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电荷帮浦与升压式转换器适用时机
 

【作者: Max Hu】2007年12月05日 星期三

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电荷帮浦与升压式转换器,同样利用储能组件配合开关作调节,以达到提升输出电压的目的,但两者在应用上仍具有不同的性能表现,本文以最普遍的升压应用「驱动白光LED」简单比较两者优缺点,提供系统设计者参考。


如(图一)是电荷帮浦的雏型。当开关SW1、SW2闭合且SW2、SW3打开时Vin电源对CFly电容器充电,此时CFly两端电压等于Vin(忽略开关电阻压降),当SW1、SW2打开且SW2、SW3闭合时CFly端电压电压便迭加在Vin电源上,令输出电压Vout为2Vin。



《图一 电荷帮浦电路》 - BigPic:757x163
《图一 电荷帮浦电路》 - BigPic:757x163

由图一的动作方式可以归纳出几个特性:


  • (1)利用CFly电容器电压VC于充放电过程中恒为正之特性作为提升输出电压的媒介;


  • (2)最高输出电压为出厂默认值2Vin,无法调整;


  • (3)开关组件通常以晶体管呈现并存在于芯片当中,故CFly充放电之电流都在芯片内流动,容易使芯片发烫;


  • (4)为维持输出电压不变,负载电流受到开关交替切换频率与CFly电容器大小影响,在电容器反应速度够快的前提下,大的负载电流需要大的CFly电容器或更快的开关切换频率以供应快速流失的电荷;


  • (5)开关切换使CFly快速充放电,需要Cin与Cout电容器稳定电压,由于CFly提供之电流并非连续,故Cout电容器要比CFly大得多;


  • (6)由于不容易产生较高的输出电压,若需驱动多颗LED则以并联为主。



如(图二)为升压式转换器的雏形。当开关SW1闭合且SW2打开时Vin电源对LFly电感器充电(VL为正值),当SW1打开且SW2闭合时LFly放电(VL为负值),输出电压Vout等于输入电压Vin加上电感电压VL。



《图二 升压式转换器电路》 - BigPic:755x148
《图二 升压式转换器电路》 - BigPic:755x148

由(图二)的动作方式可归纳出几个特性:


  • (1)利用LFly电感器电压VL于充放电过程中极性变换之特性作为提升输出电压的媒介;


  • (2)输出电压仅受到开关最大责任周期(duty cycle)、切换频率与外部组件额定电压限制;


  • (3)开关组件SW1通常以晶体管方式存在于芯片中,而SW2多以萧特基(Shottky)二极管代替,只有LFly充电电流会经过芯片,较不容易发烫;


  • (4)为维持输出电压不变,开关交替切换频率受到LFly电感器大小与负载电流影响,在电感器反应速度够快的前提下,大的负载电流需要大的LFly电感器或更快的开关切换频率以供应快速流失的电荷;


  • (5)输出电压提升的程度受到开关导通时间控制,故较电荷帮浦容易得到高输出电压,应用于驱动数颗LED时多为串联。



为说明两种升压方式的优缺点,选择了两个条件类似的电源转换芯片作比较,分别是G5912电荷帮浦芯片与G5127升压式转换器控制芯片,应用电路如(图三)与(图四)。


《图三 G5912标准应用电路》
《图三 G5912标准应用电路》
《图四 G5127标准应用电路(G5127最多可推动9颗LED,为与电荷帮浦作比较才推动4颗)》
《图四 G5127标准应用电路(G5127最多可推动9颗LED,为与电荷帮浦作比较才推动4颗)》

以下是两种升压方式驱动白光LED的比较与说明:


亮度一致性

当白光LED两端电压高于顺向电压(约3~4v)即发光,其发光亮度与顺向电流有关,由于制程上的差异使LED顺向电压与阻抗略有不同,因此为了让亮度一致必须监控LED的顺向电流。(图五)为两种驱动方式保持亮度一致的作法。



《图五 保持LED亮度一致的作法》
《图五 保持LED亮度一致的作法》

由于电荷帮浦多为二倍升压(输出电压为两倍输入电压),因此驱动LED以并联为主,为作到流过LED的电流相同必须侦测与控制每个LED的电流,故电流控制电路较复杂;升压式转换器只需改变开关工作周期即可轻易提升输出电压,故驱动LED以高电压串联为主,由于串联回路使流过LED的电流相同,因此只需要一组侦测电路,比电荷帮浦容易作到亮度匹配。


调光功能

小型可携式电子产品如PDA、手提式电话、数字相机与数字摄影机等,为了省电故LCD屏幕允许用户调整亮度,又电子产品不可能以调整电阻的方式控制流过背光LED之电流,不仅无法实时调整,效率也太差,因此目前均以开关的方式调整亮度,调光电路如(图六),测试波形分别如(图七)与(图八)。



《图六 LED调光控制》 - BigPic:639x200
《图六 LED调光控制》 - BigPic:639x200

《图七 G5912调光测试》
《图七 G5912调光测试》

《图八 G5127调光测试》
《图八 G5127调光测试》

当控制电流的开关导通时LED发亮,开关关闭时LED熄灭,如图六将芯片的控制接脚给定一脉波宽度调变(PWM)讯号就能让系统控制背光模块的亮度,PWM的工作周期愈小则LED发光时间愈短,亮度愈暗。


由于可携式电子产品多数时间处于待机状态,又升压式转换器在待机时输出电压约等于输入电压,LCD背光模块虽未动作但仍消耗微小的功率,因此为了更进一步省电可以在LED回路中加入晶体管作负载切断,电路如(图九),测试波形如(图十)。


《图九 加入晶体管让升压式转换器在调光时更省电》
《图九 加入晶体管让升压式转换器在调光时更省电》

《图十 加入晶体管的测试波形》
《图十 加入晶体管的测试波形》

比较图八与图十,加入晶体管作负载切断不仅能省电,还能令调光过程中输入与输出电流相位差变得更小,减少虚耗的功率就能提高工作效率。


效率的差异

在白光LED驱动电路中效率的评估有两个方向,一是驱动芯片作电压转换的效率,二是驱动芯片将功率传送给LED的效率,因为LED才是真正的负载,与LED串联用以侦测电流的电路并非负载的一部份,因此必须加以区隔。(图十一)与(图十二)分别比较了两种升压驱动方式的效率。



《图十一 20mA LED电流下输入电压对效率曲线》
《图十一 20mA LED电流下输入电压对效率曲线》

《图十二 3.7v输入电压下LED电流对效率曲线》
《图十二 3.7v输入电压下LED电流对效率曲线》

由于每个LED顺向电压不同,为确保并联之LED均发挥作用,电荷帮浦会以高顺向电压的LED作为升压依据,若并联的LED顺向电压不匹配则低顺向电压的LED路径会为了作电流平衡而产生额外功率损耗,故电荷帮浦的传输效率除受到LED自身损耗影响之外还须视并联LED的匹配程度而定。升压式转换器的功率传输就较直接,不论串联LED是否匹配只要输出电压足以让LED发光并产生电流讯号,则回路控制器便能提供适当的输出给LED负载,因此没有多余的损耗,功率传输效率会好得多。


操作温度的差异

由于电荷帮浦的LED电流匹配机制使操作温度相对的较高,LED回路可供应的最大电流受到芯片自身热损耗限制,因此电荷帮浦的印刷电路板布局(PCB layout)必须预留适当的散热面积;如(图十三)热影像图,右方电荷帮浦的操作温度明显比左方升压式转换器高。


《图十三 相同LED电流下的电路板热影像图》
《图十三 相同LED电流下的电路板热影像图》
《图十四 印刷电路板布局》
《图十四 印刷电路板布局》

过电压保护(over voltage protection)

多数应用将LCD背光模块与驱动芯片分别置于不同的接口,两者间以引线相连,当引线脱落时驱动芯片无法侦测到LED电流,回授控制器便开始提升输出电压(目的是让LED进入导通状态建立电流讯号),为了避免输出电压过度提升,驱动芯片都会内建过电压保护机制。


过电压保护的实现对电荷帮浦而言较为单纯,因为是并联LED,不管并联几个其输出电压都相同,过电压保护点不会改变。而升压式转换器的过电压保护就比较麻烦,因为输出电压会随串联LED数目而不同,所以只会有最大的过电压保护点;假设为了驱动最多串联9个LED将过电压保护点订为40v,若电路设计者仅串接4个LED,则当引线脱落时输出电压仍会上升至40v才作保护,因此必须使用可承受40v的萧特基二极管阻挡输出电压反馈,还需要可承受40v的输出电容器,非常不合效益,因此使用升压式转换器应尽量驱动多数LED。


结语

而升压式转换器的过电压保护就比较麻烦,因为输出电压会随串联LED数目而不同,所以只会有最大的过电压保护点;假设为了驱动最多串联9个LED将过电压保护点订为40v,若电路设计者仅串接4个LED,则当引线脱落时输出电压仍会上升至40v才作保护,因此必须使用可承受40v的萧特基二极管阻挡输出电压反馈,还需要可承受40v的输出电容器,非常不合效益,因此使用升压式转换器应尽量驱动多数LED。


电荷帮浦功率传输效率较差,需要注意散热,输出电压变动范围小,仅适合并联驱动少数LED,但是外部零件少,能节省较多空间,不过需要较多的引线连接背光模块。


而升压式转换器功率传输效率高,输出电压变动范围大,适合串连驱动多数LED,且仅需两条引线与背光模块相连,但外部组件多且昂贵(电感器与高额定电压之组件),过电压保护也有盲点,驱动低于最大串接LED数的应用需特别留意。


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