白光LED (WLED)具有小外形和高亮度输出，是手机和其它便携设备小尺寸彩色显示屏的理想背光解决方案。然而，WLED用于单节锂离子(Li+)电池供电的设备往往会遇到一个问题。多数Li+电池的工作电压为3V至4.2V，而WLED的正向电压通常为3.5V至3.8V (电流为20mA时)。因此，Li+电池工作电压范围的低电压侧无法满足WLED偏置电压的要求。
通常采用以下两种方式来产生足够的WLED正向偏置电压：电容式电荷泵和基于电感升压电路。从效率和电池寿命上考虑，基于电感的电路通常是最佳选择。然而，此类电路需要额外增加昂贵的电感，必须进行仔细的布局和设计，以避免电磁和射频干扰。相比之下，电荷泵方案易于实现且成本低廉，但是它们往往效率较低，因此相应缩短了电池工作时间。
负电荷泵技术提供低成本、高效解决方案
Maxim的负电荷泵架构具有自适应切换功能，能够达到电感架构的效率(平均效率为85%)，并保留了无电感设计所具备的简单、低成本等优势。
这一创新架构采用自适应切换模式，为每个LED提供独立的供电、调光以及电流调节，使LED驱动效率提高12%，在便携产品中能够有效延长电池使用寿命、节省PCB空间。由于能够达到与电感设计同等的转换效率，大大提升了系统的能源利用率。
分数型电荷泵的效率提升
第一代WLED电荷泵方案内核采用基本的倍压拓扑结构(或2倍压模式)。2倍压电荷泵的效率为：
PLED/PIN = VLED × ILED/[(2 × VIN × ILED + IQ × VIN)]
其中IQ为电路的静态工作电流。
由于和WLED负载电流相比IQ往往很小，因此效率可近似估计为：
PLED/PIN ≈ VLED/2VIN
为了提高效率，第二代WLED电荷泵的输出并不始终为输入的整数倍。如果电池电压不够时，将采用1.5倍压电荷泵产生足够高的WLED驱动电压。1.5倍压电荷泵的转换效率为：
PLED/PIN = VLED × ILED/(1.5 × VIN × ILED + IQ × VIN)
≈ VLED/1.5VIN
可以看出，1.5倍压电荷泵大大提高了效率。对于3.6V电池电压和3.7V的WLED，效率从2倍压电荷泵的51%跃升至1.5倍压电荷泵的69%。
第三代WLED驱动器增加了1倍压模式。该模式下，当电池电压较高时，通过低压差电流调节器直接连接电池至LED。1倍压模式的效率为：
PLED/PIN = VLED × ILED/(VIN × ILED + IQ × VIN)
≈ VLED/VIN
当电池电压高到足以直接驱动WLED时，1倍压模式下的效率可超过90%。例如当电池电压为4V，WLED电压为3.7V时，效率为92%。
提高任意电池电压下的效率
最佳的WLED驱动器设计可针对给定电池电压和LED电压提供最有效的功率传输模式。随着电池(或WLED)电压的变化，设计方案也会相应改变模式。但是，电池电压较高时，开关损耗将会降低效率，而这些损耗往往是不必要的。当电池电压下降时，应该使驱动器尽可能长时间的处于高效率模式。不过，这就要求尽可能降低电源开关的损耗，相应的占用更多的空间，成本也随之升高。
正如上面所描述的，1倍压传输模式的效率最高，但该模式仅适用于电池电压高于WLED正向电压(VF)的情况。在电池电压尽可能低的应用场合采用1倍压模式的关键往往在于：降低1倍压模式旁路FET和电流调节器的压降。这些压降往往决定了串联损耗以及维持1倍压模式所需的最低输入电压。1倍压模式要求的最低电池电压等于：
VIN(MIN_1X) = VLED + 旁路pFET的RDS(ON) × (ILED + 电流调节器的VDROPOUT)
传统正电荷泵WLED方案采用了pFET旁路开关将电池电压连接至WLED，如图1所示。该FET的RDS(ON)通常为1Ω至2Ω。电阻的进一步降低往往是有限，因为电阻降低往往需要较大的FET，从而增加了功率器件的成本。
图1. 在1倍压模式下，正电荷泵采用内部开关将VIN旁路至WLED阳极。
当VIN不能满足1倍压传输模式的要求时，正电荷泵产生1.5x VIN或2x VIN来驱动WLED阳极。在正电荷泵架构下实现1倍压模式时，必须用一个额外的内部开关将VIN直接连至WLED阳极，从而旁路电荷泵。
当VIN无法驱动WLED时，负电荷泵结构也可以产生-0.5x VIN来驱动WLED阴极。然而，1倍压模式下这种结构并不需要将-0.5x VIN电荷泵输出旁路至地，这是因为电流调节器控制WLED电流使之直接从VIN流向地。因此，负电荷泵结构可扩展1倍压模式，VIN最低可为：
VIN(MIN_1X) = VLED + 电流调节器的VDROPOUT
图2为1倍压模式负电荷泵电流路径。该电路不需要pMOS旁路开关，它直接调节VIN至地之间的WLED电流。如果总ILED为100mA (即，5个WLED × 20mA)，则在2Ω的pMOS旁路开关的压降将为200mV。放电时，锂离子电池电压将稳定在3.6V至3.8V (典型值)之间。按照典型锂离子电池放电曲线，1倍压模式下工作电压提高200mV，效率将明显提高。
图2. 当驱动器切换到负电荷泵模式时每个WLED可单独切换，提高了总体效率。
提高任意LED正向电压时的效率
对于传统1倍压/1.5倍压正电荷泵WLED驱动器，WLED阳极接电荷泵输出。如果WLED不匹配，当电压裕量(VIN - VLED)不能够满足最坏情况下的WLED正向电压时，驱动器必须切换到1.5倍压模式。
对于负电荷泵结构，无需因为只有一个WLED的正向电压不满足要求就放弃高效的1倍压模式，如图2所示，模式复用电路为每个WLED单独选择1倍压模式或-0.5倍压模式，从而最大程度提高整体效率。
图3. MAX8647/MAX8648电荷泵WLED驱动器切换到负电荷泵模式时每个WLED可单独进行模式切换，提高了效率。
总结
传统方案中，采用电荷泵的WLED背光设计往往比基于电感设计方案的效率低。当任意一路WLED的电流低于预定水平时，正电荷泵结构将切换模式，不再工作在效率最高的1倍压模式。因此，当系统采用大量WLED并且具有较高正向电压失配时，将浪费大量功率。
负电荷泵结构克服了正电荷泵设计通常具有的效率低下的缺点。诸如MAX8647/MAX8648的器件采用了负电荷泵结构，同时可对每个LED单独切换模式，可显著提高效率并延长电池工作时间。这些WLED驱动器为设计人员提供电感电路一样的效率，同时仍保持电荷泵方案所具有的简单和低成本的特点。
本文关键字：负电荷 元器件特点及应用，元器件介绍 - 元器件特点及应用
