電源設(shè)計(jì)技巧十例之一：為電源選擇最佳工作頻率
電源設(shè)計(jì)技巧十例之二：如何解決電源噪聲
電源設(shè)計(jì)技巧十例之三：多相升壓轉(zhuǎn)換器改裝
電源設(shè)計(jì)技巧十例之四：DPPM電池充電器
電源設(shè)計(jì)技巧十例之五：電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)提供精確電量值 
電源設(shè)計(jì)技巧十例之六：相機(jī)閃光燈電容充電器設(shè)計(jì)

隨著彩色顯示屏在便攜市場(chǎng)（如手機(jī)、PDA 以及超小型 PC）中的廣泛采用，對(duì)于一個(gè)單色 LCD 照明而言，就需要一個(gè)白色背光或側(cè)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，所以其看起來是背光應(yīng)用不錯(cuò)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(diào)節(jié) LED 亮度的可能性。對(duì)于具有無線功能的便攜式系統(tǒng)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(dāng)高效率為我們選擇電源最為關(guān)心的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器就是一款頗具吸引力的解決方案，而其他常見的解決方案是采用充電泵轉(zhuǎn)換器。在本文中，我們分別對(duì)用于驅(qū)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(shè)計(jì)考慮因素是調(diào)節(jié) LED 亮度的控制方法，其亮度不但會(huì)影響整個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率，而且還有可能會(huì)出現(xiàn)白光 LED 的色度變換。下面將介紹一款使用一個(gè) PWM 信號(hào)來控制其亮度的簡(jiǎn)單的解決方案。與其他標(biāo)準(zhǔn)解決方案相比，該解決方案的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(duì)于一個(gè)便攜式系統(tǒng)來說，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(xiàng)但非常重要的 EMI（電磁干擾）性能。根據(jù)便攜式系統(tǒng)的不同，對(duì)這些要求的強(qiáng)調(diào)程度也不盡相同。效率通常是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)中最重要或次重要的考慮因素，因此在選擇電源時(shí)，要認(rèn)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。
[page]
與充電泵解決方案相比，升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)更高的效率

一般來說，用于驅(qū)動(dòng)白光LED的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種：即充電泵或開關(guān)電容解決方案和升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換增益M=Vout/Vin，該增益將直接影響效率；而通常來說，充電泵解決方案的轉(zhuǎn)換增益是固定不變的。一款固定轉(zhuǎn)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。其將帶來僅為47%的效率，如方程式(2) 所示。

式中 Vchrgpump 為充電泵 IC 內(nèi)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(dāng)于 LED 3.5V 典型正向電壓的輸出電壓。通常，固定轉(zhuǎn)換增益為 2 的充電泵會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)更高的電壓 (1)，該電壓將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)降低整體系統(tǒng)效率的內(nèi)部壓降 (2)。更為高級(jí)的充電泵解決方案通過在 1.5 和 1 轉(zhuǎn)換增益之間進(jìn)行轉(zhuǎn)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(xiàn)在 90%～95% 效率級(jí)別之間運(yùn)行，從而充許使用增益值為 1 的轉(zhuǎn)換增益。方程式 (3) 和方程式 (4) 顯示了這一性能改進(jìn)。

當(dāng)電池電壓進(jìn)一步降低時(shí)，充電泵需要轉(zhuǎn)換到1.5增益，從而導(dǎo)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(zhuǎn)換增益 M 條件下理論與實(shí)際效率曲線圖。

轉(zhuǎn)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(duì)便攜式設(shè)備沒有太大的吸引力；而具有組合轉(zhuǎn)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的問題就是從增益 M=1.0 向 M=1.5的轉(zhuǎn)換點(diǎn)轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)榘l(fā)生增益轉(zhuǎn)換后效率將下降至 60% 的范圍。當(dāng)電池可在大部分時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行的地方發(fā)生效率下降（轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)高效率。但是，該轉(zhuǎn)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(yīng)電路所需的壓降。這些參數(shù)將把轉(zhuǎn)換點(diǎn)移至更高的電池電壓。因此，在具體的系統(tǒng)中必須要對(duì)這樣一款充電泵進(jìn)行精心評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)高效率數(shù)值。

計(jì)算得出的效率數(shù)值顯示了充電泵解決方案最佳的理論值。在現(xiàn)實(shí)生活中，根據(jù)電流控制方法的不同會(huì)發(fā)生更多的損耗，其對(duì)效率有非常大的影響。除了 I2R 損耗以外，該器件中的開關(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。
[page]
通過使用一款感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器可以克服這些不足之處，該升壓轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)可變轉(zhuǎn)換增益 M，如方程式 (7) 和圖 3 所示。

該升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換增益可實(shí)現(xiàn)一個(gè)剛好與LED正向電壓相匹配的電壓，從而避免了內(nèi)部壓降，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)85%的效率。

可驅(qū)動(dòng) 4白光 LED 的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器

圖 4 中的升壓轉(zhuǎn)換器被配置為一個(gè)可驅(qū)動(dòng) 4白光 LED 的電流源。該器件將檢測(cè)電阻器 Rs 兩端的電壓調(diào)節(jié)至 1.233V，從而得到一個(gè)定義的 LED 電流。

本結(jié)構(gòu)中使用的升壓轉(zhuǎn)換器在 1.233V 電流檢測(cè)電阻器兩端將有一個(gè)壓降，而檢測(cè)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(cè)和調(diào)節(jié)該 LED 電流的壓降。除此之外，對(duì)于許多應(yīng)用來說，調(diào)節(jié) 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(xiàn)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 斷開連接或出現(xiàn)高阻抗。一個(gè)具有 3.3V 振幅的 PWM 信號(hào)被施加到該轉(zhuǎn)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，以過濾PWM 信號(hào)的 DC 部分并在 R2 處建立一個(gè)模擬電壓 (Vadj)。通過改變所施加 PWM 信號(hào)的占空比，使該模擬電壓上升或下降，從而調(diào)節(jié)該轉(zhuǎn)換器的反饋電壓，此舉會(huì)增加或降低轉(zhuǎn)換器的 LED 電流。通過在 R2 處施加一個(gè)高于轉(zhuǎn)換器反饋電壓 (1.233V) 的模擬電壓，可以在檢測(cè)電阻器兩端實(shí)現(xiàn)一個(gè)更低的感應(yīng)電壓。對(duì)于一個(gè) 20mA LED 電流而言，感應(yīng)電壓從 1.233V 下降到了 0.98V（對(duì)于 10mA LED 電流而言，甚至?xí)抵?0.49V）。
[page]
當(dāng)使用一個(gè)具有 3.3V 振幅的 PWM 信號(hào)時(shí)，必須要將控制 LED 亮度的占空比范圍從 50% 調(diào)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(yīng)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(yīng)電壓。由此得出的效率曲線如圖 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)線性函數(shù)。
上述解決方案顯示了用于驅(qū)動(dòng)白光 LED 的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)以及通過限制 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)來提高效率的可能性。按照邏輯思維，我們接下來將討論一款集成了所有這些特性的解決方案。 專用 LED 驅(qū)動(dòng)器減少了外部組件數(shù)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(hào)就可以對(duì) LED 電流進(jìn)行控制。


電流感應(yīng)電壓被降至 250mV，且過壓保護(hù)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(nèi)均可以實(shí)現(xiàn) 80% 以上的效率。在此應(yīng)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 中的效率曲線可以看出：在大多數(shù)應(yīng)用中，升壓轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)比充電泵解決方案更高的效率。但是，在無線應(yīng)用中使用升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵時(shí)還需要考慮 EMI 問題。
[page]
對(duì) EMI 加以控制

由于這兩款解決方案均為運(yùn)行在高達(dá) 1MHz 轉(zhuǎn)換頻率上的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，且可以快速的上升和下降，因此無論使用哪一種解決方案（充電泵還是升壓轉(zhuǎn)換器）都必須要特別謹(jǐn)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 的問題了。但是，充電泵解決方案的飛跨電容通過在高頻率時(shí)開啟和關(guān)閉開關(guān)來持續(xù)地充電和放電。這將引起電流峰值和極快的上升，并對(duì)其他電路發(fā)生干擾。因此飛跨電容應(yīng)該盡可能地靠近 IC 連接，且線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(xiàn)在輸入端的電流峰值）。

如果使用的是一款升壓轉(zhuǎn)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(xiàn)更好的 EMI 性能。應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率加以選擇以最小化所有對(duì)該系統(tǒng)無線部分產(chǎn)生的干擾。PCB 布局將對(duì) EMI 產(chǎn)生重大影響，尤其要將承載開關(guān)或 AC 電流的線跡保持盡可能小以最小化 EMI 放射，如圖 11 所示。

粗線跡應(yīng)先完成布線，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(yīng)為低 ESR 陶瓷電容以最小化輸入和輸出電壓紋波。

結(jié)論

在大多數(shù)應(yīng)用中，與充電泵相比，升壓轉(zhuǎn)換器顯示出了更高的效率。使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)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(shì)。至少需要根據(jù)總體解決方案的尺寸對(duì)效率進(jìn)行評(píng)估。在 EMI 性能方面， 對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)還需要考慮更多因素和對(duì)更多相關(guān)知識(shí)的了解。

總之，對(duì)于許多系統(tǒng)而言，尤其在器件擁有一個(gè)從 1.0 到 1.5 的靈活轉(zhuǎn)換增益的時(shí)候，充電泵解決方案將是一個(gè)不錯(cuò)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(zhuǎn)換增益時(shí)，這樣一款解決方案將實(shí)現(xiàn)絕佳的效率。在為每個(gè)應(yīng)用選擇升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵解決方案時(shí)，需要充分考慮便攜式系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。如果效率是關(guān)鍵的要求，則升壓轉(zhuǎn)換器將為更適宜的解決方案。

相關(guān)閱讀：
淺析幾種新型特種集成開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)例
http://www.gpag.cn/power-art/80019823
淺析幾種新型特種集成開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)例
http://www.gpag.cn/power-art/80019823
淺談高級(jí)配置與電源接口的電源管理
http://www.gpag.cn/power-art/80019643