可變模式分數電荷泵實現低功耗手機LCD背光驅動

關鍵詞： LCD , LED , 電荷泵 , 手機

手機新增特性的一個缺點是顯示背光需要消耗更高的電流。為獲得最佳的顯示效果，彩色LCD需要白光作為背光源，典型的白光LED實質上要比用在第一代手機中的綠光LED消耗更多電流。隨著視頻功能更多地集成到手機里，改善LCD背光的功耗對提高整個電池壽命來說很有必要。

對在這些設計中使用的白光LCD供電，有三種廣泛應用的電路方案，但這些方案在顯示質量、成本、電路板占用面積和功耗等方面都存在這樣或那樣的缺點。

影響手機背光設計的兩個參數是電池工作電壓和LED正向電壓。一般手機目前使用工作電壓在3.2V到4.2V之間的單塊鋰電池。另一方面，為在白天獲得足夠背光，白光LED在正向電壓大約為3.3V時，一般每個需要20mA電流。在選擇背光方案時，這兩個因素決定了在電流消耗、產品質量和成本之間需要做出的設計折衷?？捎脕斫o白光LED背光供電的三種普通電路是：直接連接電池、電荷泵驅動器電路和DC/DC升壓開關調節器。

圖1：四種背光驅動器方案的比較表明，可變模式電荷泵在鋰電池放電曲線的85%時間窗口時效率最高，這使其在電池壽命周期中的平均效率達到86%。

將LED直接并行連接到電池的效率很高，因為沒有驅動器電路消耗電流。然而，因為電池電壓波動很大，所以很少采用這種方案。另一種通常用來驅動并聯白光LED的設計是固定模式的電荷泵升壓轉換器，該方案的基本原理是利用開關電容器系統對泵電容器進行充放電，從而產生一個比輸入電壓高的電壓。在這些器件中，線性調節器和分數電荷泵用來產生一個比輸入電壓高的固定輸出電壓。通常用這個轉換器產生一個電壓值在4V至5V之間的固定輸出電壓，因為它可使用相對較低的固定開關頻率，所以開關噪聲很小并且是可預測的。

為了升高電壓，電荷泵相比直接連接電池方法需要更高的電源輸出電流，器件的效率則受電壓升壓因數和器件靜電流的制約。然而，電荷泵方案的顯示背光質量優于直接連接的方案，因為它在整個輸入電池電壓范圍內保持恒定的輸出電壓。

也可采用基于電感器的升壓轉換器驅動串聯而不是并聯的白光LED，它是通過產生足夠高的電壓以得到期望輸出電流來實現這點的。采用這種方法，LED的亮度可以很好地匹配，因為無論LED的正向電壓是多少，LED都能獲得相同的電流。升壓轉換器的效率可能高于固定模式電荷泵，這取決于所需的負載電流和輸出電壓。

盡管它們的效率非常高，但基于電感器的升壓轉換器也有它們的缺點：由于開關頻率隨輸出電壓變化，所以通常需要增加屏蔽以避免寄生噪聲耦合到電話接收器中。相比陶瓷電容器，電感器更大且更貴，因此升壓轉換器的電路板面積和成本要求一般也比電荷泵系統高。

可變模式分數電荷泵在單個設計中結合了前面這些系統的優點，它使用開關調節器的電流匹配概念，具有標準電荷泵的最小器件數量和低噪聲性能以及直接連接電池方法的高效率，以便為手機背光提供最佳平均效率。

這些器件調節電流來保持LED之間亮度的一致性，而不是調節電壓。同時，調節保持期望電流所需的輸出電壓。LED以并聯方式連接在一起，這樣輸出電壓就不必像升壓轉換器系統中要求的那么高的電壓。

IC的電荷泵部分一般工作在以下三種模式中的一種：1×模式(電荷泵無效)、1.5×模式(VOUT=1.5×VIN)以及2×模式(VOUT=2×VIN)。當電池電壓高于LED的正向電壓和陰極控制電壓時，器件工作在1×模式，其作用就像線性調節器(IOUT近似等于IIN)。隨著電話的使用電池逐漸消耗，電荷泵切換到1.5×模式，然后再到2×模式。

這些電荷泵與鋰電池一起使用最為理想，因為在鋰電池的典型電壓范圍內，它們的效率最高。因此，電池電壓將在85%的整個電池放電時間里保持在4V到3.5V之間。通過使器件在整個放電時間內長時間地保持工作在1×模式，這種特性能使分數電荷泵在電池放電周期中獲得較高的平均效率。對于正向電壓等于3.3V的白光LED來說，這種電荷泵可以在電池壽命周期的大部分時間里工作在1×模式。

下圖顯示的是四種背光驅動器方案的效率特性。在每個系統中都使用了四個正向電壓為3.3V、電流為20mA的白光LED?？勺兡Ｊ诫姾杀弥还ぷ髟?×模式和1.5×模式，因為其輸入電壓不會降低到迫使電荷泵進入2×模式的電壓值。

可變模式分數電荷泵可消除直接連接電池的方法中會導致閃爍的電壓波動，提供優于固定模式電荷泵的明顯的效率優勢，其平均效率則與升壓轉換器相當。而它做到這些并不需要采用電感器或者特殊屏蔽，一般只需幾個外部電容就能實現，進而削減了系統成本。