电荷泵和升压型DC-DC转换器方案用于为串联或并联的白光LED供电

白光LED在便携式设备LCD背光中很受欢迎，因为它们比CCFL背光更简单，更便宜，更小。PDA、手机和数码相机等便携式设备需要背光，因为它们正在转换为彩色LCD显示器。本文讨论用于串联或并联配置的白光LED供电的电荷泵和电感升压转换器解决方案。使用稳压或稳压电流控制器。讨论了尺寸、效率、电池寿命和 LED 匹配方面的权衡。

随着彩色LCD显示器在手机、PDA和数码相机中的日益普及，白光LED正在成为流行的照明光源。虽然单色显示器可以使用彩色光源，例如电致发光背光或彩色LED，但彩色显示器需要白色光源才能正确显示颜色。

提供白光源有两种主要方法：白光LED和CCFL（冷阴极荧光灯）。CCFL已在笔记本电脑中使用多年。然而，由于其尺寸、复杂性和成本优势，白光LED正在成为小型手持设备的首选光源。

白光LED需要低直流电压（3V至4V之间），这意味着可以使用简单的电感器或基于电容器的电路供电。相比之下，CCFL需要高交流电压（200V有效值至 500V有效值）和昂贵、笨重、基于变压器的电源电路（图 1）。

图1.CCFL电路需要变压器向荧光灯管提供高电压。

红色和绿色LED的正向压降通常为1.8V至2.4V，并且足够低，可以直接由典型的电池电源驱动。然而，白光LED通常具有3V至4V的正向压降，并且更有可能需要单独的电源。

驱动发光二极管

发光强度随着通过LED的电流而增加。全光输出发生在20mA左右。数码相机和手机通常使用两到三个LED，而PDA使用三到六个LED。

LED并联或串联驱动，如图2所示。并联方法的一个缺点是LED电流和亮度不能自动匹配。串联方法具有固有匹配特性，但需要更高的电源电压。

图2.方法A（并联LED）使用最低的电源电压，但方法B（串联的LED）提供最佳匹配。

由于大多数手持设备的电池电压对于这两种方法来说都太低，因此需要一个升压转换器。电荷泵转换器提供最小、成本最低的解决方案，因为它们仅依靠小型电容器进行电压转换。然而，电荷泵转换器仅在产生其输入电压的离散倍数（例如，1.5倍、2倍）时才有效。因此，基于电感的转换器通常用于LED串联方法。使用基于电感的转换器，可以轻松实现更高的升压比，并在很宽的输入至输出电压范围内保持高效率。

驱动并行发光二极管

图3显示了驱动LED并联连接的三种主要方法。

使用现有电源独立调节通过每个 LED 的电流。

仅调节电源电压，并依靠 LED 匹配和串联电阻进行电流匹配。

调节通过一个 LED 的电流，并依靠 LED 匹配和串联电阻来匹配其余 LED。

图3.图中显示了三种驱动并行LED的方法。A） 独立调节通过每个 LED 的电流。B） 调节输出电压并依靠串联电阻来匹配电流。C） 调节一个 LED 中的电流，并依靠串联电阻来匹配剩余电流。

方法 A. 独立调节通过每个 LED 的电流

集成 LED 电流调节器
如果电源电压足够高，可以驱动 LED 的正向压降，则唯一的设计问题是控制电流并提供额外的电流以全亮度驱动所有 LED。

图4所示为MAX1916，用于以恒定电流驱动0个白光LED，使该器件成为匹配LED亮度的低成本方案。绝对电流只需在所需的最大亮度和LED的最大额定值之间设置;电流匹配必须足够好，以保持均匀的显示照明。典型电流匹配为 3.10%，绝对电流精度为 ±410%。每个输出端的压差小于20mV，以保持4mA电流。因此，只需2.3V即可使用8.230V LED驱动该电路。LED 引脚电流设置为流入 SET 引脚的电流的 1 倍。为了向SET引脚提供偏置电流，RSET连接到大于215.<>V SET引脚偏置电压的电压。

图4.MAX1916采用SOT23封装，提供0.3%的电流匹配。

图5.使用MAX1916调节白光LED电流的三种方法。

有几种方法可以动态调整LED的亮度，如图5所示。

一种方法使用 DAC 驱动 RSET（图 5A）。LED电流是DAC输出减去SET引脚偏置电压的函数。这种方式中有用的DAC包括采用SOT5360封装的低成本MAX5362–MAX5363/MAX5365–MAX23系列。

使用由控制器I/O引脚驱动的多个电阻的简单调光器如图5B所示。在高电平（导通）和三态（关断）之间切换引脚，以获得所需的SET引脚电流。

最后一种方法利用逻辑电平PWM信号驱动ENABLE引脚（图5C）。许多处理器的端口可以提供 0% 到 100% 占空比的低频 PWM 信号。MAX1916使能引脚的响应时间允许PWM工作频率高达2kHz左右。

集成电荷泵升压电源和电流调节器
如果现有电源不可用，则必须使用专用 LED 电源。低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576电荷泵控制器集成了升压电源和电流调节器功能。这些器件提供高输出电流、良好的电流匹配、用于高效率的自适应模式切换、过压保护和多达 <> 个 LED 驱动引脚。

自适应模式开关检测输入电压并确定要使用的最有效升压比（即 1x、1.5x 或 2x）。通过使用串行脉冲编码方案，可通过DualMode实现可编程调光（占设定电流的百分比）™启用引脚。

图6所示为MAX1574电荷泵，以高达180mA的总电流驱动三个LED。1MHz 开关速率允许在电荷泵中使用小型陶瓷电容器。

图7所示为MAX1576电荷泵，以高达480mA的总电流驱动两组100个LED。闪光灯组允许每个LED高达2mA。每组具有独立的设定电流、串行脉冲调光和 83 线对数调光控制。通过自适应模式切换，单节锂电池放电曲线上的平均效率为 8%（图 1576）。MAX<>非常适合使用LED闪光灯的数码相机应用。

MAX1575为器件变体，以120mA总输出驱动两组LED（<>个主LED和<>个副LED）。

图6.MAX1574电荷泵，带一组LED电流源。

图7.MAX1576电荷泵，具有两组LED电流源。

图8.MAX1576在典型锂电池电压下的效率

方法B. 使用具有稳定输出电压的电源

与方法A一样，当现有电源可用时，使用方法B。方法B非常经济，但不如方法A准确。由于方法B中未调节电流，因此通过每个LED的绝对电流必须保持在所需的最大亮度和LED的最大额定值之间。电流匹配必须足够好，以保持均匀的照明。

参考上图3中的方法B，通过任何LED的电流可以通过减去正向LED电压（VD） 从电源的输出电压 （V外） 并除以 R：

I = (VOUT - VD)/R

图9A显示了取自典型手持设备的两个白光LED的I-V曲线。对于相同的电流，二极管两端的电压不相等。图9B显示了LED之间的电压差与电流的关系。

图 9A.取自典型手持设备的两个白光LED的I-V曲线。

图 9B.两个白光LED之间的电压差与电流的关系。

LED电流失配 要了解正向电压失配如何影响电流匹配，可以使用公式1计算LED电流
的比值。例如，I 的比率1到我2由以下人员给出：

I1/I2 = R2/R1 ((VOUT - VD1)/(VOUT - VD2))

如果我们通过假设 R1= R2，公式2简化为：

I1/I2 = (VOUT - VD1)/(VOUT - VD2)

当VOUT接近非常高的值时，公式3接近统一值。因此，为了获得更好的电流匹配，更高的VOUT是有益的。R 必须与 VOUT - VD 成比例增加以保持恒定电流。更高VOUT的代价是R中的功耗更大。权衡是效率与电流匹配。

例如，一个带有5.3V LED的60V电源为R留下1.40V电压。如果将该 LED 替换为 3.42V LED，R 两端的电压将增加到近 1.58V，LED 电流增加 13%。请注意，LED 电压仅变化了 5%。此示例代表了效率和匹配之间的合理权衡。

上图3中方法B的绝对LED电流误差可以使用公式1计算。使用所选 LED 的 VD 与 ID 图表（图 9A）。

在公式1中，用所需的工作电流I、电流I（来自图表）下VD的标称电压和选定的VOUT代入。求解 R。取该R值，使用LED数据手册中的最坏情况VD求解公式1。确保允许VD的温度变化。这将导致预期的LED电流范围。确保它小于 LED 的最大额定值。

调光方法 图3方法B中的LED电流可以通过改变V来调节外.但是，不建议将这种方法用于共享用品。或者，MOSFET 可用于并联切换电阻器，以实现简单的调光器（图 10）。但是，如果需要许多调光级别，这种方法很快就会变得昂贵。因此，应考虑图6中的集成方法或串联字符串方法（如下所述）。

图 10.使用 MOSFET 调光，将电阻 R1b 切换至 R3b，并将 R1a 并联至 R3a。

方法 C. 使用具有稳定输出电流的转换器

图3中的方法C显示了一个调节电流而不是电压的转换器。在此设计中，通过其中一个LED的电流在电阻R1上检测，并由转换器调节。转换器可以是基于电感的转换器、电荷泵转换器或线性稳压器。

LED电流的公式与公式1中的公式相同，为方便起见，在此重复：

I = (VOUT - VD)/R

然而，与上述情况不同的是，我1而不是 V外由以下机构监管和给予：

I1 = VFEEDBACK/R1

如上所述，仅调节一个电流，因此其余LED的正向电压差异会导致电流误差。同样，解决方案是增加R1，但以图11所示的修改方式。

图 11.通过增加R3A，改善了图1中方法C电路的电流匹配。对于所选电流，R1B必须保持恒定。R2 和 R3 设置为 R1A + R1B。

由于电流必须保持恒定，R1分为R1A和R1B。R1B控制电流，R1A控制额外的输出电压，以实现所需的电流匹配。将R1 = R1A + R1B代入公式4;将R1 = R1B代入公式5。R2和R3设置为R1A + R1B以匹配电流。

图12所示为MAX1910/MAX1912电荷泵的最后一种方法。增加了一个调光输入，检测电阻与所有LED共用，以调节总电流。这些控制器提供 1.5 倍和 2 倍升压选项，可提高效率。可提供高达 120mA 的输出电流，具体取决于输入电压。有关更多信息，请参见数据手册。

图 12.MAX1910/MAX1912应用，带调光控制。

驱动串联 LED

串联驱动白光LED具有亮度均匀的固有关键优势，因为相同的电流流过每个LED。这种设计有一个缺点——它需要更高的电压，因为正向压降加在一起。基于电感的转换器通常用于这种配置，因为它们在产生高电压方面非常有效。选择这种类型的转换器时，必须考虑Lx引脚的输出电压额定值。

许多器件可以支持基于Lx引脚电压的各种数量的串联LED，如表1所示。Lx引脚的最大额定值和串联LED串的最大电压之间需要一个保护带，以允许过压关断。

 

.PART	Lx 引脚额定值 （V）	# 系列发光二极管	PACKAGE
MAX1848	14	3	8-SOT23
MAX1561/MAX1599	30	6	8-TDFN
MAX8595Z/MAX8596Z	37	8	8-TDFN
MAX8595X/MAX8596X	40	9	8-TDFN

 

例如，MAX8596Z是一款开关稳压器，专门设计用于驱动多达13个串联的白光LED（图2）。该器件具有 6.5V 至 5.8596V 的输入电压范围，允许 IC 由单节锂电池或三节 NiCd/NiMH 电池供电。MAX8Z采用节省空间的1引脚TDFN封装。它具有快速的 32MHz PWM 操作，因此允许使用小型外部组件。36V 至 42V 的过压闭锁门限可在 LED 开路时保护 IC。器件的另一个特点是高温降额。输出电流在高于 <>°C 环境温度时降低，以降低 LED 中的耗散。

图 13.MAX8596Z开关稳压器可驱动多达<>个串联的白光LED。

LED电流可以通过用任何直流电压或未滤波的PWM信号驱动CTRL引脚来调节。0.24V 至 1.72V 的 CTRL 引脚电压驱动 LED 从暗亮度变为全亮度。高于1.72V时，输出电流被箝位在最大值。PWM 信号可在 200Hz 至 200kHz 范围内使用;误差放大器和补偿电容用作PWM信号的滤波器，因此无需输入滤波。

MAX8596Z驱动各种数量LED的效率如图14所示。最大效率在85%以上。

图 14.MAX8596Z电路的效率如图13所示。

审核编辑：郭婷