(diào)整管FET和電流調(diào)節(jié)器的壓降,。壓降決定了串聯(lián)損耗和所能維持的1倍壓模式的最低輸入電壓,。最小輸入電壓由下式表示：

　　VLED+Bypass PFET RDS(ON)×ILED+VDROPOUT

　　傳統(tǒng)的正電荷泵白光LED解決方案采用PMOS FET作為旁路開關連接電池和LED,，如圖1所示。FET的導通電阻RDS(ON)大概是1～2Ω,。更小的導通電阻將受限于芯片面積和成本,。導通電阻越小，芯片面積越大,，成本也越高,。

　　當輸入電壓不足時,，正壓電荷泵產(chǎn)生1.5倍壓或2×VIN的輸出,，用來驅(qū)動白光LED的陽極。為了在正壓電荷泵中采用1倍壓結構,，我們必須使用一個內(nèi)部開關旁路VIN和白光LED的陽極,。當輸入電壓不足時，負壓電荷泵能夠產(chǎn)生-0.5VIN輸出,，驅(qū)動白光LED的陰極,。工作在1倍壓模式時，負壓電荷泵結構不需要旁路-0.5VIN到地,，因為電流調(diào)節(jié)器直接控制LED電流從VIN流入GND,。由此擴展了1倍壓模式的工作電壓：VLED+VDROPOUT

　　圖2顯示了1倍壓模式下負壓電荷泵的電流路徑，沒有P溝道MOSFET旁路開關,，WLED調(diào)節(jié)電流直接通過VIN流入GND,。如果ILED總電流為100mA，P溝道MOSFET的導通電阻為2Ω,，則旁路開關壓降為200mV,。因為鋰電池主要工作在3.6～3.8V，對于典型的Li+電池放電曲線,，200mV壓差,、1倍壓模式的負壓電荷泵可以顯著提高效率。
 

　　在不同LED正向壓降下獲得最高效率

　　傳統(tǒng)的1倍壓/1.5倍壓正電荷泵白光LED驅(qū)動器,，LED的陽極連接在電荷泵的輸出,。如果LED不匹配，即每個LED的正向?qū)▔航挡煌瑫r,，如果(VIN-VLED)不足以支持最大正向?qū)▔航?，則將驅(qū)動器切換到1.5倍壓模式。這種情況下可能只有一個LED不能滿足導通電壓的要求,，而電荷泵就必須放棄高效的1倍壓模式,。負壓電荷泵則不同,，可以通過多路開關分別選擇1倍壓模式或-0.5倍壓模式,。因此,，如果某個LED需要較高壓降，則不需要將所有通道轉(zhuǎn)到-0.5倍壓模式,。例如,，MAX8647/48驅(qū)動器，當輸入電壓不能驅(qū)動導通電壓最高的LED時,，僅僅打開需要負壓電荷泵驅(qū)動的LED通道,，其他LED仍然保持1倍壓工作模式。獨立的LED開關可以在不同時刻,、不同VIN下切換到-0.5倍壓工作模式,。

　　結論

　　負壓電荷泵白光LED驅(qū)動器能夠分別切換各個通道的工作模式，與1倍壓/1.5倍壓正電荷泵LED驅(qū)動方案相比,，顯著提高了工作效率,，如圖3所示。