充电泵与升压转换器不同LED驱动器解决方案之间的较量

过去几年间，便携式设备的显示器与键盘发光功能对白光 led 驱动器的需求快速增长，这种增长源于彩色显示屏的出现，特别是移动电话与其他手持设备中的有源矩阵 lcd 推动。几乎所有电源管理厂商都提供白光 led 驱动器，不过市场基本分为两大阵营。有人喜欢充电泵解决方案，而有人则喜欢升压转换器解决方案。选择升压转换器的理由很简单，如效率较高等。本文将对比充电泵解决方案与升压转换器解决方案的具体因素，并讨论可能存在的电磁干扰 (emi) 问题。

针对白光 led 驱动器选择升压转换器或充电泵解决方案时，重要的是考虑两种解决方案的所有具体因素。我们应当认识到，不同的最终应用对白光 led 驱动器的要求可能差别极大，这点非常重要。举例来说，对于 lcd 模块制造商而言，组件高度可能是最重要的设计参数，而对于个人数字助理 (pda) 制造商来说，最重要的设计参数则可能是效率问题。图 1 显示了白光 led 充电泵驱动器的典型应用，这里使用的器件为tps60230。

tps60230 通常由锂离子电池直接供电，典型电压范围为 3.0 ~ 4.2v ，可同时为最多 5 个 led 供电，每个电流为 20ma。图 2 显示了典型的白光 led 驱动器 tps61062，这是一种升压转换器解决方案。

图 2 所示的升压转换器是 ic 技术的最新开发成果之一，作为全面集成的同步升压转换器，无需外接肖特基二极管。这就能够实现尺寸最小的解决方案，所需的外部组件数量最少。基于图 1 与图 2 所示的解决方案，我们将讨论升压转换器与充电泵解决方案最重要的设计参数以及二者之间的差异。不过，二者设计当中也有相同之处，我们也可将充电泵与升压转换器白光 led 驱动器加以比较。

效率——充电泵与升压转换器的对比

我们几乎很难笼统地说充电泵解决方案就是一个高效的解决方案，这是因为整体效率取决于 led 正向电压、锂离子电池放电特性以及 led 电流等具体应用参数，他们基本上决定着充电泵的工作模式。图3显示了充电泵解决方案的典型效率曲线。当转换器工作在“ldo 模式”情况下时，增益为 1，输入电压范围从 4.2v 降至 3.6v 不等，效率水平高于 75%，如图 3 所示。在 ldo 模式中，充电泵的作用就像ldo一样，输入电压经稳压降至 led 正向电压，通常为 3.1~ 3.5v。ldo 模式的另一积极作用是，器件不发生开关交换，因此可以避免 emi 问题。

但是，根据led正向电压以及驱动器ic内部电压下降的情况不同，在驱动器从“ldo模式”转为升压模式 (boost mode) 而采用的增益为 1.5 时，效率会大幅下降。在升压模式下，器件发生交换开关，内部生成的电压轨比输入电压高 1.5 倍，这需要进行调节，降至 led 正向电压的水平，这就降低了效率。因此，驱动器工作在 ldo 模式下的时间越长，充电泵效率就越高。

与充电泵解决方案不同，升压转换器 tps61062（如图 4 所示）在锂离子电池的整个输入电压范围下效率均达到 75% ~ 80%。某些升压转换器解决方案在使用外部校正器二极管的情况下其效率甚至高达 85%，如 tps61042。如果为少于 5 个led 供电，那么效率甚至还会提高，因为输入到输出电压转换之比较低。总体说来，升压转换器的效率比充电泵解决方案略高，特别在为 4 个乃至更多 led 供电时更是如此。

解决方案尺寸——充电泵与升压转换器的对比

过去，充电泵解决方案是明显的优胜者，这主要是由于升压转换器采用较大的感应器和外部肖特基二极管。随着最新技术的发展以及更高的集成度，升压转换器的解决方案尺寸大小也达到与充电泵解决方案大致相当的水平。由于充电泵驱动器所需的引脚数量较大，因此器件封装也相应较大，需要两个外部快速电容器 (flying capacitor)，在这种情况下，充电泵解决方案的大小与升压转换器相当甚至还要再大些。如果我们将升压转换器的开关频率上升至高达 1mhz，就能使用小型的感应器、输出和输入电容。此外，tps61062 的内部控制回路经过设计，可让感应器电流通常不达到正常操作下的最大交换电流。这就使我们能采用较小的感应器，其最大额定电流刚好达到感应器的最大峰值电流。例如，我们向 4 个 led 供电时，饱和电流为 200ma 的感应器就足够了。如果没有特定的内部环路设计，感应器饱和电流必须额定为 400ma，这就要求更大的感应器，感应器内核也较大。

组件高度——充电泵与升压转换器的对比

特别当组件高度小于 1mm 的情况下，感应器会相当大。因此当组件高度必须小于1mm 时，充电泵解决方案可能是更好的选择。

emi 考虑事项——充电泵与升压转换器对比

本部分不讨论如何满足任何国际电磁兼容性 (emc) 标准（如 ce[符合欧洲标准]等）。我们将集中讨论无线系统由于使用开关转换器造成的射频 (rf) 失真问题。电磁干扰 (emi) 总是我们需要考虑的问题，特别在无线应用方面更是如此，在这种情况下我们必须避免发射机与接收机频带的失真。

在考虑到 emi 问题时，设计人员仍是总想采用充电泵解决方案，这有些令人吃惊。人们这样做的原因之一可能是因为“害怕”升压转换器所要求的感应器会带来问题。通常说来，可能的电磁辐射不会是大问题，因为 rf 敏感区周围的感应器是屏蔽的，具有电磁屏蔽，大多数 rf 应用中都是这种情况。电感式增压转换器造成emi 问题的最可能的“真实”原因在于，输入和输出电压过滤不足造成传导放射，或印刷电路板 (pcb) 布局不理想。不良的 pcb 布局和组件放置是造成 emi 的主要原因之一，甚至也是升压转换器不稳定的罪魁祸首。

在锂离子电池供电的无线系统中，白光 led 驱动器的开关噪声进入 rf 系统，与白光 led 驱动器的输入耦合。带有脉动输入电流的白光 led 驱动器输入直接连接至电池电极。由于 rf 部分也由电池供电，因此白光 led 驱动器输入端的开关噪声也存在于电池电极处，同时也存在于 rf 电路的输入端，这会导致严重的干扰。为了明确哪种 led 驱动器解决方案在传导 emi 方面的性能更好，我们应比较升压转换器与充电泵解决方案的输入电压纹波。

一种评估解决方案的办法就是用频谱分析仪检查输入端。如果器件以固定的开关频率工作，那么频谱将显示基波的开关频率及其谐波。图 5 显示了用频谱分析仪测量升压转换器 tps61062（带有标准的1 f输入电容）输入端的例子。

图 5 显示了频率为 1mhz 时的基本情况，谐波在更高的开关频率上。为了将 rf 部分的干扰降至最低，基波频率及其谐波应尽可能高，振幅则应保持较低。这是因为转换器的开关频率会与发射机的载频相混合，使边带也有载频。边带出现在发射机的输出频带中，刚好比发射机频率高和低一个开关频率。开关频率越低，边带离载频就越近，可降低发射机的信噪比。开关频率越高，边带离载频就越远，并加大发射机的信噪比。当然，转换器开关频率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因为如此，固定的转换器开关频率等于及高于 1mhz 时，通常适合大多数应用的要求。

我们不查看输入频谱，而是用示波器测量输入电压纹波，图 6 及图 7 显示了升压转换器与充电泵解决方案的情况。

图 6 显示了交换节点 ch1 及 ch2 上的输入纹波电压。如仅采用 1 f 输入电容，峰到峰值输入纹波电压为 32mv。图 7 显示了充电泵解决方案的类似输入纹波电压（输入电容也为 1 f，为 5 个 led 供电）。
在相同设置下，充电泵解决方案的输入纹波电压是升压转换器解决方案的两倍。这是由于充电泵工作于 1.5 增益模式下会生成几乎为方形波的输入电流。作为输入滤波器，充电泵只有输入电容。而升压转换器带有电感及输入电容，可更好地完成输入滤波器的工作，从而实现较低的输入电压纹波。为了进一步降低输入电压纹波，在采用升压转换器以及充电泵解决方案时最有效的方法就是增加输入电容的值。就非常敏感的应用而言，我们还可考虑增加额外的 lc 输入滤波器，这要用到较小的铁氧体磁珠。

结论

我们可以清楚地看到，充电泵解决方案满足不了所有的应用，升压转换器解决方案也是如此。选择解决方案时要根据具体的最终应用要求及关键参数来考虑。此外，我们也清楚地认识到，充电泵解决方案在 emi 方面并不优于升压转换器解决方案。表 1 总结了选择充电泵或升压转换器解决方案时的重要选择标准。