電源設計技巧十例之一：為電源選擇最佳工作頻率
電源設計技巧十例之二：如何解決電源噪聲
電源設計技巧十例之三：多相升壓轉換器改裝
電源設計技巧十例之四：DPPM電池充電器
電源設計技巧十例之五：電池電量監測計提供精確電量值 
電源設計技巧十例之六：相機閃光燈電容充電器設計

隨著(zhù)彩色顯示屏在便攜市場(chǎng)（如手機、PDA 以及超小型 PC）中的廣泛采用，對于一個(gè)單色 LCD 照明而言，就需要一個(gè)白色背光或側光。與常用的 CCFL（冷陰極熒光燈）背光相比，由于 LED 需要更低的功耗和更小的空間，所以其看起來(lái)是背光應用不錯的選擇。白光 LED 的典型正向電壓介于 3V～5V 之間。由于為白光 LED 供電的最佳選擇是選用一個(gè)恒流電源，且鋰離子電池的輸入電壓范圍低于或等于 LED 正向電壓，因此就需要一款新型電源解決方案。

主要的電源要求包括高效率、小型的解決方案尺寸以及調節 LED 亮度的可能性。對于具有無(wú)線(xiàn)功能的便攜式系統而言，可接受的 EMI 性能成為我們關(guān)注的另一個(gè)焦點(diǎn)。當高效率為我們選擇電源最為關(guān)心的標準時(shí)，升壓轉換器就是一款頗具吸引力的解決方案，而其他常見(jiàn)的解決方案是采用充電泵轉換器。在本文中，我們分別對用于驅動(dòng)白光 LED 的兩款解決方案作了討論，并探討了他們與主要電源要求的關(guān)系。另外一個(gè)很重要的設計考慮因素是調節 LED 亮度的控制方法，其亮度不但會(huì )影響整個(gè)轉換器的效率，而且還有可能會(huì )出現白光 LED 的色度變換。下面將介紹一款使用一個(gè) PWM 信號來(lái)控制其亮度的簡(jiǎn)單的解決方案。與其他標準解決方案相比，該解決方案的另外一個(gè)優(yōu)勢就是其更高的效率。

任務(wù)

一旦為白光 LED 選定了電源以后，對于一個(gè)便攜式系統來(lái)說(shuō)，其主要的要求就是效率、整體解決方案尺寸、解決方案成本以及最后一項但非常重要的 EMI（電磁干擾）性能。根據便攜式系統的不同，對這些要求的強調程度也不盡相同。效率通常是關(guān)鍵的設計參數中最重要或次重要的考慮因素，因此在選擇電源時(shí)，要認真考慮這一因素。圖 1 示顯示了白光 LED 電源的基本電路。

該鋰離子電池具有一個(gè)介于 2.7V～4.2V 的電壓范圍。該電源的主要任務(wù)是為白光 LED 提供一個(gè)恒定的電流和一個(gè)典型的 3.5V 正向電壓。
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與充電泵解決方案相比，升壓轉換器可實(shí)現更高的效率

一般來(lái)說(shuō)，用于驅動(dòng)白光LED的電源拓撲結構有兩種：即充電泵或開(kāi)關(guān)電容解決方案和升壓轉換器。這兩款解決方案均可提供較高的輸出和輸入電壓。二者主要的不同之處在于轉換增益M=Vout/Vin，該增益將直接影響效率；而通常來(lái)說(shuō)，充電泵解決方案的轉換增益是固定不變的。一款固定轉換增益為2的簡(jiǎn)單充電泵解決方案通常會(huì )產(chǎn)生比 LED 正向電壓高很多的電壓，如方程式(1)所示。其將帶來(lái)僅為47%的效率，如方程式(2) 所示。

式中 Vchrgpump 為充電泵 IC 內部產(chǎn)生的電壓，VBat 為鋰離子電池的典型電池電壓。充電泵需要提供一個(gè)恒定的電流以及相當于 LED 3.5V 典型正向電壓的輸出電壓。通常，固定轉換增益為 2 的充電泵會(huì )在內部產(chǎn)生一個(gè)更高的電壓 (1)，該電壓將會(huì )導致一個(gè)降低整體系統效率的內部壓降 (2)。更為高級的充電泵解決方案通過(guò)在 1.5 和 1 轉換增益之間進(jìn)行轉換克服了這一缺點(diǎn)。這樣就可以在電池電壓稍微高于 LED 電壓時(shí)實(shí)現在 90%～95% 效率級別之間運行，從而充許使用增益值為 1 的轉換增益。方程式 (3) 和方程式 (4) 顯示了這一性能改進(jìn)。

當電池電壓進(jìn)一步降低時(shí)，充電泵需要轉換到1.5增益，從而導致效率下降至60%～70%，如(5)和(6)所示。


圖 2 顯示了充電泵解決方案在不同轉換增益 M 條件下理論與實(shí)際效率曲線(xiàn)圖。

轉換增益為 2 的真正的倍壓充電泵具有非常低的效率（低至 40%），且對便攜式設備沒(méi)有太大的吸引力；而具有組合轉換增益（增益為 1.0 和 1.5）的充電泵則顯示出了更好的效果。這樣一款充電泵接下來(lái)的問(wèn)題就是從增益 M=1.0 向 M=1.5的轉換點(diǎn)轉換，這是因為發(fā)生增益轉換后效率將下降至 60% 的范圍。當電池可在大部分時(shí)間內正常運行的地方發(fā)生效率下降（轉換）時(shí)，整體效率會(huì )降低。因此，在接近 3.5V 的低電池電壓處發(fā)生轉換時(shí)就可以實(shí)現高效率。但是，該轉換點(diǎn)取決于 LED 正向電壓、LED 電流、充電泵 I2R 損耗以及電流感應電路所需的壓降。這些參數將把轉換點(diǎn)移至更高的電池電壓。因此，在具體的系統中必須要對這樣一款充電泵進(jìn)行精心評估，以實(shí)現高效率數值。

計算得出的效率數值顯示了充電泵解決方案最佳的理論值。在現實(shí)生活中，根據電流控制方法的不同會(huì )發(fā)生更多的損耗，其對效率有非常大的影響。除了 I2R 損耗以外，該器件中的開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)損耗也將進(jìn)一步降低該充電泵解決方案的效率。
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通過(guò)使用一款感應升壓轉換器可以克服這些不足之處，該升壓轉換器具有一個(gè)可變轉換增益 M，如方程式 (7) 和圖 3 所示。

該升壓轉換器占空比 D 可在 0% 和實(shí)際的 85% 左右之間發(fā)生變化，如圖 3 所示。
可變轉換增益可實(shí)現一個(gè)剛好與LED正向電壓相匹配的電壓，從而避免了內部壓降，實(shí)現了高達85%的效率。

可驅動(dòng) 4白光 LED 的標準升壓轉換器

圖 4 中的升壓轉換器被配置為一個(gè)可驅動(dòng) 4白光 LED 的電流源。該器件將檢測電阻器 Rs 兩端的電壓調節至 1.233V，從而得到一個(gè)定義的 LED 電流。

本結構中使用的升壓轉換器在 1.233V 電流檢測電阻器兩端將有一個(gè)壓降，而檢測電阻器的功耗會(huì )降低該解決方案的效率。因此，必須降低檢測和調節該 LED 電流的壓降。除此之外，對于許多應用來(lái)說(shuō)，調節 LED 電流和 LED 亮度的可能性也是必須的。圖 5 中的電路實(shí)現了這兩個(gè)要求。

在圖 5 中，一個(gè)可選齊納二極管被添加到了電路中，用鉗位控制輸出電壓，以防止一個(gè) LED 斷開(kāi)連接或出現高阻抗。一個(gè)具有 3.3V 振幅的 PWM 信號被施加到該轉換器的反饋電路上，同時(shí)使用了一個(gè)低通濾波器 Rf 和 Cf，以過(guò)濾PWM 信號的 DC 部分并在 R2 處建立一個(gè)模擬電壓 (Vadj)。通過(guò)改變所施加 PWM 信號的占空比，使該模擬電壓上升或下降，從而調節該轉換器的反饋電壓，此舉會(huì )增加或降低轉換器的 LED 電流。通過(guò)在 R2 處施加一個(gè)高于轉換器反饋電壓 (1.233V) 的模擬電壓，可以在檢測電阻器兩端實(shí)現一個(gè)更低的感應電壓。對于一個(gè) 20mA LED 電流而言，感應電壓從 1.233V 下降到了 0.98V（對于 10mA LED 電流而言，甚至會(huì )降至 0.49V）。
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當使用一個(gè)具有 3.3V 振幅的 PWM 信號時(shí)，必須要將控制 LED 亮度的占空比范圍從 50% 調整到 100%，以得到一個(gè)通常會(huì )高于 1.233V 反饋電壓的模擬電壓。在 50% 占空比時(shí)，模擬電壓將為 1.65V，從而產(chǎn)生一個(gè) 20mA、0.98V 的感應電壓。將占空比范圍限制在 70%～100% 之間會(huì )進(jìn)一步降低感應電壓。由此得出的效率曲線(xiàn)如圖 6 所示。

圖 7 顯示了 LED 電流作為控制 LED 亮度的 PWM 占空比的一個(gè)線(xiàn)性函數。
上述解決方案顯示了用于驅動(dòng)白光 LED 的標準升壓轉換器的結構以及通過(guò)限制 PWM 占空比范圍并選擇一個(gè)不同的電流控制反饋網(wǎng)絡(luò )來(lái)提高效率的可能性。按照邏輯思維，我們接下來(lái)將討論一款集成了所有這些特性的解決方案。 專(zhuān)用 LED 驅動(dòng)器減少了外部組件數量 圖 8 顯示了一款集成了前面所述特性的器件。直接在 CTRL 引腳上施加一個(gè) PWM 信號就可以對 LED 電流進(jìn)行控制。


電流感應電壓被降至 250mV，且過(guò)壓保護功能被集成到一個(gè)采用小型3mm×3mm QFN 封裝的器件中。其效率曲線(xiàn)如圖 9 和圖 10 所示。
圖 10 顯示整個(gè)鋰離子電池電壓范圍（2.7V～4.2V）內均可以實(shí)現 80% 以上的效率。在此應用中，使用了一個(gè)高度僅為 1.2mm 的電感 (Sumida CMD4D11-4R7， 3.5mm*5.3mm*1.2mm)。 從圖 10 中的效率曲線(xiàn)可以看出：在大多數應用中，升壓轉換器可以實(shí)現比充電泵解決方案更高的效率。但是，在無(wú)線(xiàn)應用中使用升壓轉換器或充電泵時(shí)還需要考慮 EMI 問(wèn)題。
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對 EMI 加以控制

由于這兩款解決方案均為運行在高達 1MHz 轉換頻率上的開(kāi)關(guān)轉換器，且可以快速的上升和下降，因此無(wú)論使用哪一種解決方案（充電泵還是升壓轉換器）都必須要特別謹慎。如果使用的是充電泵解決方案，則不需要使用電感，因此也就不存在磁場(chǎng)會(huì )引起 EMI 的問(wèn)題了。但是，充電泵解決方案的飛跨電容通過(guò)在高頻率時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉開(kāi)關(guān)來(lái)持續地充電和放電。這將引起電流峰值和極快的上升，并對其他電路發(fā)生干擾。因此飛跨電容應該盡可能地靠近 IC 連接，且線(xiàn)跡要非常短以最小化 EMI 放射。必須使用一個(gè)低 ESR 輸入電容以最小化高電流峰值（尤其是出現在輸入端的電流峰值）。

如果使用的是一款升壓轉換器，則屏蔽電感器將擁有一個(gè)更為有限的磁場(chǎng)，從而實(shí)現更好的 EMI 性能。應對轉換器的轉換頻率加以選擇以最小化所有對該系統無(wú)線(xiàn)部分產(chǎn)生的干擾。PCB 布局將對 EMI 產(chǎn)生重大影響，尤其要將承載開(kāi)關(guān)或 AC 電流的線(xiàn)跡保持盡可能小以最小化 EMI 放射，如圖 11 所示。

粗線(xiàn)跡應先完成布線(xiàn)，且必須使用一個(gè)星形接地或接地層以最小化噪聲。輸入和輸出電容應為低 ESR 陶瓷電容以最小化輸入和輸出電壓紋波。

結論

在大多數應用中，與充電泵相比，升壓轉換器顯示出了更高的效率。使用一個(gè)升壓轉換器（其電感大小與 1210 外殼尺寸一樣）降低了充電泵在總體解決方案尺寸方面的優(yōu)勢。至少需要根據總體解決方案的尺寸對效率進(jìn)行評估。在 EMI 性能方面， 對升壓轉換器的設計還需要考慮更多因素和對更多相關(guān)知識的了解。

總之，對于許多系統而言，尤其在器件擁有一個(gè)從 1.0 到 1.5 的靈活轉換增益的時(shí)候，充電泵解決方案將是一個(gè)不錯的解決方案。在稍微高于 LED 正向電壓處發(fā)生從 1.0 到 1.5 的轉換增益時(shí)，這樣一款解決方案將實(shí)現絕佳的效率。在為每個(gè)應用選擇升壓轉換器或充電泵解決方案時(shí)，需要充分考慮便攜式系統的關(guān)鍵要求。如果效率是關(guān)鍵的要求，則升壓轉換器將為更適宜的解決方案。

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