编者按：白光LED通常由一個恆定直流電流源驅動，以保持恆定的亮度。在採用單顆鋰離子電池供電的可攜式應用中，白光LED以及電流源上的電壓降之總和可以比電池電壓高或低，這意味著白光LED某些時候需要對電池電壓進行升壓。完成這樣應用的最好辦法是使用升壓DC-DC轉換器，這種方法大大地優化效率，但代價是成本和PCB面積增加。另外一種提升電池電壓的方法是使用電荷幫浦，也稱為開關電容轉換器。本文將詳細地分析這種器件的工作原理。
■電荷幫浦的基本原理
電容是存儲電荷或電能，並按預先確定的速度和時間放電的裝置。如果一個理想的電容以理想的電壓源VG進行充電（見圖1a），將依據Dirac電流脈波函數立即存儲電荷（圖1b）。存儲的總電荷數量按以下方式計算︰
Q＝CVG
實際的電容具有等效串聯阻抗（ESR）和等效串聯電感（ESL），兩者都不會影響到電容存儲電能的能力。然而，它們對開關電容電壓轉換器的整體轉換效率有很大的影響。實際電容充電的等效電路如（圖1c）所示，其中RSW是開關的電阻。充電電流路徑具有串行電感，透過適當的器件佈局設計可以降低這個串行電感。
一旦電路被加電，將產生指數特性的瞬態條件，直到達到一個穩態條件為止。電容的寄生效應限制峰值充電電流，並增加電荷轉移時間。因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷幫浦就利用了這種電容特性，如（圖2a）所示。
▲圖1︰從一個電壓源對電容進行充電（圖a和b是理想情況，c和d是實際情況）。
電壓變換在兩個階段內實現。在第一個階段期間，開關S1和S2關閉，而開關S3和S4打開，充電到輸入電壓：
VC1+ VC1-＝VC1+＝VIN
VC1+－VC1-＝VOUT－VIN＝VIN→VOUT＝2VIN
在第二個階段，開關S3和S4關閉，而S1和S2打開。因為電容兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓突變到輸入電壓值的兩倍︰
使用這種方法可以實現電壓的倍壓。開關訊號的工作週期通常為50％，這通常能產生最佳的電荷轉移效率。以下讓我們更詳細地了解電荷轉移過程以及開關電容轉換器寄生效應如何影響其工作。
▲圖2︰a.電荷幫浦電路，b.相關的波形。
（圖2b）中顯示了開關電容電壓倍壓器的穩態電流和電壓波形。根據功率守恆的原理，平均的輸入電流是輸出電流的兩倍。在第一階段，充電電流流入到C1。該充電電流的初始值決定於電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR以及開關的電阻。在C1充電後，充電電流呈指數級地降低。充電時間常數是開關週期的幾倍，更小的充電時間常數將導致峰值電流增加。在這個時間內，輸出電容C hold提供負載電流線性放電的電量，放電量等於︰
在第二階段，C1+連接到輸出，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）透過C1流到負載。在這個階段，輸出電容電流的變化大約為2IOUT。儘管這個電流變化應該能產生一個輸出電壓變化為2 Iout ESR C hold，使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計。此時，CHOLD按下面的電量線性電位充電︰
當C1連接到輸入和接地之間時，C hold依照以下的電量線性電位放電︰
以下計算出輸出漣波峰對峰電壓值的總數︰
更高的開關頻率可以採用更小的輸出電容來獲得相同的漣波。電荷幫浦的寄生效應導致輸出電壓隨著負載電流的增加而下降。事實上，總是存在2IOUT的RMS電流流過C1和兩個開關（2Rsw），導致產生以下的功耗︰
除了這些純粹的電阻損耗，IOUT的RMS電流流過開關電容C1的等效電阻，產生的功耗為︰
流過CHOLD的RMS電流等於IOUT，導致產生以下的功耗︰
所有這些損耗可以用以下的等效輸出電阻進行匯總︰
如此一來，電荷幫浦的輸出電壓可以用以下的等式模仿︰
VOUT＝2VIN－Iout Rout
總之，因為陶瓷電容低的ESR以及高的開關頻率，輸出漣波以及輸出電壓降取決於開關電阻。利用更多的開關和電容可以實現附加的電壓轉換。（圖3）展示了使用電容的這個特性的電路。同樣的，電壓轉換在兩個階段內完成。在第一個階段，開關S1到S3關閉，而開關S4到S8打開。因此C1和C2並聯，假設C1等於C2，則充電到一半的輸入電壓︰
輸出電容CHOLD提供輸出負載電流。隨著這個電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，第二個階段是被激活來將輸出電壓增高到這個值以上。在第二階段，C1和C2並聯，連接在VIN和VOUT之間。開關S4到S7關閉，而S1到S3和S8打開。因為電容兩端的電壓降並不能突變，輸出電壓跳變到輸入電壓值的1.5倍︰
▲圖3︰具有1倍和1.5倍增益的開關電容電路。
電壓升壓是透過以下的模式完成︰透過關閉S8並保持S1到S7打開，電壓轉換可以獲得1倍的增益。
■脈波頻率調製（PFM）方案
（圖4）種介紹了一種簡化的PFM調壓方案，該方案利用許多個增益。下調的輸出電壓透過PUMP/SKIP比較器與1.2V的電壓基準比較。PUMP/SKIP比較器輸出電壓在啟動時線性上升，提供軟啟動功能。當輸出電壓超過期望的極限，器件不會開啟，消耗的電源電流將很小。在這種空閒狀態的期間，輸出電容提供輸出負載電流。隨著這個電容不斷放電以及輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，電荷幫浦被激活直到輸出電壓再次達到高於這個值。
在輕負載下，PFM調節架構的主要優勢是很明顯的。通常透過輸出電容提供負載電能。電源電流非常低，輸出電容只需要偶爾透過電荷幫浦進行再次充電。
總之，調壓電荷幫浦在一個寬的輸入範圍內不能維持高的效率，因為輸入-輸出電流比根據基本的電壓轉換進行調節，任何比輸入電壓乘以電荷幫浦增益所得的值更低的輸出電壓將導致轉換器內額外的功耗，並且效率會成比例地降低。
轉換器根據輸入／輸出比例改變增益的能力允許在整個輸入電壓範圍內完成最優秀的效率。理想的情況是，增益應該是線性式變化。現實中，給予固定的電容和開關數量，只可能達到有限的增益配置。
▲圖4︰開關電容電壓調節器框圖。
在（圖4）中，輸入電壓被調節，並被饋入到三個比較器的正向結點。比較器的所有反向結點連接到輸出電壓。根據輸入／輸出電壓比，比較器的輸出提供帶有一個3位元字的增益控制電路，增益控制電路用於選擇最小的增益G，這樣就可以獲得期望的電壓轉換。然而，在白光LED應用中，選擇正確的增益G不僅僅根據輸入和輸出電壓。
■高整合度電荷幫浦雙顯LED驅動器
LM27965是一種高度整合的電荷幫浦雙顯LED驅動器。該器件可以驅動最多9個並聯LED，總輸出電流為180mA，可以實現所有LED的亮度和電流匹配。
該LED驅動器的驅動管腳被分成3個獨立控制的組合（bank）。第一個組合可以配置4∼5個LED，用於對較大的主顯示器提供背光驅動；第二個組合可以配置2個或3個LED，用於為較小的副顯示器提供背光；另外一個獨立控制的LED驅動器用於驅動指示器或通用LED。LM27965具有一個與I2C兼容的介面，允許用戶獨立地控制每組LED的亮度。
D1A-5A或D1B-D3B輸出可以連接在一起以較高的電流來驅動一個或兩個LED。在這樣的配置中，所有的五個並行電流輸出可以驅動一個LED。應該選擇設定用於D1A-5A的LED電流，這樣可以設定每個輸出電流為期望的總LED電流的20％。例如，如果60mA是期望中的單LED驅動電流，應該選擇合適的RSET，這樣透過每個電流吸收端的輸入電流為12mA。將輸出並行連接不會影響LM27965的內部營運，對電氣參數沒有任何影響。可提供的二極體輸出電流、最大的二極體電壓以及電氣參數表中提供的所有其他參數與標準的5-LED應用電路相同。
LM27965具有根據LED負載的正向電壓切換轉換器增益（1x或3/2x）的功能，這樣在給定LED負載的條件下，使效率最大化。正向電壓監測功能只針對第一組和第二組LED。在較高的輸入電壓條件下，LM27965工作在直通模式（Pass-Mode），允許輸出電壓跟蹤輸入電壓。隨著輸入電壓不斷降低，Dxx管腳上的電壓也會下降（VDXX＝VPOUT VLEDx）。一旦任何已激活的Dxx管腳達到接近175mV的電壓時，電壓幫浦將切換到3/2x的增益。這種切換確保不會因為在LED兩端沒有足夠的電壓餘量而影響到流過LED的電流。而只有激活的Dxx管腳才能被監測。例如，如果只有第一組被激活，第二組的LED不會影響到增益轉換點。如果兩組都被激活，所有的二極體都會被監測，而增益的轉換將根據具有最大正向電壓的二極體來確定。二極體管腳D5A和D3B可以透過通用暫存器來禁止二極體監測電路（如果這些驅動器不用的話）。
第一組和第二組輸出在每個Dxx管腳上利用了片上的LED正向電壓檢測功能以優化電荷幫浦增益，實現最大的效率。由於檢測電路的特性，因此如果在正常操作期間將使用到任何一個LED組，不建議將任何DxA（D1A-D4A）或DxB（D1B-D2B）的管腳懸空。如果將DxA和／或DxB的管腳懸空，將會在整個VIN範圍內迫使電荷幫浦進入3/2x模式。
▲圖5︰LM27965典型應用電路。
如果D5A未使用，建議將驅動器管腳接地，並將通用暫存器的EN5A位設置為0以確保正確的增益轉換。使用通用暫存器，D3B驅動器可以在工作中完全地開或關閉。激活二極體監測電路並禁止驅動器。如果D3B沒有使用，建議將驅動器管腳接地，通用暫存器的EN3B位設置為0確保正確的增益轉換。
該驅動器需要4個外部電容（C1＝C2＝CIN＝COUT＝1μF），推荐採用表貼多層陶瓷電容，這類電容外形尺寸比較小、成本低，並具有很小的等效串聯電阻（通常ESR<20m），由於鉭電容、OS-CON電容和鋁電解電容相對於陶瓷電容具有較高的ESR值，因此不建議LM27965的應用電路中採用這些器件，否則會造成較高的功率損耗。
■結論
使用開關電容比基於電感的開關方法具有某些優勢，其中一個明顯的優勢就是消除了電感以及相關的電磁設計問題。開關電容轉換器通常具有相對低的噪音和最小的輻射EMI。此外，應用電路很簡單，只需要幾個小電容。因為在沒有電感的情況下，最後的PCB器件高度通常比同等的開關轉換器更小。
LM27965是一款適合於行動電話、PDA的顯示器和鍵盤的背光應用以及普通的LED照明的高整合度驅動晶片，具備I2C兼容的亮度控制介面，允許用戶對每組LED獨立地控制亮度，其最大驅動效率為91％。LM27965的電荷幫浦工作在增益為3/2x的條件下，或者工作在「直通」模式，不需要使用電感就能實現很高的效率。根據LED正向電壓選擇正確的增益以維持電流調節，從而在整個輸入電壓範圍內完成最大的效率。
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