- 電路復雜性對比
- 物理尺寸對比
- 系統(tǒng)設計靈活性對比
- 輸出電壓紋波對比
- 外接旁路元件的對比
本文以MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器和MAX1573電荷泵為例，對兩種轉(zhuǎn)換架構(gòu)進行比較。文中評估了每種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點，所得出的結(jié)論有助于系統(tǒng)設計者選擇正確的方案。MAX1561和MAX1573幾乎是在同一時期、在同一工廠、采用相同工藝設計的，開關(guān)頻率均為1MHz，適合進行對比。
電路復雜性：電荷泵略占優(yōu)勢
圖1給出了兩種方案的電路圖，兩個電路都只有幾個簡單的外部元件，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[page]
圖2給出了兩種方案的效率，效率是在標準的鋰電池以C/5的速率放電為LED供電的情況下測量的。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狀態(tài)時的效率，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的測試條件下，整個電池工作時間內(nèi)的平均效率均為83%。當LED比較暗時，2mA/LED，電荷泵效率高于升壓轉(zhuǎn)換器。
上述結(jié)果出乎人們的預料，因為大多數(shù)電荷泵的效率達不到這樣的效率。MAX1573之所以能夠提供業(yè)內(nèi)領先的效率，是因為它包含了1倍壓旁路和1.5倍壓升壓電荷泵模式，并具有自適應切換功能，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。一些競爭產(chǎn)品雖然也包含了1倍壓模式，但工作在這種模式的時間較短，所以一般達不到83%的平均效率。
對于升壓轉(zhuǎn)換器，MAX1561是業(yè)界效率非常高產(chǎn)品。通過某些折中，也可以獲得更高的效率，例如：MAX1599，在18mA/LED時，效率是87%；在2mA/LED時，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
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。在對尺寸要求特別苛刻的情況下，也可以選擇2mmx2mm封裝的MAX1573，整個電荷泵方案的尺寸僅為11mm2。
圖3.因為要使用電感，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。如果使用晶片級封裝的MAX1573和0402封裝的1μF電容，整個電荷泵方案(c)的尺寸就會非常小。
系統(tǒng)靈活性：升壓轉(zhuǎn)換器占優(yōu)勢
升壓轉(zhuǎn)換器的一個重要的優(yōu)點是支持串聯(lián)LED，電荷泵只能驅(qū)動并聯(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，這個優(yōu)勢將非常重要。這種情況下，升壓轉(zhuǎn)換器只需極少的接點。除此之外，升壓轉(zhuǎn)換器可以支持更多的LED模塊，每個顯示模塊可以串聯(lián)不同數(shù)量的LED。而且，在實際應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)大大降低了設計風險。
為了提高電荷泵的效率，在電池直接驅(qū)動模式下，每個LED需要一個單獨的電流調(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)。有些競爭方案會在這種情況下產(chǎn)生很多問題：不使用的電流調(diào)節(jié)器需要通過不同方式關(guān)閉(例如，接OUT或浮空)；更糟糕的是，新設計的電荷泵可能采用共陰極LED，而非共陽極配置，這種情況下要求顯示模塊的改動更多。
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，LED必須與IC配套。
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紋波和噪聲：電荷泵占優(yōu)勢
因為電荷泵和升壓轉(zhuǎn)換器都是開關(guān)轉(zhuǎn)換器，它們會在輸入、輸出端產(chǎn)生電壓和電流紋波，在電感和開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生EMI。有時，這些紋波和噪聲會耦合到系統(tǒng)電路，如手機的RF接收器，影響性能。
輸入紋波顯然很重要，因為電池輸入在系統(tǒng)中對很多電路是公用的。圖5所示，在相同開關(guān)頻率、驅(qū)動同樣負載時，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。應當注意，MAX1573輸入端只需使用一個1μF的陶瓷電容，為了和MAX1561進行比較，我們將這個電容增大到2.2μF。把輸入電容提高到4.7μF或10μF可以進一步減小輸入紋波，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。
輸出紋波也是一個問題，尤其是輸出線較長時，可能產(chǎn)生天線效應或?qū)⒃肼曬詈系较噜忞娐?。為了解決這個問題，可能更傾向于選擇升壓轉(zhuǎn)換器，但也僅僅是因為它需要的輸出引線較少，可以放置在距離LED較遠的位置。電荷泵因為有大量的輸出連線，要求IC與LED盡可能靠近。
升壓轉(zhuǎn)換器是把能量儲存在電感的電磁場中，會比電荷泵電容產(chǎn)生更強的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，可以在開關(guān)節(jié)點處加一個小電容來減緩開關(guān)信號產(chǎn)生的EMI輻射，但這樣做會犧牲效率。
其它特點：根據(jù)需要而定
下列問題不是升壓轉(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，這些特性非常重要。
MAX1561和MAX1573都包含輸出過壓保護。這個特點可以防止IC在二極管(或任何輸出)開路時損壞IC。如果沒有這個功能，需要在外部加一個齊納二極管。
亮度控制在LED不工作的情況下降低LED的電流(顯示亮度)，以延長電池使用時間。用戶也可以根據(jù)個人愛好調(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CTRL輸入控制亮度，這個信號可以是簡單的開/關(guān)邏輯電平或DAC輸出的模擬信號，也可以是頻率在200Hz到200kHz的PWM信號。因為MAX1561內(nèi)部集成了一個反饋環(huán)路，PWM信號經(jīng)過內(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個邏輯輸入：EN1和EN2，用于控制LED關(guān)閉和10%、30%、100%的電流等級。另外，當EN2驅(qū)動至高電平時，可以在EN1上加一個200Hz到20kHz的信號調(diào)節(jié)LED電流，利用PWM信號在10%至100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電流。另外，MAX1573的外部電阻Rset用來設置100%的電流最大值，因此，利用不同的電阻或在SET引腳施加一個模擬或邏輯信號同樣可以控制亮度。
軟啟動用來抑制啟動時的浪涌電流，使電池電壓的跌落最小，以免對系統(tǒng)的其它電路造成影響。如圖6所示，MAX1561和MAX1573都包括軟啟動電路。合理的軟啟動機制可以防止任何輸入過沖電流，有些軟啟動電路只能防止過沖電流不超過一定的限制。
圖6.MAX1561升壓轉(zhuǎn)換器(a)和MAX1573電荷泵(b)的軟啟動和關(guān)斷波形都表明沒有輸入過沖電流(IIN)，使電池跌落最小，以免對系統(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)頻率過高，開關(guān)損耗會上升，效率將會降低。按照當前的半導體工藝，最佳工作頻率范圍為600kHz至1.5MHz。一些背光驅(qū)動IC采用不同頻率的PFM架構(gòu)或柵極振蕩器控制機制，可能會產(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)，建議在使用之前進行認真評估。
較高的電流精度和匹配度，會使顯示器亮度和電源損耗達到最佳狀態(tài)，使不同LED之間的亮度差異最小。設計人員可能非常關(guān)注這個問題，但并非想象的那樣嚴格。即使電流精度達到了極致，LED本身也會存在±20%的亮度偏差。而且，人眼對于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，所能達到的精度和匹配度均無法接受。新的電荷泵中集成了多個電流調(diào)節(jié)器，為每個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設計所面臨的挑戰(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，模式切換滯回功能可以防止LED閃爍。一種較好的自適應模式轉(zhuǎn)換機制是對電流調(diào)節(jié)器進行監(jiān)測，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。對每路電流調(diào)節(jié)器進行監(jiān)測非常關(guān)鍵，否則，有些LED可能會在模式轉(zhuǎn)變之前發(fā)生閃爍，使得1.5倍壓模式開啟時出現(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。如果滯回電壓設置過大，則在發(fā)生極小的電池電壓跌落時都會把電荷泵置于低效的1.5倍壓模式，而在電池電壓恢復正常時仍然阻止電荷泵返回到1倍壓模式。因此，需要對滯回進行優(yōu)化設置，比如，MAX1573不僅監(jiān)測每個電流調(diào)節(jié)器，還采用了專利技術(shù)，主動修改滯回門限，使效率達到最佳，并避免了閃爍(當然，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，當然，要根據(jù)具體情況和每個驅(qū)動IC的特點選擇驅(qū)動方式。到目前為止，大多數(shù)升壓轉(zhuǎn)換器可以提供更高效率，應用更普遍。不過，既然新一代1倍壓/1.5倍壓電荷泵彌補了這個差距，電荷泵方案會在大多數(shù)新設計中受到青睞
