光源驱动实现方案的分析对比
按照目前市场要求，光源驱动芯片要能提供大驱动电流输出，可以提供多路输出，并且还可以输出小电流。现有的低压差(LDO)稳压器、可调节稳压电源，虽然易于系统集成，但是驱动能力太弱，已经无法满足新的要求。
典型高亮度LED的工作电压和电流的关系、LED亮度与电流的关系如图1所示，一般手持设备所用锂离子电池的有效工作电压大约是3.0～4.2V，如果直接作为LED的电源，对于单个LED(或并联)，电压就有些过高且效率较低，而对多个LED串联又会出现电压不足的问题。所以，人们又提出了能够提供相对适宜的驱动电压和电流的背光驱动芯片。
(a)LED工作特性曲线
（b）LED亮度与电流的关系
图1 典型的LED工作特性和光效率
其次LED的控制方式主要有电压控制和电流控制两种，如图2所示。
（a）LED电压控制原理
（b）LED电流控制原理
图2 常用的控制方式和工作原理
所谓电压控制就是指只需驱动芯片提供额定的电压。电流控制就可以让输出电压随着负载的变化作调整，工作电流可按照设定要求稳定在某个值。这两种方式都需要反馈侦测。再分析图1(a)所示的LED的工作特性，无论是设定电压考察电流还是固定电流分析电压，实际上在同一的电流设定点要使LED产生近似相同亮度的电压浮动范围很大，因此不推荐使用电压控制，而采用电流控制显然有优势，能使得电流不依赖于驱动电压。
常见的电流控制的拓扑结构有两大类：电容式和电感式，两种结构都可以通过脉宽调制(PWM)做开关控制，开关频率为30kHz～2MHz，随着器件工艺水平的提高，开关速度还可能增加，效率也会得到相应的提升。随着LED设计工艺技术的提高，可以制造出更大功率和高亮度的器件，就需要相应的超大电容结构来满足设计性能，弥补前面两种在驱动能力上的不足。
电容式驱动拓扑结构的主要贮能元件是电容，按照负载端的要求可以产生1倍、1.5倍或者2倍于输入的输出电压，从图3到图5分别是它们的工作原理。
图3 电容式1倍压充放电过程
图4 电容式1.5倍压充放电过程
图5 电容式2倍压充放电过程
对于电容式驱动结构，根据能量守恒分析，其输入端的电流也会随着倍数关系变化，即当1倍压时输入端电流等于输出端电流，当1.5倍压时输入端电流是输出端电流的1.5倍，当2倍压时输入端电流是输出端电流的2倍。同时，这种结构的效率按照电压关系来计算，其中M是电压变化倍数。图6所示为在不同设定电流处，在这几种倍数关系时效率的变化曲线。假定输入电压为3.6V，输出电压为3.5V，如果采用2倍升压，则效率仅有50%，如果1.5倍升压则效率只有65%，而1倍升压的效率可以达到97%以上。
图6 电容式结构效率的仿真结果
电感式结构的主要贮能元件是电感，输出电压可以通过控制一个周期内的充放电的占空比，来达到线性调节，图7所示为一个能够自适应实现升压或降压的拓扑结构，它的工作原理是：(1)S1和S3闭合，升压模式，电感两端的电压等于输入电压；(2)S1和S4闭合，前向导通模式，电感两端的电压等于输入电压减去输出电压；(3)S2和S4闭合，降压模式，电感两端的电压等于反向输出电压。
（a）电感式结构
（b）电感式结构的实现电路
图7 自适应实现升压或降压的拓补结构及电路
与电容式结构相比较，电感式结构的效率是从电流角度来分析的，假定以2MHz的开关频率工作，在降压模式从2.5V到1.2V，而升压模式从2.5V到5V，每一个MOS管的内阻近似为0.17Ω，那么当选取不同的电感值时仿真得到的效率曲线分别如图8和图9所示。
图8 降压模式从2.5V到1.2V效率的仿真结果
图9 升压模式从2.5V到5V效率的仿真结果
综合升压和降压的仿真结果可以得出，在2MHz的开关频率和MOS管的设计内阻近似为0.17Ω条件工作时，贮能电感的取值范围可以小于4.7μH，由图中可以看出，在一般情况下2.2μH甚至1.5μH都是可以接受的，这就意味着不但降低了成本，而且还可以在PCB设计中节省布局空间。
超级电容模式是针对以上两种结构的局限而产生的，因为前两种结构的最大输出电流受到电池使用规格的限制。如果假定工作电流均可以达到1A，且输出电压是输入电压的2倍，根据前面给出的效率表达式，假定各自的平均效率可以达到80%，那么映射到输入端的电流就可以达到2.5A，从而会引起过放电和很大的压降，这对于锂离子电池是不允许的。所以当输入端电池需要提供的电流大于2A或者更大时，就需要对电池输出电流进行限制，相应在负载端还需要一个贮能电容，容值一般在0.2F到1F。图10就是基于这种概念给出的定义。
图10 超级大电容模式结构框图
对于这种新型结构的工作原理，首先通
