圖1 TPS60230電荷泵驅(qū)動(dòng)白光LED的典型應(yīng)用電路

采用TPS61062升壓變換器驅(qū)動(dòng)白光LED的典型電路如圖2所示。如圖2所示的升壓變換器是IC技術(shù)的最新開發(fā)成果之一。作為全面集成的同步升壓變換器，它無須外接肖特基二極管就能夠達(dá)到尺寸最小的目的，所需的外部組件數(shù)量最少。

1.電荷泵與升壓變換器效率的比較

如圖2與圖3所示的解決方案，很難說哪一種解決方案就是一個(gè)高效的解決方案，這是因?yàn)檎w效率取決于白光LED正向電壓、鋰離子電池放電特性及白光LED電流等具體應(yīng)用參數(shù)等。基于電荷泵的解決方案的典型效率曲線如圖2-58所示。當(dāng)變換器工作在1倍壓模式情況下時(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%。在1倍壓模式中，輸入電壓經(jīng)穩(wěn)壓降至白光LED的正向電壓，通常為3.1～3.5V。1倍壓模式的另一優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)器件不工作在開關(guān)狀態(tài)，因此可以避免EMI問題。

圖2 TPS6l062升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)白光LED的典型電路

圖3 電荷泵解決方案的典型效率曲線

但是，由于LED正向電壓及驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)部電壓下降的情況不同，在驅(qū)動(dòng)器從1倍壓模式轉(zhuǎn)為升壓模式(boost mode)而采用的增益為1.5倍壓時(shí)，效率會(huì)大幅下降。在升壓模式下，開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，輸出電壓為輸入電壓的1.5倍，這需要對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使電壓降至白光LED所需正向電壓的水平，這就降低了效率。因此，驅(qū)動(dòng)器工作在1倍壓模式下，其時(shí)間越長，電荷泵效率就越高。

與電荷泵解決方案不同，升壓變換器TPS61062解決方案的典型效率曲線如圖4所示。在鋰離子電池的整個(gè)輸入電壓范圍下，其效率均可達(dá)到75%～80%。某些升壓變換器解決方案在使用外部校正二極管的情況下，其效率甚至高達(dá)85%。若TPS61042驅(qū)動(dòng)白光LED少于5個(gè)，那么效率還會(huì)提高，因?yàn)檩斎氲捷敵龅碾妷恨D(zhuǎn)換比較低?？傮w說來，升壓變換器的效率比電荷泵解決方案略高，特別在為4個(gè)以上白光LED供電時(shí)更是如此。

圖4 升壓轉(zhuǎn)換器TPS61062解決方案的典型效率曲線

2.電荷泵與升壓變換器占板面積的比較

過去，電荷泵解決方案是有明顯的優(yōu)勢(shì)的，這主要是因?yàn)樯龎鹤儞Q器采用了較大的電感器和外部肖特基二極管。隨著最新技術(shù)的發(fā)展及更高的集成度，升壓變換器的尺寸大小也達(dá)到了與電荷泵解決方案大致相當(dāng)?shù)乃?。由于電荷泵?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)外部泵電容，在這種情況下，電荷泵解決方案的占板面積大小與升壓變換器相當(dāng)，甚至還要再大些。如果將升壓變換器的開關(guān)頻率上升至高達(dá)1MHz，就能使用小型的電感器和小容量的輸出和輸入電容。如TPS61062可用其內(nèi)部控制回路來控制電感器電流，正常工作時(shí)電感器電流通常小于最大交換電流。這時(shí)就可采用較小的電感器，使其最大額定電流剛好達(dá)到電感器的最大峰值電流。如向4個(gè)白光LED供電時(shí)，采用飽和電流為200mA的電感器就足夠了。如果沒有特定的內(nèi)部環(huán)路設(shè)計(jì)，電感器的飽和電流必須為400mA的額定值，這就要求更大的電感器，從而會(huì)占用更大的占板面積。

3.電荷泵與升壓變換器組件高度的比較

當(dāng)組件高度小于1mm的情況下，電感器會(huì)相當(dāng)大。因此當(dāng)需要組件高度必須小于1mm時(shí)，電荷泵解決方案是更好的選擇。

4.電荷泵與升壓變換器EMI的比較

在考慮到EMI問題時(shí)，應(yīng)分析升壓變換器的電感器帶來的EMI問題。通常來說，可能的電磁輻射不會(huì)是大問題，因?yàn)镽E敏感區(qū)周圍的電感器是屏蔽的，故電感式升壓變換器造成EMI問題的原因?yàn)椋狠斎牒洼敵鲭妷簽V波不足從而產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，或印制電路板(PCB)布局或布線不理想而產(chǎn)生電磁干擾。

在鋰離子電池供電的無線電子設(shè)各中，白光LED驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)噪聲會(huì)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，其輸入端直接連接至電池電極端。由于RE部分也由電池供電，因此白光LED驅(qū)動(dòng)器輸入端的開關(guān)噪聲也存在于電

池連接處，同時(shí)也存在于RF電路的輸入端，這就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的干擾。為了明確哪種白光LED驅(qū)動(dòng)器解決方案在傳導(dǎo)EMI方面的性能更好，應(yīng)比較升壓變換器與電荷泵解決方案的輸入電壓紋波。

一種*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關(guān)頻率工作，那么頻譜將顯示基波的開關(guān)頻率及其諧波。

開關(guān)頻率為1MHz的升壓變換器的輸入頻譜如圖5所示，由圖5可知諧波在更高的開關(guān)頻率上。為了將RE部分的干擾降至最低，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)樽儞Q器的開關(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)頻率高或低一個(gè)開關(guān)頻率。開關(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，變換器開關(guān)頻率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因?yàn)槿绱?，固定的變換器開關(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。[!--empirenews.page--]

圖5 開關(guān)頻率為1MHz的升壓變換器的輸入頻譜

在相同設(shè)置下，電荷泵解決方案的輸入紋波電壓是升壓變換器解決方案的兩倍。這是由于電荷泵工作于1.5倍壓模式下會(huì)產(chǎn)生幾乎為方形波的輸入電流。作為輸入濾波器，電荷泵只有輸入電容，而升壓變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，在采用升壓變換器及電荷泵解決方案時(shí)最有效的方法就是增加輸入電容的值。對(duì)于非常敏感的應(yīng)用場(chǎng)合，還可考慮增加額外的LC輸入濾波器或采用較小的鐵氧體磁珠。

可以清楚地看到，電荷泵解決方案滿足不了所有的應(yīng)用需求，升壓變換器解決方案也是如此。選擇解決方案時(shí)要根據(jù)具體的最終應(yīng)用要求及關(guān)鍵參數(shù)來考慮。此外，電荷泵解決方案在EMI方面并不優(yōu)于升壓變換器解決方案。表1歸納了選擇電荷泵或升壓變換器解決方案時(shí)的重要選擇標(biāo)準(zhǔn)。

表1 電荷泵與升壓變換器解決方案的比較