白光LED升压转换器与电荷泵
为当今手持电子设备中的白光led供电需要专门的稳压器。存在两种常见的调节器样式，每种样式都有自己的优点和缺点。本应用笔记讨论了每种稳压器的优势。max1561和max1573作为示例。
当今的手持式电子产品通常采用彩色lcd显示屏，以白色led作为背光。为白光led提供最佳供电需要专门的稳压器，既要克服led的高正向电压，又要提供恒流驱动，以最大限度地减少电池电压和led之间的强度变化。为此，有两种主流稳压器类型：基于电感的升压转换器和基于电容的电荷泵转换器。每种稳压器类型都有特定的优点/缺点，因此最佳选择取决于系统的特定优先级。
本文比较了每种类型的先进稳压器，max1561升压转换器和max1573电荷泵。评估每种稳压器类型的优点，结论将有助于系统设计人员选择合适的解决方案。max1561和max1573特别适合比较，因为两款产品是同时设计的，在同一设施中采用相同的工艺制造，并且开关频率相同，为1mhz。
原理图复杂性：对电荷泵略有优势
图1显示了两种稳压器解决方案的原理图。电路很简单，只需几个外部元件，但升压转换需要一个电感器和肖特基二极管。（一些竞争的升压转换器集成了肖特基二极管，但通常会降低效率。
图1.max1561升压转换器（a）和max1573电荷泵（b）是两种先进的白光led供电方案。电路复杂度相似，但电荷泵不需要电感。
效率：电荷泵略有优势
图2显示了两种解决方案的效率。效率的测量方法是在标准化锂离子电池c / 5放电曲线期间led中的功率除以电池功率。18ma/led的曲线表示正常背光亮度水平下的效率;升压转换器和电荷泵的平均值均为83%。图中还显示了2ma/led处的曲线，表示长时间不活动期间变暗时的效率;与升压转换器的76%相比，电荷泵的平均效率高达59%。
图2.max1561升压转换器（a）和max1573电荷泵（b）在li+电池寿命内，在83ma/led下的平均效率均为18%。然而，当调光至2ma/led时，电荷泵的效率远高于升压转换器。
上述结果有些令人惊讶，因为大多数电荷泵的效率并不高。max1573具有1倍直通和1.5倍升压电荷泵模式、自适应模式切换和极低压差线性电流调节器，可在电池电量下降时尽可能长时间地保持在更高效的1倍模式，从而获得同类领先的效率。没有1倍模式的旧式电荷泵通常只能获得50%至67%的效率。此外，一些包含1倍模式的竞争电荷泵在大部分电池寿命中无法使用它，因此获得的平均效率远低于83%。
转向升压转换器，max1561是业界效率最高的转换器之一。尽管如此，如果进行权衡，效率是可能的。max1599就是一个很好的例子，它在87ma/led时的效率为18%，在71ma/led时的效率为2%。max1599与max1561完全相同，只是其振荡器从1mhz减慢至500khz，以降低开关损耗。由于频率降低，电感的物理尺寸增加了一倍。
物理尺寸：电荷泵的优势
图3显示了两种解决方案（包括外部元件）的pcb尺寸。虽然升压转换器的引脚数较少，可实现更小的 3mm × 3mm 封装，但电感器的总占位面积更大，高度更高。接近1mm高度的电感器将需要比图3所示更多的电路板空间。虽然电荷泵采用较大的4mm×4mm封装，但它只需要四个小型1uf陶瓷电容。图3（b）显示的电容器尺寸为0603，但至少有三家制造商已经提供更小的0402尺寸，如图3（c）所示。对于空间极其受限的应用，max1573电荷泵还提供2mm×2mm芯片级封装，使整个电荷泵方案仅需11mm2.
图3.由于需要电感器，升压转换器（a）比电荷泵（b）需要更多的电路板面积和高度。采用芯片级封装和1uf 0402尺寸电容器，电荷泵解决方案（c）变得非常小。
系统灵活性：升压转换器的优势
升压转换器的一个重要优势是，与电荷泵的并联排列相比，led是串联连接的。如图4（a）所示，这种串联配置只需要升压转换器和led之间的两条走线。如果led安装在单独的显示模块中，而升压转换器或电荷泵保留在主系统pcb上，则尤其具有优势。在这种情况下，升压转换器消耗较少的连接器端子。此外，可以在大量型号中使用相同的升压转换器电路，每个型号在显示模块中使用不同数量的led。或者任何特定型号的显示模块可以随时更改，而不会影响升压转换器电路。相反，可以更改升压转换器，而不会影响显示模块。这种 led 串联可显著降低设计进度的风险。
为了使电荷泵高效，1x模式需要为每个led安装一个单独的电流调节器，如图4（b）所示。如果 led 的数量发生变化，则 led 的走线数量也必须发生变化。此外，有时还必须更改原理图，以禁用未使用的电流调节器（例如，将未使用的电流调节器连接到max1573的in）。如果将电荷泵更改为竞争解决方案，则会产生问题：未使用的电流调节器可能通过不同的方式禁用（例如，连接到out或保持浮动）;更糟糕的是，新的电荷泵可能设计为具有公共阴极而不是公共阳极的led排列，因此需要进一步更改显示模块。
图4.升压转换器 （a） 只有两个连接到 led，而电荷泵 （b） 需要多个连接。使用升压转换器时，灵活性更大，因为可以在不影响升压原理图的情况下更改 led 数量，或者可以在不影响 led 排列的情况下更改升压转换器 ic。对于电荷泵，led的排列方式在某种程度上特定于所使用的特定ic。
纹波和噪声：电荷泵的优势
由于电荷泵和升压转换器是开关稳压器，它们在其输入和输出上产生电压和电流纹波，并从电感和开关节点辐射emi。有时，这种纹波和噪声可能会耦合到产品内的其他敏感电路中，例如蜂窝电话中的rf收发器，并导致性能问题。
输入纹波显然很重要，因为电池电源线对于系统中的许多电路都是通用的。然而，图5显示，当以相同频率开关、驱动相同输出负载和利用相同输入电容时，电荷泵和升压转换器的输入纹波非常相似。需要注意的是，max1573只需要1uf的输入电容，但为了公平比较，电容增加到2.2uf，与max1561相匹配。将输入电容增加到 4.7uf 或 10uf 可进一步降低两个器件的输入纹波，而只需很少的额外成本或物理尺寸。
图5.升压转换器 （a） 和电荷泵 （b） 在以 1mhz 开关、为相同数量的 led 供电以及使用相同的输入电容时，其输入纹波非常相似。然而，由于led连接数量较多，电荷泵鼓励更短的输出走线（天线），并且与升压转换器从其电感和开关节点产生的emi相比，跨接电容器产生的emi更少。
输出纹波也是一个问题，特别是对于长输出走线，它可能充当天线，甚至将噪声电容耦合到附近的电路。升压转换器更容易出现此问题，但这只是因为它们使用的输出走线较少，因此更有可能放置在离led更远的地方。电荷泵的大量输出连接自然会鼓励ic和led更紧密地连接。
由于升压转换器将能量存储在电感的磁场中，因此它们比电荷泵的跨接电容器辐射更多的emi。因此，建议在系统外壳内使用屏蔽电感或隔间屏蔽。此外，升压转换器还具有较大的电压摆幅，电感和肖特基二极管之间的开关节点边缘非常锋利。虽然在开关节点上增加一个小电容可能会软化快速边沿并降低emi，但不幸的是，效率会降低一些。
其他重要功能：优势取决于需求
虽然以下特性不是升压转换器或电荷泵所固有的，但它们仍然是选择任何特定背光驱动器ic时需要评估的重要特性。
max1561和max1573均提供输出过压保护。此功能可防止 ic 在 led（或输出连接）开路时发生故障时损坏自身。如果没有此功能，则需要一个外部齐纳二极管。
调光控制用于在一段时间不活动后降低led电流（显示亮度），以延长电池寿命。也可以采用调光来调整显示器的正常亮度级别以适应用户的偏好。有许多调光技术，包括模拟dac、逻辑输入、开/关pwm、滤波pwm、1线串行脉冲接口和spi™或我2c* 串行接口。max1561和max1573给出了各种调光方法。
max1561采用单路ctrl输入，可用于简单的逻辑电平开/关，由dac的模拟信号驱动，或直接由200hz至200khz的pwm信号驱动。由于max1561设计有集成反馈环路，pwm信号经过内部滤波，产生直流led电流，与传统的开/关pwm调光相比，输入/输出纹波和噪声要小得多。
max1573使用两个逻辑输入en1和en2来控制关断、10%、30%和100%led电流。此外，当将en2驱动为高电平并向en200施加20hz至1khz pwm信号时，led电流在pwm占空比下在10%至100%之间快速切换。此外，max1573具有一个外部电阻rset，用于设置100%电流电平，允许通过切换不同的电阻或将模拟或逻辑信号通过第二个电阻相加到set节点进行调光。
软启动用于降低启动时的浪涌电流，从而最大限度地减少可能破坏系统中其他电路的电池电压下降。max1561和max1573均具有软启动功能，如图6所示。一些软启动算法可防止任何输入电流过冲，而效率较低的算法只是防止电流过冲过大。
图6.max1561升压转换器（a）和max1573电荷泵（b）的软启动和关断波形显示无输入电流（i在） 过冲。这最大限度地减少了电池输入电压下降，因此由电池供电的其他电路不会中断。
快速固定频率开关允许物理上较小的外部元件，并保持较低的输入/输出纹波。但是，如果开关发生得太快，开关损耗会增加，效率也会受到影响。在当今的半导体工艺中，600khz至1.5mhz范围内的频率似乎是最佳的。一些背光驱动器ic使用变频pfm或门控振荡器控制方案，可能会产生较大的输入和输出纹波，谐波含量丰富，可能会对其他电路造成干扰。使用这些pfm方案时，建议仔细评估。
良好的电流精度和匹配功能可将显示器亮度和功耗保持在目标水平，并最大限度地减少led之间的任何亮度变化。尽管此规范受到了很多关注，但它并不像人们想象的那么重要。即使具有完美的电流精度，led本身也有±20%的亮度变化。此外，人眼对40%的总亮度误差和±30%的led与led不匹配相当不敏感。
旧式电压调节电荷泵使用镇流电阻来实现略微不可接受的精度和匹配。新型电荷泵通过集成多个电流调节器（每个led一个）来主动控制各个电流，从而解决了这一挑战。尽管如此，对于某些电荷泵ic来说，在低电流水平下调光时保持良好的匹配仍然是一个挑战。对于升压转换器，串联led连接在任何电流水平下都能提供固有的完美匹配，但升压ic仍然需要在整个亮度范围内提供合理的精度。
电荷泵模式 - 改变迟滞可防止在 1x 和 1.5x 电荷泵模式之间切换时出现 led 闪烁。良好的自适应模式变化方案可监控电流调节器，以便在压差之前启动模式变化，从而保持更高效的1倍模式，直至尽可能低的电池电压。监控所有电流调节器非常重要。否则，某些 led 可能会在更改模式之前变暗，从而导致 1.5x 模式开始时 led 亮度明显下降。一旦进入 1.5x 模式，迟滞会阻止模式来回切换，这会导致输入/输出纹波，并可能导致可见的 led 闪烁。但是，如果迟滞太大，则电池电压的任何暂时下降都会锁存效率较低的1.5x模式，并阻止在电池恢复时返回到1x模式。因此，需要优化迟滞。例如，max1573不仅监测每个电流调节器，还采用专有技术主动修改迟滞，以获得最佳效率，无闪烁机会。（当然，升压转换器如max1561不需要任何模式改变。
结论：升压转换器得分1，电荷泵得分4
上述比较表明电荷泵取得了良好的胜利。然而，根据设计优先级和任何特定驱动器ic的独特特性，意见可能会有所不同。直到最近，升压转换器比电荷泵效率更高，更受欢迎。然而，现在新一代1倍/1.5倍电荷泵已经缩小了差距，大多数新产品设计活动都倾向于电荷泵解决方案。
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本文比较了每种类型的先进稳压器，max1561升压转换器和max1573电荷泵。评估每种稳压器类型的优点，结论将有助于系统设计人员选择合适的解决方案。max1561和max1573特别适合比较，因为两款产品是同时设计的，在同一设施中采用相同的工艺制造，并且开关频率相同，为1mhz。
原理图复杂性：对电荷泵略有优势
图1显示了两种稳压器解决方案的原理图。电路很简单，只需几个外部元件，但升压转换需要一个电感器和肖特基二极管。（一些竞争的升压转换器集成了肖特基二极管，但通常会降低效率。
图1.max1561升压转换器（a）和max1573电荷泵（b）是两种先进的白光led供电方案。电路复杂度相似，但电荷泵不需要电感。
效率：电荷泵略有优势
图2显示了两种解决方案的效率。效率的测量方法是在标准化锂离子电池c / 5放电曲线期间led中的功率除以电池功率。18ma/led的曲线表示正常背光亮度水平下的效率;升压转换器和电荷泵的平均值均为83%。图中还显示了2ma/led处的曲线，表示长时间不活动期间变暗时的效率;与升压转换器的76%相比，电荷泵的平均效率高达59%。
图2.max1561升压转换器（a）和max1573电荷泵（b）在li+电池寿命内，在83ma/led下的平均效率均为18%。然而，当调光至2ma/led时，电荷泵的效率远高于升压转换器。
上述结果有些令人惊讶，因为大多数电荷泵的效率并不高。max1573具有1倍直通和1.5倍升压电荷泵模式、自适应模式切换和极低压差线性电流调节器，可在电池电量下降时尽可能长时间地保持在更高效的1倍模式，从而获得同类领先的效率。没有1倍模式的旧式电荷泵通常只能获得50%至67%的效率。此外，一些包含1倍模式的竞争电荷泵在大部分电池寿命中无法使用它，因此获得的平均效率远低于83%。
转向升压转换器，max1561是业界效率最高的转换器之一。尽管如此，如果进行权衡，效率是可能的。max1599就是一个很好的例子，它在87ma/led时的效率为18%，在71ma/led时的效率为2%。max1599与max1561完全相同，只是其振荡器从1mhz减慢至500khz，以降低开关损耗。由于频率降低，电感的物理尺寸增加了一倍。
物理尺寸：电荷泵的优势
图3显示了两种解决方案（包括外部元件）的pcb尺寸。虽然升压转换器的引脚数较少，可实现更小的 3mm × 3mm 封装，但电感器的总占位面积更大，高度更高。接近1mm高度的电感器将需要比图3所示更多的电路板空间。虽然电荷泵采用较大的4mm×4mm封装，但它只需要四个小型1uf陶瓷电容。图3（b）显示的电容器尺寸为0603，但至少有三家制造商已经提供更小的0402尺寸，如图3（c）所示。对于空间极其受限的应用，max1573电荷泵还提供2mm×2mm芯片级封装，使整个电荷泵方案仅需11mm2.
图3.由于需要电感器，升压转换器（a）比电荷泵（b）需要更多的电路板面积和高度。采用芯片级封装和1uf 0402尺寸电容器，电荷泵解决方案（c）变得非常小。
系统灵活性：升压转换器的优势
升压转换器的一个重要优势是，与电荷泵的并联排列相比，led是串联连接的。如图4（a）所示，这种串联配置只需要升压转换器和led之间的两条走线。如果led安装在单独的显示模块中，而升压转换器或电荷泵保留在主系统pcb上，则尤其具有优势。在这种情况下，升压转换器消耗较少的连接器端子。此外，可以在大量型号中使用相同的升压转换器电路，每个型号在显示模块中使用不同数量的led。或者任何特定型号的显示模块可以随时更改，而不会影响升压转换器电路。相反，可以更改升压转换器，而不会影响显示模块。这种 led 串联可显著降低设计进度的风险。
为了使电荷泵高效，1x模式需要为每个led安装一个单独的电流调节器，如图4（b）所示。如果 led 的数量发生变化，则 led 的走线数量也必须发生变化。此外，有时还必须更改原理图，以禁用未使用的电流调节器（例如，将未使用的电流调节器连接到max1573的in）。如果将电荷泵更改为竞争解决方案，则会产生问题：未使用的电流调节器可能通过不同的方式禁用（例如，连接到out或保持浮动）;更糟糕的是，新的电荷泵可能设计为具有公共阴极而不是公共阳极的led排列，因此需要进一步更改显示模块。
图4.升压转换器 （a） 只有两个连接到 led，而电荷泵 （b） 需要多个连接。使用升压转换器时，灵活性更大，因为可以在不影响升压原理图的情况下更改 led 数量，或者可以在不影响 led 排列的情况下更改升压转换器 ic。对于电荷泵，led的排列方式在某种程度上特定于所使用的特定ic。
纹波和噪声：电荷泵的优势
由于电荷泵和升压转换器是开关稳压器，它们在其输入和输出上产生电压和电流纹波，并从电感和开关节点辐射emi。有时，这种纹波和噪声可能会耦合到产品内的其他敏感电路中，例如蜂窝电话中的rf收发器，并导致性能问题。
输入纹波显然很重要，因为电池电源线对于系统中的许多电路都是通用的。然而，图5显示，当以相同频率开关、驱动相同输出负载和利用相同输入电容时，电荷泵和升压转换器的输入纹波非常相似。需要注意的是，max1573只需要1uf的输入电容，但为了公平比较，电容增加到2.2uf，与max1561相匹配。将输入电容增加到 4.7uf 或 10uf 可进一步降低两个器件的输入纹波，而只需很少的额外成本或物理尺寸。
图5.升压转换器 （a） 和电荷泵 （b） 在以 1mhz 开关、为相同数量的 led 供电以及使用相同的输入电容时，其输入纹波非常相似。然而，由于led连接数量较多，电荷泵鼓励更短的输出走线（天线），并且与升压转换器从其电感和开关节点产生的emi相比，跨接电容器产生的emi更少。
输出纹波也是一个问题，特别是对于长输出走线，它可能充当天线，甚至将噪声电容耦合到附近的电路。升压转换器更容易出现此问题，但这只是因为它们使用的输出走线较少，因此更有可能放置在离led更远的地方。电荷泵的大量输出连接自然会鼓励ic和led更紧密地连接。
由于升压转换器将能量存储在电感的磁场中，因此它们比电荷泵的跨接电容器辐射更多的emi。因此，建议在系统外壳内使用屏蔽电感或隔间屏蔽。此外，升压转换器还具有较大的电压摆幅，电感和肖特基二极管之间的开关节点边缘非常锋利。虽然在开关节点上增加一个小电容可能会软化快速边沿并降低emi，但不幸的是，效率会降低一些。
其他重要功能：优势取决于需求
虽然以下特性不是升压转换器或电荷泵所固有的，但它们仍然是选择任何特定背光驱动器ic时需要评估的重要特性。
max1561和max1573均提供输出过压保护。此功能可防止 ic 在 led（或输出连接）开路时发生故障时损坏自身。如果没有此功能，则需要一个外部齐纳二极管。
调光控制用于在一段时间不活动后降低led电流（显示亮度），以延长电池寿命。也可以采用调光来调整显示器的正常亮度级别以适应用户的偏好。有许多调光技术，包括模拟dac、逻辑输入、开/关pwm、滤波pwm、1线串行脉冲接口和spi™或我2c* 串行接口。max1561和max1573给出了各种调光方法。
max1561采用单路ctrl输入，可用于简单的逻辑电平开/关，由dac的模拟信号驱动，或直接由200hz至200khz的pwm信号驱动。由于max1561设计有集成反馈环路，pwm信号经过内部滤波，产生直流led电流，与传统的开/关pwm调光相比，输入/输出纹波和噪声要小得多。
max1573使用两个逻辑输入en1和en2来控制关断、10%、30%和100%led电流。此外，当将en2驱动为高电平并向en200施加20hz至1khz pwm信号时，led电流在pwm占空比下在10%至100%之间快速切换。此外，max1573具有一个外部电阻rset，用于设置100%电流电平，允许通过切换不同的电阻或将模拟或逻辑信号通过第二个电阻相加到set节点进行调光。
软启动用于降低启动时的浪涌电流，从而最大限度地减少可能破坏系统中其他电路的电池电压下降。max1561和max1573均具有软启动功能，如图6所示。一些软启动算法可防止任何输入电流过冲，而效率较低的算法只是防止电流过冲过大。
图6.max1561升压转换器（a）和max1573电荷泵（b）的软启动和关断波形显示无输入电流（i在） 过冲。这最大限度地减少了电池输入电压下降，因此由电池供电的其他电路不会中断。
快速固定频率开关允许物理上较小的外部元件，并保持较低的输入/输出纹波。但是，如果开关发生得太快，开关损耗会增加，效率也会受到影响。在当今的半导体工艺中，600khz至1.5mhz范围内的频率似乎是最佳的。一些背光驱动器ic使用变频pfm或门控振荡器控制方案，可能会产生较大的输入和输出纹波，谐波含量丰富，可能会对其他电路造成干扰。使用这些pfm方案时，建议仔细评估。
良好的电流精度和匹配功能可将显示器亮度和功耗保持在目标水平，并最大限度地减少led之间的任何亮度变化。尽管此规范受到了很多关注，但它并不像人们想象的那么重要。即使具有完美的电流精度，led本身也有±20%的亮度变化。此外，人眼对40%的总亮度误差和±30%的led与led不匹配相当不敏感。
旧式电压调节电荷泵使用镇流电阻来实现略微不可接受的精度和匹配。新型电荷泵通过集成多个电流调节器（每个led一个）来主动控制各个电流，从而解决了这一挑战。尽管如此，对于某些电荷泵ic来说，在低电流水平下调光时保持良好的匹配仍然是一个挑战。对于升压转换器，串联led连接在任何电流水平下都能提供固有的完美匹配，但升压ic仍然需要在整个亮度范围内提供合理的精度。
电荷泵模式 - 改变迟滞可防止在 1x 和 1.5x 电荷泵模式之间切换时出现 led 闪烁。良好的自适应模式变化方案可监控电流调节器，以便在压差之前启动模式变化，从而保持更高效的1倍模式，直至尽可能低的电池电压。监控所有电流调节器非常重要。否则，某些 led 可能会在更改模式之前变暗，从而导致 1.5x 模式开始时 led 亮度明显下降。一旦进入 1.5x 模式，迟滞会阻止模式来回切换，这会导致输入/输出纹波，并可能导致可见的 led 闪烁。但是，如果迟滞太大，则电池电压的任何暂时下降都会锁存效率较低的1.5x模式，并阻止在电池恢复时返回到1x模式。因此，需要优化迟滞。例如，max1573不仅监测每个电流调节器，还采用专有技术主动修改迟滞，以获得最佳效率，无闪烁机会。（当然，升压转换器如max1561不需要任何模式改变。
结论：升压转换器得分1，电荷泵得分4
上述比较表明电荷泵取得了良好的胜利。然而，根据设计优先级和任何特定驱动器ic的独特特性，意见可能会有所不同。直到最近，升压转换器比电荷泵效率更高，更受欢迎。然而，现在新一代1倍/1.5倍电荷泵已经缩小了差距，大多数新产品设计活动都倾向于电荷泵解决方案。
插座LED灯泡不定时就会炸掉的原因
基于PoE电源的解决方案
软件分区设计，汽车功能安全可以从航空安全实践中得到哪些思考？
基于嵌入式系统的水塔水位控制方案
详解变压器的差动保护
白光LED升压转换器与电荷泵
现场测量仪表常见的故障及处理方法
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电路中集成电路IC工作与否的两大电压判断法
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戴维南等效电路受控源分析
基于FPGA的千兆以太网ARP和UDP的实现
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