為當今手持電子設(shè)備中的白光LED供電需要專門的穩(wěn)壓器。存在兩種常見的調(diào)節(jié)器樣式，每種樣式都有自己的優(yōu)點和缺點。本應(yīng)用筆記討論了每種穩(wěn)壓器的優(yōu)勢。MAX1561和MAX1573作為示例。

當今的手持式電子產(chǎn)品通常采用彩色LCD顯示屏，以白色LED作為背光。為白光LED提供最佳供電需要專門的穩(wěn)壓器，既要克服LED的高正向電壓，又要提供恒流驅(qū)動，以最大限度地減少電池電壓和LED之間的強度變化。為此，有兩種主流穩(wěn)壓器類型：基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器和基于電容的電荷泵轉(zhuǎn)換器。每種穩(wěn)壓器類型都有特定的優(yōu)點/缺點，因此最佳選擇取決于系統(tǒng)的特定優(yōu)先級。

本文比較了每種類型的先進穩(wěn)壓器，MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器和MAX1573電荷泵。評估每種穩(wěn)壓器類型的優(yōu)點，結(jié)論將有助于系統(tǒng)設(shè)計人員選擇合適的解決方案。MAX1561和MAX1573特別適合比較，因為兩款產(chǎn)品是同時設(shè)計的，在同一設(shè)施中采用相同的工藝制造，并且開關(guān)頻率相同，為1MHz。

原理圖復(fù)雜性：對電荷泵略有優(yōu)勢

圖1顯示了兩種穩(wěn)壓器解決方案的原理圖。電路很簡單，只需幾個外部元件，但升壓轉(zhuǎn)換需要一個電感器和肖特基二極管。（一些競爭的升壓轉(zhuǎn)換器集成了肖特基二極管，但通常會降低效率。

圖1.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器（a）和MAX1573電荷泵（b）是兩種先進的白光LED供電方案。電路復(fù)雜度相似，但電荷泵不需要電感。

效率：電荷泵略有優(yōu)勢

圖2顯示了兩種解決方案的效率。效率的測量方法是在標準化鋰離子電池C / 5放電曲線期間LED中的功率除以電池功率。18mA/LED的曲線表示正常背光亮度水平下的效率;升壓轉(zhuǎn)換器和電荷泵的平均值均為83%。圖中還顯示了2mA/LED處的曲線，表示長時間不活動期間變暗時的效率;與升壓轉(zhuǎn)換器的76%相比，電荷泵的平均效率高達59%。

圖2.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器（a）和MAX1573電荷泵（b）在Li+電池壽命內(nèi)，在83mA/LED下的平均效率均為18%。然而，當調(diào)光至2mA/LED時，電荷泵的效率遠高于升壓轉(zhuǎn)換器。

上述結(jié)果有些令人驚訝，因為大多數(shù)電荷泵的效率并不高。MAX1573具有1倍直通和1.5倍升壓電荷泵模式、自適應(yīng)模式切換和極低壓差線性電流調(diào)節(jié)器，可在電池電量下降時盡可能長時間地保持在更高效的1倍模式，從而獲得同類領(lǐng)先的效率。沒有1倍模式的舊式電荷泵通常只能獲得50%至67%的效率。此外，一些包含1倍模式的競爭電荷泵在大部分電池壽命中無法使用它，因此獲得的平均效率遠低于83%。

轉(zhuǎn)向升壓轉(zhuǎn)換器，MAX1561是業(yè)界效率最高的轉(zhuǎn)換器之一。盡管如此，如果進行權(quán)衡，效率是可能的。MAX1599就是一個很好的例子，它在87mA/LED時的效率為18%，在71mA/LED時的效率為2%。MAX1599與MAX1561完全相同，只是其振蕩器從1MHz減慢至500KHz，以降低開關(guān)損耗。由于頻率降低，電感的物理尺寸增加了一倍。

物理尺寸：電荷泵的優(yōu)勢

圖3顯示了兩種解決方案（包括外部元件）的PCB尺寸。雖然升壓轉(zhuǎn)換器的引腳數(shù)較少，可實現(xiàn)更小的 3mm × 3mm 封裝，但電感器的總占位面積更大，高度更高。接近1mm高度的電感器將需要比圖3所示更多的電路板空間。雖然電荷泵采用較大的4mm×4mm封裝，但它只需要四個小型1uF陶瓷電容。圖3（b）顯示的電容器尺寸為0603，但至少有三家制造商已經(jīng)提供更小的0402尺寸，如圖3（c）所示。對于空間極其受限的應(yīng)用，MAX1573電荷泵還提供2mm×2mm芯片級封裝，使整個電荷泵方案僅需11mm2.

圖3.由于需要電感器，升壓轉(zhuǎn)換器（a）比電荷泵（b）需要更多的電路板面積和高度。采用芯片級封裝和1uF 0402尺寸電容器，電荷泵解決方案（c）變得非常小。

系統(tǒng)靈活性：升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢

升壓轉(zhuǎn)換器的一個重要優(yōu)勢是，與電荷泵的并聯(lián)排列相比，LED是串聯(lián)連接的。如圖4（a）所示，這種串聯(lián)配置只需要升壓轉(zhuǎn)換器和LED之間的兩條走線。如果LED安裝在單獨的顯示模塊中，而升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵保留在主系統(tǒng)PCB上，則尤其具有優(yōu)勢。在這種情況下，升壓轉(zhuǎn)換器消耗較少的連接器端子。此外，可以在大量型號中使用相同的升壓轉(zhuǎn)換器電路，每個型號在顯示模塊中使用不同數(shù)量的LED。或者任何特定型號的顯示模塊可以隨時更改，而不會影響升壓轉(zhuǎn)換器電路。相反，可以更改升壓轉(zhuǎn)換器，而不會影響顯示模塊。這種 LED 串聯(lián)可顯著降低設(shè)計進度的風險。

為了使電荷泵高效，1x模式需要為每個LED安裝一個單獨的電流調(diào)節(jié)器，如圖4（b）所示。如果 LED 的數(shù)量發(fā)生變化，則 LED 的走線數(shù)量也必須發(fā)生變化。此外，有時還必須更改原理圖，以禁用未使用的電流調(diào)節(jié)器（例如，將未使用的電流調(diào)節(jié)器連接到MAX1573的IN）。如果將電荷泵更改為競爭解決方案，則會產(chǎn)生問題：未使用的電流調(diào)節(jié)器可能通過不同的方式禁用（例如，連接到OUT或保持浮動）;更糟糕的是，新的電荷泵可能設(shè)計為具有公共陰極而不是公共陽極的LED排列，因此需要進一步更改顯示模塊。

圖4.升壓轉(zhuǎn)換器 （a） 只有兩個連接到 LED，而電荷泵 （b） 需要多個連接。使用升壓轉(zhuǎn)換器時，靈活性更大，因為可以在不影響升壓原理圖的情況下更改 LED 數(shù)量，或者可以在不影響 LED 排列的情況下更改升壓轉(zhuǎn)換器 IC。對于電荷泵，LED的排列方式在某種程度上特定于所使用的特定IC。

紋波和噪聲：電荷泵的優(yōu)勢

由于電荷泵和升壓轉(zhuǎn)換器是開關(guān)穩(wěn)壓器，它們在其輸入和輸出上產(chǎn)生電壓和電流紋波，并從電感和開關(guān)節(jié)點輻射EMI。有時，這種紋波和噪聲可能會耦合到產(chǎn)品內(nèi)的其他敏感電路中，例如蜂窩電話中的RF收發(fā)器，并導(dǎo)致性能問題。

輸入紋波顯然很重要，因為電池電源線對于系統(tǒng)中的許多電路都是通用的。然而，圖5顯示，當以相同頻率開關(guān)、驅(qū)動相同輸出負載和利用相同輸入電容時，電荷泵和升壓轉(zhuǎn)換器的輸入紋波非常相似。需要注意的是，MAX1573只需要1uF的輸入電容，但為了公平比較，電容增加到2.2uF，與MAX1561相匹配。將輸入電容增加到 4.7uF 或 10uF 可進一步降低兩個器件的輸入紋波，而只需很少的額外成本或物理尺寸。

圖5.升壓轉(zhuǎn)換器 （a） 和電荷泵 （b） 在以 1MHz 開關(guān)、為相同數(shù)量的 LED 供電以及使用相同的輸入電容時，其輸入紋波非常相似。然而，由于LED連接數(shù)量較多，電荷泵鼓勵更短的輸出走線（天線），并且與升壓轉(zhuǎn)換器從其電感和開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生的EMI相比，跨接電容器產(chǎn)生的EMI更少。

輸出紋波也是一個問題，特別是對于長輸出走線，它可能充當天線，甚至將噪聲電容耦合到附近的電路。升壓轉(zhuǎn)換器更容易出現(xiàn)此問題，但這只是因為它們使用的輸出走線較少，因此更有可能放置在離LED更遠的地方。電荷泵的大量輸出連接自然會鼓勵I(lǐng)C和LED更緊密地連接。

由于升壓轉(zhuǎn)換器將能量存儲在電感的磁場中，因此它們比電荷泵的跨接電容器輻射更多的EMI。因此，建議在系統(tǒng)外殼內(nèi)使用屏蔽電感或隔間屏蔽。此外，升壓轉(zhuǎn)換器還具有較大的電壓擺幅，電感和肖特基二極管之間的開關(guān)節(jié)點邊緣非常鋒利。雖然在開關(guān)節(jié)點上增加一個小電容可能會軟化快速邊沿并降低EMI，但不幸的是，效率會降低一些。

其他重要功能：優(yōu)勢取決于需求

雖然以下特性不是升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵所固有的，但它們?nèi)匀皇沁x擇任何特定背光驅(qū)動器IC時需要評估的重要特性。

MAX1561和MAX1573均提供輸出過壓保護。此功能可防止 IC 在 LED（或輸出連接）開路時發(fā)生故障時損壞自身。如果沒有此功能，則需要一個外部齊納二極管。

調(diào)光控制用于在一段時間不活動后降低LED電流（顯示亮度），以延長電池壽命。也可以采用調(diào)光來調(diào)整顯示器的正常亮度級別以適應(yīng)用戶的偏好。有許多調(diào)光技術(shù)，包括模擬DAC、邏輯輸入、開/關(guān)PWM、濾波PWM、1線串行脈沖接口和SPI?或我2C* 串行接口。MAX1561和MAX1573給出了各種調(diào)光方法。

MAX1561采用單路CTRL輸入，可用于簡單的邏輯電平開/關(guān)，由DAC的模擬信號驅(qū)動，或直接由200Hz至200KHz的PWM信號驅(qū)動。由于MAX1561設(shè)計有集成反饋環(huán)路，PWM信號經(jīng)過內(nèi)部濾波，產(chǎn)生直流LED電流，與傳統(tǒng)的開/關(guān)PWM調(diào)光相比，輸入/輸出紋波和噪聲要小得多。

MAX1573使用兩個邏輯輸入EN1和EN2來控制關(guān)斷、10%、30%和100%LED電流。此外，當將EN2驅(qū)動為高電平并向EN200施加20Hz至1KHz PWM信號時，LED電流在PWM占空比下在10%至100%之間快速切換。此外，MAX1573具有一個外部電阻Rset，用于設(shè)置100%電流電平，允許通過切換不同的電阻或?qū)⒛M或邏輯信號通過第二個電阻相加到SET節(jié)點進行調(diào)光。

軟啟動用于降低啟動時的浪涌電流，從而最大限度地減少可能破壞系統(tǒng)中其他電路的電池電壓下降。MAX1561和MAX1573均具有軟啟動功能，如圖6所示。一些軟啟動算法可防止任何輸入電流過沖，而效率較低的算法只是防止電流過沖過大。

圖6.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器（a）和MAX1573電荷泵（b）的軟啟動和關(guān)斷波形顯示無輸入電流（I在） 過沖。這最大限度地減少了電池輸入電壓下降，因此由電池供電的其他電路不會中斷。

快速固定頻率開關(guān)允許物理上較小的外部元件，并保持較低的輸入/輸出紋波。但是，如果開關(guān)發(fā)生得太快，開關(guān)損耗會增加，效率也會受到影響。在當今的半導(dǎo)體工藝中，600KHz至1.5MHz范圍內(nèi)的頻率似乎是最佳的。一些背光驅(qū)動器IC使用變頻PFM或門控振蕩器控制方案，可能會產(chǎn)生較大的輸入和輸出紋波，諧波含量豐富，可能會對其他電路造成干擾。使用這些PFM方案時，建議仔細評估。

良好的電流精度和匹配功能可將顯示器亮度和功耗保持在目標水平，并最大限度地減少LED之間的任何亮度變化。盡管此規(guī)范受到了很多關(guān)注，但它并不像人們想象的那么重要。即使具有完美的電流精度，LED本身也有±20%的亮度變化。此外，人眼對40%的總亮度誤差和±30%的LED與LED不匹配相當不敏感。

舊式電壓調(diào)節(jié)電荷泵使用鎮(zhèn)流電阻來實現(xiàn)略微不可接受的精度和匹配。新型電荷泵通過集成多個電流調(diào)節(jié)器（每個LED一個）來主動控制各個電流，從而解決了這一挑戰(zhàn)。盡管如此，對于某些電荷泵IC來說，在低電流水平下調(diào)光時保持良好的匹配仍然是一個挑戰(zhàn)。對于升壓轉(zhuǎn)換器，串聯(lián)LED連接在任何電流水平下都能提供固有的完美匹配，但升壓IC仍然需要在整個亮度范圍內(nèi)提供合理的精度。

電荷泵模式 - 改變遲滯可防止在 1x 和 1.5x 電荷泵模式之間切換時出現(xiàn) LED 閃爍。良好的自適應(yīng)模式變化方案可監(jiān)控電流調(diào)節(jié)器，以便在壓差之前啟動模式變化，從而保持更高效的1倍模式，直至盡可能低的電池電壓。監(jiān)控所有電流調(diào)節(jié)器非常重要。否則，某些 LED 可能會在更改模式之前變暗，從而導(dǎo)致 1.5x 模式開始時 LED 亮度明顯下降。一旦進入 1.5x 模式，遲滯會阻止模式來回切換，這會導(dǎo)致輸入/輸出紋波，并可能導(dǎo)致可見的 LED 閃爍。但是，如果遲滯太大，則電池電壓的任何暫時下降都會鎖存效率較低的1.5x模式，并阻止在電池恢復(fù)時返回到1x模式。因此，需要優(yōu)化遲滯。例如，MAX1573不僅監(jiān)測每個電流調(diào)節(jié)器，還采用專有技術(shù)主動修改遲滯，以獲得最佳效率，無閃爍機會。（當然，升壓轉(zhuǎn)換器如MAX1561不需要任何模式改變。

結(jié)論：升壓轉(zhuǎn)換器得分1，電荷泵得分4

上述比較表明電荷泵取得了良好的勝利。然而，根據(jù)設(shè)計優(yōu)先級和任何特定驅(qū)動器IC的獨特特性，意見可能會有所不同。直到最近，升壓轉(zhuǎn)換器比電荷泵效率更高，更受歡迎。然而，現(xiàn)在新一代1倍/1.5倍電荷泵已經(jīng)縮小了差距，大多數(shù)新產(chǎn)品設(shè)計活動都傾向于電荷泵解決方案。

審核編輯：郭婷