可变模式分数电荷泵实现低功耗手机LCD背光驱动

可变模式分数电荷泵实现低功耗手机LCD背光驱动

手机新功能的缺点之一是显示屏背光所需的电流消耗较高。 为了获得最佳显示效果，彩色 LCD 需要白光作为背光，而典型的白色 LED 比第一代手机中使用的绿色 LED 消耗的电流要多得多。 随着越来越多的视频功能集成到手机中，改善LCD背光的功耗对于提高整体电池寿命是必要的。

存在三种广泛使用的电路方案来为这些设计中使用的白色 LCD 供电，但是这些方案在显示质量、成本、板面积和功耗方面都存在一个或另一个缺点。

影响手机背光设计的两个参数是电池工作电压和LED正向电压。 目前手机一般采用单节锂电池，工作电压在3.2V至4.2V之间。 另一方面，白色 LED 通常需要 20mA 的电流（正向电压约为 3.3V）才能在白天获得足够的背光。 这两个因素决定了选择背光解决方案时需要在电流消耗、产品质量和成本之间进行设计权衡。 可用于为白光 LED 背光供电的三种常见电路是：直连电池、电荷泵驱动器电路和 DC/DC 升压开关稳压器。

图 1：四种背光驱动器方案的比较表明，可变模式电荷泵在锂电池放电曲线的 85% 时间窗口内效率最高，这使其能够在电池生命周期内实现 86% 的平均效率。

将 LED 直接并联连接到电池非常高效，因为没有驱动电路消耗电流。 但由于电池电压波动较大，这种方案很少使用。 另一种常用并联驱动白光 LED 的设计是固定模式电荷泵升压转换器。 该方案的基本原理是利用开关电容系统对泵电容进行充电和放电，以产生高于输入电压的电压。 在这些器件中，使用线性稳压器和分数电荷泵来生成高于输入电压的固定输出电压。 通常，该转换器用于生成 4V 至 5V 之间的固定输出电压，因为它使用相对较低的固定开关频率，因此开关噪声很小且可预测。

为了升压，电荷泵需要比直接连接电池的方法更高的电源输出电流，并且器件的效率受到升压系数和器件静态电流的限制。 然而，电荷泵解决方案的显示屏背光质量优于直接连接的显示屏背光质量，因为它在整个输入电池电压范围内保持恒定的输出电压。

基于电感器的升压转换器还可用于驱动串联而非并联的白光 LED，方法是产生足够高的电压以获得所需的输出电流。 通过这种方法，LED 的亮度可以很好地匹配，因为无论其正向电压如何，LED 都会消耗相同的电流。 升压转换器可能比固定模式电荷泵更有效，具体取决于所需的负载电流和输出电压。

尽管效率非常高，基于电感器的升压转换器也有其缺点：由于开关频率随输出电压变化，因此通常需要增加屏蔽以避免寄生噪声耦合到电话听筒中。 电感器比陶瓷电容器更大且更昂贵，因此升压转换器通常比电荷泵系统具有更高的电路板面积和成本要求。

可变模式分数电荷泵在单一设计中结合了这些先前系统的优点，使用开关稳压器的电流匹配概念，具有标准电荷泵的最少元件数量和低噪声性能以及直接连接电池的方法为手机背光提供最佳的平均效率。

这些器件不是调节电压，而是调节电流以保持 LED 之间的亮度一致性。 同时，维持所需电流所需的输出电压得到调节。 LED 并联在一起，因此输出电压不必像升压转换器系统所需的那么高。

IC 的电荷泵部分一般工作在以下三种模式之一：1× 模式（电荷泵被禁用）、1.5× 模式（VOUT=1.5×VIN）和 2× 模式（VOUT=2×VIN） 。 当电池电压高于 LED 的正向电压和阴极控制电压时，该器件以 1x 模式运行，其作用类似于线性稳压器（IOUT 约等于 IIN）。 当电池随着手机的使用而耗尽时，电荷泵会切换到 1.5× 模式，然后切换到 2× 模式。

这些电荷泵非常适合与锂电池一起使用，因为它们在锂电池的典型电压范围内效率最高。 因此，在整个电池放电时间的 85% 时间内，电池电压将保持在 4V 至 3.5V 之间。 该功能使分数电荷泵能够在整个放电时间内保持器件在 1x 模式下长时间运行，从而在电池放电周期内实现高平均效率。 对于正向电压等于 3.3V 的白光 LED，该电荷泵可以在电池生命周期的大部分时间以 1x 模式运行。

下图显示了四种背光驱动方案的效率特性。 每个系统中使用了四个正向电压为3.3V、电流为20mA的白光LED。 可变模式电荷泵仅在 1× 和 1.5× 模式下工作，因为其输入电压不会低于强制电荷泵进入 2× 模式的电平。

可变模式分数电荷泵消除了直接连接到电池的方法中引起闪烁的电压波动，与固定模式电荷泵相比具有明显的效率优势，其平均效率可与升压转换器相媲美。 它无需电感器或特殊屏蔽即可实现这一点，通常只需几个外部电容器，从而降低了系统成本。

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