负电荷泵白光LED驱动器的设计

概述

　 当前许多便携式消费类电子产品，例如手机、PDA、MP3播放器、笔记本等都带有显示屏，虽然不同的应用对于显示屏的种类以及大小会有所不同，但对于广大设计人员来说，都需要为其设计背光电路。白光LED被认为是小型手持设备彩色显示器的理想背光源。

　 驱动白光LED的最简单方法是采用电压源通过一个镇流电阻驱动LED（如图1所示）。这种驱动方式的优点是选择电压源的余地很大，调节器与LED之间只需要一个连接端点。但缺点也同样明显：其一，效率低下，这主要是由于镇流电阻的损耗造成的；其二，LED电流的稳流能力差，控制不精确，由于温漂以及LED的不匹配造成的LED正向电压的变化，将使最终的LED电流产生较大变化，从而影响背光亮度的控制。

　 因此，理想的白光LED驱动方式是采用恒流驱动，它能避免白光LED由于温漂造成的电流波动，或者由于LED不匹配造成的亮度不均，可以产生一个可控的LED正向电流。此时驱动器不需要输出稳定电压，只需控制流过LED的电流恒定，即可实现可控的亮度控制。

　 常见拓扑结构比较

　 LED的发光强度与流过LED的电流有关，电流越大，光强越高。常见数码相机和蜂窝电话中一般需要2至3个LED作为背光，而PDA中则一般需要3至6个LED背光。可以通过并联或者串联的方式驱动LED，这两种方式各有优缺点：串联方案中LED电流一致，电路控制简单，但需要较高的驱动电压；并联方案的电路较为简单，所需的驱动电压也较低，但LED数目较多时，需要多个控制通道，同时电流的一致性也较差。

　 LED驱动器从拓扑结构上分，主要可以分为基于电感的DC/DC驱动器以及基于电容的电荷泵驱动器，当然也有少数LED驱动器采用线性稳压器的驱动架构。由于基于电感的驱动器能够提供比较宽范围的输出电压，效率高，因此在很多设计中均采用基于电感的驱动器结构驱动多个串联LED。而基于电容的电荷泵驱动器省去了所需的外部电感，具有体积小、设计简单、成本低的特点，也比较受欢迎。由于基于电荷泵的LED驱动器只能产生输入电压的倍数(如：1.5倍、2倍)，有限的驱动电压使基于电荷泵的LED驱动器常用于并联驱动多个LED。至于采用线性稳压器的LED驱动架构，由于效率较低，并且只能工作于降压条件下，因此应用范围较为受限，无法用于采用单节Li+电池供电的手持设备。本文主要讨论基于电感的DC/DC驱动器和基于电容的电荷泵驱动器这两种常见的拓扑结构。

　 为适应便携式产品的应用需求，MAXIM提供了多种拓扑结构的LED驱动器，包括基于电感的LED驱动器，以MAX1553-MAX1554为代表，还包括MAX1561、MAX1582等器件；以及基于电容的电荷泵驱动器，以MAX1570为代表，其他产品还有MAX1575、MAX1576等。

　 MAX1553-MAX1554是一款高效、40V升压转换器，可用于驱动2-10只串联白光LED，为蜂窝电话、PDA和其它手持设备提供高效率的背光显示。该升压转换器内置40V、低RDSON的N沟道MOSFET开关，大大提高了转换效率并有效延长电池寿命。该器件具有模拟/PWM两种模式的亮度调节方法，独立的使能输入还可用于开/关控制。软启动功能可以有效抑制启动过程的浪涌电流。器件还具有可调节的过压保护电路，当检测到输出过压时，可关断内部MOSFET，从而降低输出电压。图2为MAX1553典型工作电路。

　 MAX1570分数型电荷泵能够以恒定电流驱动多达5只白色LED，来获得均匀的亮度。MAX1570利用1倍/1.5倍分数型电荷泵和低压差电流调节器，在整个Li+电池供电电压范围内保持最高的效率。MAX1570工作在1MHz固定频率，允许选用小巧的外部元件。经过优化的电流调节结构保证低EMI和低输入纹波。器件可以利用一个外部电阻设置满量程LED电流，两个数字输入控制开/关或选择三级亮度中的一级。器件还可采用脉宽调制(PWM)信号调节LED的亮度。MAX1570典型工作电路见图3。

　 从图2和图3中，可以看出基于电感的LED驱动器与基于电容的电荷泵型LED驱动器相比，电路结构较为复杂；功率电感的选取对电路性能的影响较大，对很多设计人员来说是一个难点；此外电感体积也较大，比较占用电路板空间。基于电容的电荷泵型LED驱动器仅需少数几个电容，设计较为简单，节省了电路板空间。然而，基于电感的LED驱动器与电荷泵型LED驱动器相比，在效率方面有较明显的优势，MAX1553在LED工作电流范围以内基本可以保持80%左右的效率（见图4a），且效率随电流变化波动较小，而MAX1570电荷泵型LED驱动器的效率在LED的工作电流范围内有较大波动，且轻载时的效率将低于80%（见图4b）。

可见，基于电容的电荷泵型LED驱动器虽然具有设计简单，节