要為白光LED提供適當的順向偏壓，過去通常會使用電容式充電泵與電感式升壓電路，對效率以及電池使用時間而言，雖然使用電感式電路通常是最佳的選擇，但卻必須付出電感的額外成本，並且採用電感所構成的升壓電路通常也需要細心的佈局安排與設計，以避免引起EMI/RFI等電磁干擾問題，另一方面，充電泵解決方案則較為容易實現並且成本較低，但通常效率較差，因此會影響電池的使用時間。

隨著更佳充電泵設計的推出，新的白光LED驅動晶片可以達到接近電感器相同的效率，平均約為85％，但同時卻還能夠維持與不使用電感器充電泵設計相同的簡單與低成本特性。

分數比例型充電泵之優點

第一代白光LED充電泵解決方案在核心中使用簡單的倍壓電路，或2倍電壓模式，2倍充電泵電路的效率為：

(公式一)

• PLED/PIN = VLED × ILED / (2 × VIN × ILED + Iq × VIN)

其中Iq為電路的靜態工作電流，由於與白光LED負載電流比較，這個電流通常較小，因此效率的計算可以約略簡化為：

(公式二)

• PLED/PIN≒VLED / (2VIN)

為了改善效率，第二代白光LED充電泵整合了不會一定讓輸出成為輸入完整倍數的充電泵電路，如果電池電壓足夠，那麼也可以使用1.5倍的充電泵來產生適當的LED驅動電壓，1.5倍充電泵的轉換器效率為：

(公式三)

• PLED/PIN = VLED x ILED / (1.5 × VIN × ILED + Iq × VIN)





•  VLED / (1.5VIN)

可以看到，1.5倍充電泵大幅改善了效率，以3.6V的電池電壓以及3.7V的LED為例，效率會從2倍充電泵的51％提升到1.5倍充電泵的69％。

在電池電壓足夠的條件下，最新的第三代白光LED驅動電路則透過提供讓電池經過低壓降電流調整電路直接連接到LED的單倍轉換模式來進一步改善效率，因此它的效率就成為：

(公式四)

• PLED/PIN = VLED × ILED/ (VIN × ILED + Iq × VIN)





•  VLED/ (VIN)

當電池電壓足夠直接驅動白光LED時，這個模式的效率可以超過90％，以4V電池與3.7V的LED為例，效率可以達到92%。

在不同電池電壓取得最佳效率

單倍轉換模式擁有最佳的轉換效率，但卻只有在電池電壓超過LED的順向電壓VF時才可以使用，最佳化的白光LED驅動電路設計採用了能夠針對特定電池與LED電壓採用最高效率功率轉換模式，並且會隨著電池與LED的電壓變化進行模式的改變，不過開關耗損卻可能會迫使電路在較高電池電壓時，不當地變換到效率較低的模式，因此如果驅動電路在電池電壓下滑時能夠儘可能地維持在高效率運作模式，那麼將可以得到較佳的結果，不過這卻需要將耗損降到最低，也就需要功率開關較大的晶片面積與成本。

要能夠在較低電池電壓下使用單倍最佳轉換模式，關鍵通常在於把單倍模式下旁路FET以及電流調整電路的壓降儘可能降低，請參考圖一，這些壓降決定了串列耗損以及可以維持單倍模式的最低輸入電壓，其中最低輸入電壓可以透過以下方程式取得：

(公式五)

• VIN (MIN_1×) = VLED + 旁路PFET導通電阻RDS(ON) × ILED +電流調整電路壓降VDROPOUT

傳統的正充電泵白光LED解決方案使用了PMOS FET旁路開關來將電池電壓連接到LED，如圖一，FET的導通電阻RDS(ON)大約為1到2Ω，無法進一步降低電阻的原因是，較低的電阻值會造成FET晶片面積的增加，進而提高功率元件的成本。

《圖一　在單倍模式下，正充電泵使用內部旁路開關將輸入電壓VIN連接到白光LED的陽極。》

當輸入電壓VIN無法支撐單倍模式時，正充電泵會產生1.5倍或2倍的電壓來驅動白光LED的陽極，為了要在正充電泵架構中實現單倍數模式，必須使用內部開關將輸入電壓VIN直接連接到LED的陽極以避過充電泵電路。另一方面，當輸入電壓不足時，負充電泵架構也會產生-0.5×VIN大小電壓的來驅動白光LED的陰極，不過負充電泵架構卻不需要我們將這個-0.5×VIN充電泵輸出在單倍模式下旁路到地，原因是電流調整電路會控制LED的電流直接由輸入電壓連接到接地，因此，可以將單倍數模式延伸到：

(公式六)

• VIN (MIN_1×) = VLED + 電流調整電路壓降VDROPOUT

圖二顯示了負充電泵單倍模式下的電流路徑，它並不包含P通道MOSFET旁路開關，並直接使用輸入電壓VIN來調整LED電流到接地，如果LED電流總共為100mA（5顆LED×20mA），那麼2Ω的P通道MOSFET旁路開關壓降就成為200mV，在放電時，鋰離子電池電壓的輸出會穩定維持在3.6V到3.8V的標準電壓範圍，因此在典型鋰離子電池放電曲線下，透過使用單倍模式搭配負充電泵架構所帶來的工作電壓200mV提升會帶來效率上的明顯改善，這同時也有助於延長電池的使用時間。

《圖二　當驅動電路開切換到負充電泵模式時，可以進行單獨白光LED的切換，有助於改善整體效率。》

在不同二極體順向電壓取得最佳效率

在傳統的單倍或1.5倍正充電泵白光LED驅動電路上，LED的陽極連接到充電泵的輸出，如果LED沒有匹配，那麼當VIN-VLED的電壓差距不足以支援最差情況LED的順向電壓時，驅動電路就必須切換到1.5倍模式，這對於電路中只要出現一顆順向電壓不佳的LED時就必須放棄高效率單倍模式的情況就顯得相當可惜。

透過使用負充電泵架構，可以透過多工電路單獨地為每顆LED選擇單倍或-0.5倍模式，如果只有一顆LED的順向電壓規格較差，並不需要讓所有的LED以-0.5倍充電泵輸出驅動，舉例來說，驅動器會在輸入電壓不足以驅動最高順向電壓LED時切換到-0.5倍充電泵，並只會對該LED進行-0.5倍負電壓驅動，其他較低順向電壓的LED則依然使用單倍模式，並在順向電壓不匹配或溫度變化時，讓LED各自在不同時間與不同輸入電壓點切換到-0.5倍模式，請參考圖三。

《圖三　充電泵驅動電路透過切換到負充電泵模式、以及提供每顆白光LED單獨切換的能力來大幅提高效率。》

結語

由圖三可以看出，與傳統的單倍或1.5倍正充電泵白光LED解決方案比較，具備獨立切換能力的負充電泵白光LED驅動電路，可以大幅改善效率並延長電池的使用時間，達到接近採用電感升壓電路相同的效率輸出表現。

---作者為美商美信（Maxim）公司資深應用工程師---