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Application Note
Lydia Chang
AN046 – February 2016
電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
摘要
隨著手持式產品的發展,白光 LED 的應用方式為近年來科技產業的熱門討論議題,而白光 LED 也逐漸成
為這些電池驅動的攜帶式產品不可或缺的零件。由於單顆鋰離子電池的電壓 (3.0V~4.2V) 並無法供給需有
3.3V 順向電壓的白光 LED,因此我們需要一組可以將電池電壓升壓並使其順利推動白光 LED 的驅動器。
本文將以市面上常見的驅動白光 LED 之架構為重點,並分析其內部的架構及運用的方式。
目錄
一、前言 .................................................................................................................................................................2
二、定電流 (Constant Current) 驅動架構與特性 .....................................................................................................2
三、電荷幫浦轉換器 (Charge Pump) 驅動架構與特性 ............................................................................................3
四、升壓轉換器 (Boost) 驅動架構與特性................................................................................................................7
五、驅動方法之優缺點分析 .....................................................................................................................................8
六、結論 ............................................................................................................................................................... 10
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© 2016 Richtek Technology Corporation
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電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
一、前言
近年來智慧型手機的蓬勃發展,顯示器要求細膩、穩定、高精度的顯示品質,使用 LED 取代傳統 CCFL 背
光源的優點,除了提高色彩飽和度及真實度外,LED 更可讓用戶有身歷其境的感覺,因此白光 LED 提供了
這類應用最佳的螢幕背光解決方案。但是這也引發了一個問題:由於單顆鋰離子電池的電壓通常為
3.0V~4.2V,而電池電壓在低電壓時無法滿足推動白光 LED 的要求,主要的原因是白光 LED 的順向電壓在
20mA 時大約為 3.3V,甚至可能達到 3.7V,這也就是為什麼大部份的智慧型手機廠商都想盡辦法要找到一
個能夠驅動白光 LED 發光功能,且經濟又有效率的解決方案。然而背光源驅動器的電路架構眾多,究竟要
採用何種架構,端視產品設計需求而定。
目前市面上主要有兩種方案可用來驅動白光 LED,一種是並聯式,使用電荷幫浦轉換器 (Charge Pump
Converter);另一種則是串聯式,使用升壓轉換器 (Boost Converter)。
二、定電流 (Constant Current) 驅動架構與特性
圖一為一個定電流源的電路定電流,顧名思義就是固定電流輸出,不會因輸入電壓,而改變輸出電流,這
對於白光 LED 的運用,是最方便的了,只要設定好 LED 串並數,計算所需 LED 電流,即使輸入電壓產生
變動,只要高於 LED 順向電壓即可維持恆流的狀態,如從 5V~30V 輸入都沒問題。電流輸出計算方式如下
圖一 Vref / RCL,其中 Vref 為 Zener diode 之參考電壓,假設 Vref 為 2.5V,若以一般白光 LED 規格約需 20mA
電流,只接一顆 LED 的話,就是 2.5V / RCL = 20mA,RCL = 2.5V / 20mA = 125Ω,以此類推,如果是 3
顆 LED 串聯,因電流仍只需 20mA,所以 RCL 還是 125Ω,如是 3 顆 LED 並聯,則需 60mA 電流,RCL = 2.5
/ 60mA = 41.6Ω,另一電阻 Rg 使用約 1k 即可。
VCC
LED Load
Rg
IOUT =
Vref
RCL
RCL
圖一、定電流驅動架構
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電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
當把白光 LED 應用在背光顯示或其它照明應用時,有兩個重要的理由來支持為什麼需要以定電流的方式來
驅動它:
(1) 避免違反最大電流規格而犧牲可靠度。
(2) 取得可預測且匹配的亮度與色度。
白光 LED 的順向電壓在 20mA 的情況下通常介於 3.0V 到 4.0V 之間,假設僅簡單地加上固定的順向電壓,
那麼順向電流的差異可能相當地大,依 LED 廠牌的不同,將會造成由 10mA 到 44mA 的順向電流差異。
使用定電流架構其中的電阻雖可限制電流,但犧牲的是其效能。LED 的順向電壓有很大的差異,通常溫度
升高 1 度而電壓則會有高達 1V 的變化量,因此 LED 電流就會降低為了處理來源的變化。若是 LED 電流的
變化量大,則會使得發光強度不平均進而影響產品的品質水平。
50
45
Forward Current (mA)
40
35
30
25
20
15
10
Random LEDs from Brand A
Random LEDs from Brand B
5
0
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
Forward Voltage (V)
圖二、順向電流與順向電壓相對關係圖
三、電荷幫浦轉換器 (Charge Pump) 驅動架構與特性
電荷幫浦轉換器通常又稱為切換式電容轉換器 (Switched capacitor converter) 其中包含了二極體或切換
開關與電容的切換電路,其內部主要是由兩組共 4 個開關、一個用於儲存能量的外部電容以及一個輸出電
容所構成,如圖三。
S1
S2
VOUT
VCC
C1
S3
COUT
S4
CLK
圖三、電荷幫浦轉換器架構圖
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其動作原理如下:
(1) 等效電路如圖四(a)所示,假設控制時脈為低態時,開關 S1 與 S3 會導通,開關 S2 與 S4 斷路,此為充
電階段。電容 C1 會被充電到輸入電壓 VCC,並儲存能量,而儲存的能量將在下一個放電階段被轉移。
輸出電容 COUT,在上一個放電週期就已經被從 C1 轉移過來的能量充電到 2 倍 VCC 電壓,並提供負載
電流。
(2) 等效電路如圖四(b)所示,假設控制時脈為高態時,開關 S2 與 S4 會導通,開關 S1 與 S3 會斷路,此為
放電階段。電容 C1 的電會再衝至 VCC,而 COUT 在上一充電階段已經充電至 VCC,因此 C1 兩端的總
電壓會成為 2VCC。當 C1 放電將充電階段存儲的能量轉移到 COUT,並且提供負載電流。
S1
VCC
I
S3
S2
+
- VC1
VOUT
COUT
S4
VCC
圖四(a)、控制時脈 (CLK) 為低態時的等效電路
S1
VCC
+
VC1 S3
S2
VOUT
COUT
I
S4
VCC
圖四(b)、控制時脈 (CLK) 為高態時的等效電路
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電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
充電/放電週期的頻率取決於 CLK 頻率。通常設計時會採用較快的頻率來降低對 C1 和 COUT 電容容值的要
求,從而減小體積與成本。
然而電荷幫浦轉換器的電路除應用於降壓外,大多數應用於升壓,其動作原理如圖五:
(1) 當開關 SW1、SW3 與 SW7、SW5 導通 (ON) 而其它開關打開 (OFF) 時,其 C1、C2 各充電至大小
約為 VI 的電壓。
(2) 承上個狀態,當開關 SW2, SW4, SW6 導通而其它開關打開 (OFF) 時,前狀態所充的約 VI 大小的電壓
和電容 C1、C2 上的電壓串聯起來對 C4 電容充電而得到輸出電壓 VOUT 其最高可充至 VI 的 3 倍電壓。
+
SW7
VI C3
SW6
+
C1
SW5
-
C4 VOUT
SW4
SW3
C2
SW2
R1
-
SW1
-
SWITCH
CONTROL
+
Vr
R2
圖五、電荷幫浦轉換器
電荷幫浦轉換器可以提供一定電壓給白光 LED 而不需考慮其順向電壓。這種方式有幾個特性:
首先,只需三個電容就可以從 2.7V~5.0V 的輸入電壓得到穩定的 5V 輸出電壓,由於不需電感,因此所佔
的體積會較小,適合使用於面板尺寸較小 (WLED 數目較少) 的手機;另外,由於不需使用電感的關係,也
就沒有一般轉換器最頭痛的線圈雜訊問題。對智慧型手機而言,最怕的電磁干擾 (EMI) 問題也較不易存
在。
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電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
然而這種方式也有幾個缺點:
第一,雖然它可以提供一個比其順向電壓大的定電壓給白光 LED 以順利驅動,但對白光 LED 而言,其出
廠時之順向電壓多少會有差異,而這些差異也造成了白光 LED 亮度不一的情形。第二,由於電荷幫浦轉換
器的動作特性,其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍;也就是說對單顆鋰離子電池而言,假設其最高電壓為 4.2V,
若使用電荷幫浦轉換器且在沒有穩壓的情形下,其輸出電壓應為 8.4V,而為了要得到穩定的 5V 輸出電壓,
需將這些多出來的電壓犧牲掉,這些被犧牲掉的電壓也就造成此種模式輸入電壓越高,效率越低的主要原
因。
針對此缺點 Richtek 之電荷幫浦轉換器驅動 IC 會在輸入端加入一 LDO 做線性電壓調整,並在 LED 端加入
定電流源以確保 LED 恆流操作。
RT9376 為一可驅動 6 組 LED 之電荷幫浦轉換器,其在電池電壓供應範圍內效率可高於 85%,如圖六。
RT9376 調光機制為 16 階之 Pulse dimming,且其抗 VIN nosie 及 EMI 表現皆優良,詳細內容可參考立錡
科技網站。
100
90
Efficiency (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
LED VF = 3.02V
0
2.8
3
3.2 3.4 3.6 3.8
4
4.2 4.4 4.6 4.8
5
Input Voltage (V)
圖六、Richtek RT9376 Input Voltage vs. Efficiency
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電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
四、升壓轉換器 (Boost) 驅動架構與特性
L
Vg
+
-
+
D1
Q1 C
R
VOUT
-
圖七、升壓轉換器(Boost)驅動架構
圖七所示乃為升壓型式之直流轉換器,在此假設電容器 C 已被充電,則當功率交換元件 Q1 在導通狀態時,
則由 VI 所得之能量會儲存在電感 L 上;此時由於二極體 D1 陽極之電位會小於輸出電壓 VOUT,二極體就會
成為逆向偏壓。因此就會由輸出電容器 C 的電荷來提供輸出電流至負載上。
而當交換元件 Q1 在截止狀態時,電流則會繼續流過 L,當二極體 D1 成為順向偏壓後,電感器會改變磁場,
使其電壓極性會反轉過來,並且使得儲存在電感器之能量會產生輸出電流,此電流會流經二極體 D1,然後
到負載上。
綜合以上討論可得知,在 Q1 導通時能量會儲存於電感器 L,而其上之 (電壓) 則為 Vg;至於 Q1 在截止時,
會將此能量與輸入電源重疊,如此輸出所得之電壓會比輸入電壓高。此時加於電感器 L 之電壓則為
(VOUT -Vg )。輸出電壓與開關導通時間 (TON) 及截止時間 (TOFF) 有關,當切換週期 Ts 為固定時 (Ts = TON
+ TOFF),藉由調整 TON 之大小來改變輸出電壓之大小。開關之責任週期 D 則定義為 D = TON / Ts。
對升壓型式轉換器而言,其操作模式可區分為兩種:
(1)連續導通模式 (CCM):Vg DTS = [VOUT -Vg ][1-D]TS
(2)不連續導通模式 (DCM):Vg DTS < [VOUT -Vg ][1-D]TS
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電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
五、驅動方法之優缺點分析
如同我們之前提過的,如果電荷幫浦轉換器的輸出電壓沒有穩壓的話,其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍,
因此我們也可以假設其輸入電流是輸出電流的兩倍,如果這個關係式成立的話,電荷幫浦轉換器之 LED 效
率可以定義成:
ηLED,parallel =
PLED, parallel VLED ×ILED
VLED ×ILED
VLED
=
=
=
PIN
VIN ×IIN
2×VIN ×ILED 2×VIN
其中 η 為電荷幫浦轉換器中 LED 的效率,PLED, parallel 是其損耗功率,VLED 為其順向壓降,而 ILED 為流過
LED 的電流。同樣地,在升壓轉換器應用中,其 LED 的效率可以定義成:
ηLED,parallel =
PLED,parallel VLED × ∑ ILED
=
PIN
VIN ×IIN
則:
ηLED,series =
∑ VLED ×ILED (VOUT -VFB )×ILED (VOUT ×ILED )-VFB ×ILED
VFB ×ILED
VFB
=
=
= η= η (1)
VIN ×IIN
PIN
PIN
PIN
VOUT
電荷幫浦轉換器的特點如下:
(1) 所需被動元件少,成本高。
(2) 低 EMI。
(3) 輸出電源的瓦數和 VI/VOUT 電壓比值受限。
升壓轉換器電路的特點如下:
(1) 所需被動元件多,成本高。
(2) 效率較高。
(4) 高 EMI 或輸出漣波,在電路板佈局時要多注意。
(5) 適合操作於輸出入電壓差較大的情況(高 VOUT/VI)。
(6) 可設計高輸出電流之應用。
而目前 LED 的調光部分主要分為數位調光 (digital pulse dimming) 與 PWM 調光 (PWM dimming)。
我們拿 Richtek 之 RT4502 之數位調光為例:
IC 有提供一 CTRL 腳位,其主要是為了藉由外部數位控制訊號的變化來調整 LED 的亮度。藉由數位的調光
訊號來控制就不需使用 PWM 調光。RT4502 內部有 5-bit 的 DAC 來做數位轉至類比訊號之分析,如圖八,
其一共有 32 個階數可對作 LED 電壓之調整,假設其 VFB 為 200mV,則一次 VFB 的變化約為 6.25mV,藉
由如此細小的電壓變化即可應用於不同消費性產品的需求。
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電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
0.2μs < tHigh
tS  50μs
CRTL
0.2μs < tLow < 500μs
tOFF > 1ms
0
31 0 1 2 3 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9
200mV
0
28 / 32
(23 / 32) x 200mV
2 / 32
1 / 32
FB
0
圖八、Richtek RT4502 之數位調光示意圖
另一種調光模式為 PWM 調光,我們以 RT4503 為例,當 EN 腳位之輸入全為高電壓時,VFB 會達到最大值
200mV,接下來我們可以藉由工作週期 (duty cycle) 的變化來對 VFB 作調整,此 PWM 頻率可操作於 5kHz
至 50kHz 之間,調光示意圖如圖九,其關係式為:
VFB = Duty x VREF
Power On Time > 0.5μs
Period1
EN
Duty1
Period2
5kHz < fPWM < 50kHz
TSHDN > 2.5ms
Duty2
Duty1 x 200mV
Duty2 x 200mV
FB
圖九、Richtek RT4503 之 PWM 調光示意圖
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電荷幫浦轉換器與升壓轉換器應用於驅動手機白光 LED
六、結論
我們觀察到在電荷幫浦轉換器 LED 的應用中,輸入電壓越高則其效率越低。這佐證了我們之前所談到的關
於電荷幫浦轉換器的特性。雖然從實驗結果中知道升壓轉換器的效率比電荷幫浦轉換器的高,可以大幅延
長電池的使用壽命。但電荷幫浦轉換器也有升壓轉換器所沒有的優點。例如他的體積小適合用於輕薄短小
的手機。使用的元件少等於成本少,這對系統業者而言這也是一個相當誘人的誘因。同時由於不需使用電
感即可達到升壓的目的,對減少電磁干擾部份也有相當的貢獻。本文對應用於手機驅動白光 LED 之電源管
理 IC 三種架構做出簡單的介紹,希望能提供系統業者一個適當的選擇。
Richtek 近年來持續對於手持產品之白光 LED 做深入的研究與發展,之後仍會持續布局相關產品以提供客
戶最完善的應用,使得手持式產品能夠更進一步達到最大的效能。
相關資源
立錡科技電子報
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