為當今手持電子設備中的白光LED供電需要專門的穩(wěn)壓器。存在兩種常見的調節(jié)器樣式，每種樣式都有自己的優(yōu)點和缺點。本應用筆記討論了每種穩(wěn)壓器的優(yōu)勢。MAX1561和MAX1573作為示例。

當今的手持式電子產(chǎn)品通常采用彩色LCD顯示屏，以白色LED作為背光。為白光LED提供最佳供電需要專門的穩(wěn)壓器，既要克服LED的高正向電壓，又要提供恒流驅動，以最大限度地減少電池電壓和LED之間的強度變化。為此，有兩種主流穩(wěn)壓器類型：基于電感的升壓轉換器和基于電容的電荷泵轉換器。每種穩(wěn)壓器類型都有特定的優(yōu)點/缺點，因此最佳選擇取決于系統(tǒng)的特定優(yōu)先級。

本文比較了每種類型的先進穩(wěn)壓器，MAX1561升壓轉換器和MAX1573電荷泵。評估每種穩(wěn)壓器類型的優(yōu)點，結論將有助于系統(tǒng)設計人員選擇合適的解決方案。MAX1561和MAX1573特別適合比較，因為兩款產(chǎn)品是同時設計的，在同一設施中采用相同的工藝制造，并且開關頻率相同，為1MHz。

原理圖復雜性：對電荷泵略有優(yōu)勢

圖1顯示了兩種穩(wěn)壓器解決方案的原理圖。電路很簡單，只需幾個外部元件，但升壓轉換需要一個電感器和肖特基二極管。（一些競爭的升壓轉換器集成了肖特基二極管，但通常會降低效率。

圖1.MAX1561升壓轉換器（a）和MAX1573電荷泵（b）是兩種先進的白光LED供電方案。電路復雜度相似，但電荷泵不需要電感。

效率：電荷泵略有優(yōu)勢

圖2顯示了兩種解決方案的效率。效率的測量方法是在標準化鋰離子電池C / 5放電曲線期間LED中的功率除以電池功率。18mA/LED的曲線表示正常背光亮度水平下的效率;升壓轉換器和電荷泵的平均值均為83%。圖中還顯示了2mA/LED處的曲線，表示長時間不活動期間變暗時的效率;與升壓轉換器的76%相比，電荷泵的平均效率高達59%。

圖2.MAX1561升壓轉換器（a）和MAX1573電荷泵（b）在Li+電池壽命內，在83mA/LED下的平均效率均為18%。然而，當調光至2mA/LED時，電荷泵的效率遠高于升壓轉換器。

上述結果有些令人驚訝，因為大多數(shù)電荷泵的效率并不高。MAX1573具有1倍直通和1.5倍升壓電荷泵模式、自適應模式切換和極低壓差線性電流調節(jié)器，可在電池電量下降時盡可能長時間地保持在更高效的1倍模式，從而獲得同類領先的效率。沒有1倍模式的舊式電荷泵通常只能獲得50%至67%的效率。此外，一些包含1倍模式的競爭電荷泵在大部分電池壽命中無法使用它，因此獲得的平均效率遠低于83%。

轉向升壓轉換器，MAX1561是業(yè)界效率最高的轉換器之一。盡管如此，如果進行權衡，效率是可能的。MAX1599就是一個很好的例子，它在87mA/LED時的效率為18%，在71mA/LED時的效率為2%。MAX1599與MAX1561完全相同，只是其振蕩器從1MHz減慢至500KHz，以降低開關損耗。由于頻率降低，電感的物理尺寸增加了一倍。

物理尺寸：電荷泵的優(yōu)勢

圖3顯示了兩種解決方案（包括外部元件）的PCB尺寸。雖然升壓轉換器的引腳數(shù)較少，可實現(xiàn)更小的 3mm × 3mm 封裝，但電感器的總占位面積更大，高度更高。接近1mm高度的電感器將需要比圖3所示更多的電路板空間。雖然電荷泵采用較大的4mm×4mm封裝，但它只需要四個小型1uF陶瓷電容。圖3（b）顯示的電容器尺寸為0603，但至少有三家制造商已經(jīng)提供更小的0402尺寸，如圖3（c）所示。對于空間極其受限的應用，MAX1573電荷泵還提供2mm×2mm芯片級封裝，使整個電荷泵方案僅需11mm2.

圖3.由于需要電感器，升壓轉換器（a）比電荷泵（b）需要更多的電路板面積和高度。采用芯片級封裝和1uF 0402尺寸電容器，電荷泵解決方案（c）變得非常小。

系統(tǒng)靈活性：升壓轉換器的優(yōu)勢

升壓轉換器的一個重要優(yōu)勢是，與電荷泵的并聯(lián)排列相比，LED是串聯(lián)連接的。如圖4（a）所示，這種串聯(lián)配置只需要升壓轉換器和LED之間的兩條走線。如果LED安裝在單獨的顯示模塊中，而升壓轉換器或電荷泵保留在主系統(tǒng)PCB上，則尤其具有優(yōu)勢。在這種情況下，升壓轉換器消耗較少的連接器端子。此外，可以在大量型號中使用相同的升壓轉換器電路，每個型號在顯示模塊中使用不同數(shù)量的LED?；蛘呷魏翁囟ㄐ吞柕娘@示模塊可以隨時更改，而不會影響升壓轉換器電路。相反，可以更改升壓轉換器，而不會影響顯示模塊。這種 LED 串聯(lián)可顯著降低設計進度的風險。

為了使電荷泵高效，1x模式需要為每個LED安裝一個單獨的電流調節(jié)器，如圖4（b）所示。如果 LED 的數(shù)量發(fā)生變化，則 LED 的走線數(shù)量也必須發(fā)生變化。此外，有時還必須更改原理圖，以禁用未使用的電流調節(jié)器（例如，將未使用的電流調節(jié)器連接到MAX1573的IN）。如果將電荷泵更改為競爭解決方案，則會產(chǎn)生問題：未使用的電流調節(jié)器可能通過不同的方式禁用（例如，連接到OUT或保持浮動）;更糟糕的是，新的電荷泵可能設計為具有公共陰極而不是公共陽極的LED排列，因此需要進一步更改顯示模塊。

圖4.升壓轉換器 （a） 只有兩個連接到 LED，而電荷泵 （b） 需要多個連接。使用升壓轉換器時，靈活性更大，因為可以在不影響升壓原理圖的情況下更改 LED 數(shù)量，或者可以在不影響 LED 排列的情況下更改升壓轉換器 IC。對于電荷泵，LED的排列方式在某種程度上特定于所使用的特定IC。

紋波和噪聲：電荷泵的優(yōu)勢

由于電荷泵和升壓轉換器是開關穩(wěn)壓器，它們在其輸入和輸出上產(chǎn)生電壓和電流紋波，并從電感和開關節(jié)點輻射EMI。有時，這種紋波和噪聲可能會耦合到產(chǎn)品內的其他敏感電路中，例如蜂窩電話中的RF收發(fā)器，并導致性能問題。

輸入紋波顯然很重要，因為電池電源線對于系統(tǒng)中的許多電路都是通用的。然而，圖5顯示，當以相同頻率開關、驅動相同輸出負載和利用相同輸入電容時，電荷泵和升壓轉換器的輸入紋波非常相似。需要注意的是，MAX1573只需要1uF的輸入電容，但為了公平比較，電容增加到2.2uF，與MAX1561相匹配。將輸入電容增加到 4.7uF 或 10uF 可進一步降低兩個器件的輸入紋波，而只需很少的額外成本或物理尺寸。

圖5.升壓轉換器 （a） 和電荷泵 （b） 在以 1MHz 開關、為相同數(shù)量的 LED 供電以及使用相同的輸入電容時，其輸入紋波非常相似。然而，由于LED連接數(shù)量較多，電荷泵鼓勵更短的輸出走線（天線），并且與升壓轉換器從其電感和開關節(jié)點產(chǎn)生的EMI相比，跨接電容器產(chǎn)生的EMI更少。

輸出紋波也是一個問題，特別是對于長輸出走線，它可能充當天線，甚至將噪聲電容耦合到附近的電路。升壓轉換器更容易出現(xiàn)此問題，但這只是因為它們使用的輸出走線較少，因此更有可能放置在離LED更遠的地方。電荷泵的大量輸出連接自然會鼓勵IC和LED更緊密地連接。

由于升壓轉換器將能量存儲在電感的磁場中，因此它們比電荷泵的跨接電容器輻射更多的EMI。因此，建議在系統(tǒng)外殼內使用屏蔽電感或隔間屏蔽。此外，升壓轉換器還具有較大的電壓擺幅，電感和肖特基二極管之間的開關節(jié)點邊緣非常鋒利。雖然在開關節(jié)點上增加一個小電容可能會軟化快速邊沿并降低EMI，但不幸的是，效率會降低一些。

其他重要功能：優(yōu)勢取決于需求

雖然以下特性不是升壓轉換器或電荷泵所固有的，但它們仍然是選擇任何特定背光驅動器IC時需要評估的重要特性。

MAX1561和MAX1573均提供輸出過壓保護。此功能可防止 IC 在 LED（或輸出連接）開路時發(fā)生故障時損壞自身。如果沒有此功能，則需要一個外部齊納二極管。

調光控制用于在一段時間不活動后降低LED電流（顯示亮度），以延長電池壽命。也可以采用調光來調整顯示器的正常亮度級別以適應用戶的偏好。有許多調光技術，包括模擬DAC、邏輯輸入、開/關PWM、濾波PWM、1線串行脈沖接口和SPI?或我2C* 串行接口。MAX1561和MAX1573給出了各種調光方法。

MAX1561采用單路CTRL輸入，可用于簡單的邏輯電平開/關，由DAC的模擬信號驅動，或直接由200Hz至200KHz的PWM信號驅動。由于MAX1561設計有集成反饋環(huán)路，PWM信號經(jīng)過內部濾波，產(chǎn)生直流LED電流，與傳統(tǒng)的開/關PWM調光相比，輸入/輸出紋波和噪聲要小得多。

MAX1573使用兩個邏輯輸入EN1和EN2來控制關斷、10%、30%和100%LED電流。此外，當將EN2驅動為高電平并向EN200施加20Hz至1KHz PWM信號時，LED電流在PWM占空比下在10%至100%之間快速切換。此外，MAX1573具有一個外部電阻Rset，用于設置100%電流電平，允許通過切換不同的電阻或將模擬或邏輯信號通過第二個電阻相加到SET節(jié)點進行調光。

軟啟動用于降低啟動時的浪涌電流，從而最大限度地減少可能破壞系統(tǒng)中其他電路的電池電壓下降。MAX1561和MAX1573均具有軟啟動功能，如圖6所示。一些軟啟動算法可防止任何輸入電流過沖，而效率較低的算法只是防止電流過沖過大。

圖6.MAX1561升壓轉換器（a）和MAX1573電荷泵（b）的軟啟動和關斷波形顯示無輸入電流（I在） 過沖。這最大限度地減少了電池輸入電壓下降，因此由電池供電的其他電路不會中斷。

快速固定頻率開關允許物理上較小的外部元件，并保持較低的輸入/輸出紋波。但是，如果開關發(fā)生得太快，開關損耗會增加，效率也會受到影響。在當今的半導體工藝中，600KHz至1.5MHz范圍內的頻率似乎是最佳的。一些背光驅動器IC使用變頻PFM或門控振蕩器控制方案，可能會產(chǎn)生較大的輸入和輸出紋波，諧波含量豐富，可能會對其他電路造成干擾。使用這些PFM方案時，建議仔細評估。

良好的電流精度和匹配功能可將顯示器亮度和功耗保持在目標水平，并最大限度地減少LED之間的任何亮度變化。盡管此規(guī)范受到了很多關注，但它并不像人們想象的那么重要。即使具有完美的電流精度，LED本身也有±20%的亮度變化。此外，人眼對40%的總亮度誤差和±30%的LED與LED不匹配相當不敏感。

舊式電壓調節(jié)電荷泵使用鎮(zhèn)流電阻來實現(xiàn)略微不可接受的精度和匹配。新型電荷泵通過集成多個電流調節(jié)器（每個LED一個）來主動控制各個電流，從而解決了這一挑戰(zhàn)。盡管如此，對于某些電荷泵IC來說，在低電流水平下調光時保持良好的匹配仍然是一個挑戰(zhàn)。對于升壓轉換器，串聯(lián)LED連接在任何電流水平下都能提供固有的完美匹配，但升壓IC仍然需要在整個亮度范圍內提供合理的精度。

電荷泵模式 - 改變遲滯可防止在 1x 和 1.5x 電荷泵模式之間切換時出現(xiàn) LED 閃爍。良好的自適應模式變化方案可監(jiān)控電流調節(jié)器，以便在壓差之前啟動模式變化，從而保持更高效的1倍模式，直至盡可能低的電池電壓。監(jiān)控所有電流調節(jié)器非常重要。否則，某些 LED 可能會在更改模式之前變暗，從而導致 1.5x 模式開始時 LED 亮度明顯下降。一旦進入 1.5x 模式，遲滯會阻止模式來回切換，這會導致輸入/輸出紋波，并可能導致可見的 LED 閃爍。但是，如果遲滯太大，則電池電壓的任何暫時下降都會鎖存效率較低的1.5x模式，并阻止在電池恢復時返回到1x模式。因此，需要優(yōu)化遲滯。例如，MAX1573不僅監(jiān)測每個電流調節(jié)器，還采用專有技術主動修改遲滯，以獲得最佳效率，無閃爍機會。（當然，升壓轉換器如MAX1561不需要任何模式改變。

結論：升壓轉換器得分1，電荷泵得分4

上述比較表明電荷泵取得了良好的勝利。然而，根據(jù)設計優(yōu)先級和任何特定驅動器IC的獨特特性，意見可能會有所不同。直到最近，升壓轉換器比電荷泵效率更高，更受歡迎。然而，現(xiàn)在新一代1倍/1.5倍電荷泵已經(jīng)縮小了差距，大多數(shù)新產(chǎn)品設計活動都傾向于電荷泵解決方案。

審核編輯：郭婷