- 電路復(fù)雜性對(duì)比
- 物理尺寸對(duì)比
- 系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性對(duì)比
- 輸出電壓紋波對(duì)比
- 外接旁路元件的對(duì)比
本文以MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器和MAX1573電荷泵為例，對(duì)兩種轉(zhuǎn)換架構(gòu)進(jìn)行比較。文中評(píng)估了每種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，所得出的結(jié)論有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者選擇正確的方案。MAX1561和MAX1573幾乎是在同一時(shí)期、在同一工廠、采用相同工藝設(shè)計(jì)的，開關(guān)頻率均為1MHz，適合進(jìn)行對(duì)比。
電路復(fù)雜性：電荷泵略占優(yōu)勢(shì)
圖1給出了兩種方案的電路圖，兩個(gè)電路都只有幾個(gè)簡(jiǎn)單的外部元件，但升壓轉(zhuǎn)換器需要電感和肖特基二極管(有些升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成肖特基二極管，但通常會(huì)降低效率)。
圖1.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器(a)和MAX1573電荷泵(b)是2種LED供電方案。電路復(fù)雜度基本相同,但電荷泵不需要電感。
效率：電荷泵的效率竟略占優(yōu)勢(shì)[page]
圖2給出了兩種方案的效率，效率是在標(biāo)準(zhǔn)的鋰電池以C/5的速率放電為L(zhǎng)ED供電的情況下測(cè)量的。18mA/LED的效率曲線代表正常顯示亮度情況下的效率，升壓轉(zhuǎn)換器和電荷泵的平均效率都是83%；圖中2mA/LED的效率曲線代表LED處于亮度比較暗的靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的效率，電荷泵可以獲得76%的平均效率，明顯好于升壓轉(zhuǎn)換器的59%。
圖2.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器(a)和MAX1573電荷泵(b)在18mA/LED的測(cè)試條件下，整個(gè)電池工作時(shí)間內(nèi)的平均效率均為83%。當(dāng)LED比較暗時(shí)，2mA/LED，電荷泵效率高于升壓轉(zhuǎn)換器。
上述結(jié)果出乎人們的預(yù)料，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電荷泵的效率達(dá)不到這樣的效率。MAX1573之所以能夠提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的效率，是因?yàn)樗?倍壓旁路和1.5倍壓升壓電荷泵模式，并具有自適應(yīng)切換功能，低壓差線性電流調(diào)節(jié)器能夠在電池電壓下降的時(shí)候盡可能地保持在1倍壓模式，從而取得高效率。傳統(tǒng)電荷泵方案不具備1倍壓模式，只能取得50%至67%的效率。一些競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品雖然也包含了1倍壓模式，但工作在這種模式的時(shí)間較短，所以一般達(dá)不到83%的平均效率。
對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，MAX1561是業(yè)界效率非常高產(chǎn)品。通過(guò)某些折中，也可以獲得更高的效率，例如：MAX1599，在18mA/LED時(shí)，效率是87%；在2mA/LED時(shí)，效率是71%。MAX1599和MAX1561非常類似，只是開關(guān)頻率從1MHz降到500kHz，第開關(guān)頻率下減少了開關(guān)損失。但是，頻率的降低使得外部電感的尺寸提高2倍。[page]
物理尺寸；電荷泵占優(yōu)勢(shì)
圖3給出了兩種方案的PCB布局，包括外部元件。升壓轉(zhuǎn)換器的引腳數(shù)較少，允許采用小尺寸、3mmx3mm的封裝，但電感使得整體尺寸變大，高度也較大。大約1mm高的電感甚至占用比圖3還大的電路板空間。雖然電荷泵本身尺寸較大，4mmx4mm，但它只需要較小的1μF陶瓷電容。圖3(b)所示0603封裝的電容，至少有3家廠商可以提供圖3(c)所示0402電容。在對(duì)尺寸要求特別苛刻的情況下，也可以選擇2mmx2mm封裝的MAX1573，整個(gè)電荷泵方案的尺寸僅為11mm2。
圖3.因?yàn)橐褂秒姼?，升壓轉(zhuǎn)換器(a)比電荷泵(b)占用更大的電路板空間和高度。如果使用晶片級(jí)封裝的MAX1573和0402封裝的1μF電容，整個(gè)電荷泵方案(c)的尺寸就會(huì)非常小。
系統(tǒng)靈活性：升壓轉(zhuǎn)換器占優(yōu)勢(shì)
升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是支持串聯(lián)LED，電荷泵只能驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED。從圖4(a)可以看出，串聯(lián)配置的LED，在升壓轉(zhuǎn)換器和LED之間只需2條連線。如果升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵放置在系統(tǒng)板，而LED模塊放置在顯示板，這個(gè)優(yōu)勢(shì)將非常重要。這種情況下，升壓轉(zhuǎn)換器只需極少的接點(diǎn)。除此之外，升壓轉(zhuǎn)換器可以支持更多的LED模塊，每個(gè)顯示模塊可以串聯(lián)不同數(shù)量的LED。而且，在實(shí)際應(yīng)用中可能不需要改變升壓轉(zhuǎn)換電路既可更換顯示模塊；也可以在不改變顯示模塊的條件下更改升壓轉(zhuǎn)換器。由此可見，串聯(lián)LED架構(gòu)大大降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
為了提高電荷泵的效率，在電池直接驅(qū)動(dòng)模式下，每個(gè)LED需要一個(gè)單獨(dú)的電流調(diào)節(jié)器，如圖4(b)所示。如果改變LED數(shù)量，LED連線也必須改變。而且，為了關(guān)閉不使用的電流源，有時(shí)也不得不改變電路(例如，將MAX1573不使用的電流調(diào)節(jié)器接IN)。有些競(jìng)爭(zhēng)方案會(huì)在這種情況下產(chǎn)生很多問(wèn)題：不使用的電流調(diào)節(jié)器需要通過(guò)不同方式關(guān)閉(例如，接OUT或浮空)；更糟糕的是，新設(shè)計(jì)的電荷泵可能采用共陰極LED，而非共陽(yáng)極配置，這種情況下要求顯示模塊的改動(dòng)更多。
圖4.升壓轉(zhuǎn)換器(a)與LED只有兩條連線；電荷泵(b)需要更多的連線。因此，使用升壓轉(zhuǎn)換器更靈活，可以在不改變升壓電路的情況下改變LED配置，或在不影響LED配置的情況下改變升壓轉(zhuǎn)換器。使用電荷泵時(shí)，LED必須與IC配套。
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紋波和噪聲：電荷泵占優(yōu)勢(shì)
因?yàn)殡姾杀煤蜕龎恨D(zhuǎn)換器都是開關(guān)轉(zhuǎn)換器，它們會(huì)在輸入、輸出端產(chǎn)生電壓和電流紋波，在電感和開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生EMI。有時(shí)，這些紋波和噪聲會(huì)耦合到系統(tǒng)電路，如手機(jī)的RF接收器，影響性能。
輸入紋波顯然很重要，因?yàn)殡姵剌斎朐谙到y(tǒng)中對(duì)很多電路是公用的。圖5所示，在相同開關(guān)頻率、驅(qū)動(dòng)同樣負(fù)載時(shí)，如果使用同樣的輸入電容，電荷泵和升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸入紋波在同一量級(jí)。應(yīng)當(dāng)注意，MAX1573輸入端只需使用一個(gè)1μF的陶瓷電容，為了和MAX1561進(jìn)行比較，我們將這個(gè)電容增大到2.2μF。把輸入電容提高到4.7μF或10μF可以進(jìn)一步減小輸入紋波，但在一定程度上提高了成本，增大了物理尺寸。
圖5.如果開關(guān)頻率為1MHz，驅(qū)動(dòng)同樣數(shù)量的LED，采用相同的輸入電容，那么電荷泵(b)和升壓轉(zhuǎn)換器(a)的輸入紋波基本相同。然而，由于電荷泵與LED之間有較多引線，建議使用更短的連線(天線)，另外，泵電容產(chǎn)生的EMI低于升壓轉(zhuǎn)換器的電感。
輸出紋波也是一個(gè)問(wèn)題，尤其是輸出線較長(zhǎng)時(shí)，可能產(chǎn)生天線效應(yīng)或?qū)⒃肼曬詈系较噜忞娐?。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可能更傾向于選擇升壓轉(zhuǎn)換器，但也僅僅是因?yàn)樗枰妮敵鲆€較少，可以放置在距離LED較遠(yuǎn)的位置。電荷泵因?yàn)橛写罅康妮敵鲞B線，要求IC與LED盡可能靠近。
升壓轉(zhuǎn)換器是把能量?jī)?chǔ)存在電感的電磁場(chǎng)中，會(huì)比電荷泵電容產(chǎn)生更強(qiáng)的EMI。所以，建議使用屏蔽電感或?qū)ο到y(tǒng)屏蔽。另外，升壓轉(zhuǎn)換器在電感和肖特基二極管的連接處有快速的高壓波動(dòng)，可以在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處加一個(gè)小電容來(lái)減緩開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生的EMI輻射，但這樣做會(huì)犧牲效率。
其它特點(diǎn)：根據(jù)需要而定
下列問(wèn)題不是升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵本身的特性，但在選擇任何具體的背光IC時(shí)，這些特性非常重要。
MAX1561和MAX1573都包含輸出過(guò)壓保護(hù)。這個(gè)特點(diǎn)可以防止IC在二極管(或任何輸出)開路時(shí)損壞IC。如果沒(méi)有這個(gè)功能，需要在外部加一個(gè)齊納二極管。
亮度控制在LED不工作的情況下降低LED的電流(顯示亮度)，以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。用戶也可以根據(jù)個(gè)人愛(ài)好調(diào)節(jié)顯示器的亮度。亮度調(diào)節(jié)的方式有許多種，包括模擬DAC、邏輯輸入、開/關(guān)PWM控制、PWM濾波、單總線脈沖接口和SPI?或I2C串口。MAX1561和MAX1573使用了多種亮度控制方法。
MAX1561用一個(gè)CTRL輸入控制亮度，這個(gè)信號(hào)可以是簡(jiǎn)單的開/關(guān)邏輯電平或DAC輸出的模擬信號(hào)，也可以是頻率在200Hz到200kHz的PWM信號(hào)。因?yàn)镸AX1561內(nèi)部集成了一個(gè)反饋環(huán)路，PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部濾波轉(zhuǎn)換成直流LED電流，與傳統(tǒng)的開/關(guān)PWM亮度控制相比具有更低的輸入/輸出紋波和噪聲。
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MAX1573用2個(gè)邏輯輸入：EN1和EN2，用于控制LED關(guān)閉和10%、30%、100%的電流等級(jí)。另外，當(dāng)EN2驅(qū)動(dòng)至高電平時(shí)，可以在EN1上加一個(gè)200Hz到20kHz的信號(hào)調(diào)節(jié)LED電流，利用PWM信號(hào)在10%至100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電流。另外，MAX1573的外部電阻Rset用來(lái)設(shè)置100%的電流最大值，因此，利用不同的電阻或在SET引腳施加一個(gè)模擬或邏輯信號(hào)同樣可以控制亮度。
軟啟動(dòng)用來(lái)抑制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，使電池電壓的跌落最小，以免對(duì)系統(tǒng)的其它電路造成影響。如圖6所示，MAX1561和MAX1573都包括軟啟動(dòng)電路。合理的軟啟動(dòng)機(jī)制可以防止任何輸入過(guò)沖電流，有些軟啟動(dòng)電路只能防止過(guò)沖電流不超過(guò)一定的限制。
圖6.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器(a)和MAX1573電荷泵(b)的軟啟動(dòng)和關(guān)斷波形都表明沒(méi)有輸入過(guò)沖電流(IIN)，使電池跌落最小，以免對(duì)系統(tǒng)的其它電路造成影響。
快速、固定開關(guān)頻率允許使用小尺寸的外部元件，保持較低的輸入/輸出紋波。但是，如果開關(guān)頻率過(guò)高，開關(guān)損耗會(huì)上升，效率將會(huì)降低。按照當(dāng)前的半導(dǎo)體工藝，最佳工作頻率范圍為600kHz至1.5MHz。一些背光驅(qū)動(dòng)IC采用不同頻率的PFM架構(gòu)或柵極振蕩器控制機(jī)制，可能會(huì)產(chǎn)生較大的輸入、輸出紋波，紋波存在大量的諧波分量，可能干擾其它電路的正常工作。如果使用PFM架構(gòu)，建議在使用之前進(jìn)行認(rèn)真評(píng)估。
較高的電流精度和匹配度，會(huì)使顯示器亮度和電源損耗達(dá)到最佳狀態(tài)，使不同LED之間的亮度差異最小。設(shè)計(jì)人員可能非常關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，但并非想象的那樣嚴(yán)格。即使電流精度達(dá)到了極致，LED本身也會(huì)存在±20%的亮度偏差。而且，人眼對(duì)于40%的整體亮度誤差和LED之間±30%偏差并不敏感。
老式的穩(wěn)壓型電荷泵中使用了很大的電阻，所能達(dá)到的精度和匹配度均無(wú)法接受。新的電荷泵中集成了多個(gè)電流調(diào)節(jié)器，為每個(gè)LED提供有源控制。即便這樣，在小電流情況下保持良好的匹配度仍然是一些IC設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)。升壓轉(zhuǎn)換器由于采用了串聯(lián)LED架構(gòu)，從根本上能夠在任意電流下保持優(yōu)異的匹配度，但升壓IC還需在整個(gè)亮度范圍內(nèi)保證合理的精度。
電荷泵在1倍壓模式和1.5倍壓模式下切換時(shí)，模式切換滯回功能可以防止LED閃爍。一種較好的自適應(yīng)模式轉(zhuǎn)換機(jī)制是對(duì)電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在電壓剛好跌落到最低門限之前切換工作模式，以便在盡可能地的電池電壓下保持高效的1倍壓模式。對(duì)每路電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常關(guān)鍵，否則，有些LED可能會(huì)在模式轉(zhuǎn)變之前發(fā)生閃爍，使得1.5倍壓模式開啟時(shí)出現(xiàn)明顯的LED亮度越變。一旦工作在1.5倍壓模式，滯回功能可以避免模式之間的反復(fù)切換，產(chǎn)生較大的輸入/輸出紋波和明顯的LED閃爍。如果滯回電壓設(shè)置過(guò)大，則在發(fā)生極小的電池電壓跌落時(shí)都會(huì)把電荷泵置于低效的1.5倍壓模式，而在電池電壓恢復(fù)正常時(shí)仍然阻止電荷泵返回到1倍壓模式。因此，需要對(duì)滯回進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，比如，MAX1573不僅監(jiān)測(cè)每個(gè)電流調(diào)節(jié)器，還采用了專利技術(shù)，主動(dòng)修改滯回門限，使效率達(dá)到最佳，并避免了閃爍(當(dāng)然，升壓轉(zhuǎn)換器，如MAX1561，并不需要模式轉(zhuǎn)換)。
上述比較表明電荷泵具有更大優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然，要根據(jù)具體情況和每個(gè)驅(qū)動(dòng)IC的特點(diǎn)選擇驅(qū)動(dòng)方式。到目前為止，大多數(shù)升壓轉(zhuǎn)換器可以提供更高效率，應(yīng)用更普遍。不過(guò)，既然新一代1倍壓/1.5倍壓電荷泵彌補(bǔ)了這個(gè)差距，電荷泵方案會(huì)在大多數(shù)新設(shè)計(jì)中受到青睞
