白光LED驅(qū)動(dòng)器CAT3636在便攜設(shè)備中的應(yīng)用

目前，各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品不斷被賦予新的功能特色，而隨著復(fù)雜度的提高，相應(yīng)的功耗也隨之增加。如何通過改善設(shè)計(jì)去避免功耗過快的增長(zhǎng)，已經(jīng)成為擺在硬件設(shè)計(jì)工程師面前的一個(gè)重要課題。比如手機(jī)、PMP、GPS這一類產(chǎn)品，其LCD背光所消耗的功率占整機(jī)功耗非常大的比重，而且LCD屏有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)，這將進(jìn)一步增加相應(yīng)的功率。因此，如何降低LCD背光的功率消耗成為了降低系統(tǒng)功耗首要問題之一。

目前，市場(chǎng)上LCD屏的主流架構(gòu)是CSTN和TFT，它們都需要一定亮度的背光源來(lái)達(dá)成可見的圖像。背光源的亮度需求基本上與LCD屏的大小成正比，同時(shí)也和周邊的環(huán)境和用戶的主觀感受有關(guān)。國(guó)內(nèi)比較流行的背光方案是2.8英寸以下的LCD屏采用2～4個(gè)白光LED，2.8～4.3英寸的LCD屏采用5個(gè)以上的白光LED。考慮到LED的壽命、指標(biāo)及價(jià)格，一般把單個(gè)LED電流控制在15～25mA。

大多數(shù)便攜設(shè)備采用鋰電池供電。鋰電池的放電區(qū)間是3.2～4.2V左右，而白光LED在正常工作時(shí)所需的正向電壓在3.2～3.8V之間（IF=20mA@ VF=3.5V），而當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載突然增大時(shí)，就會(huì)造成電池電壓波動(dòng)，因此直接使用鋰電池驅(qū)動(dòng)白光LED就會(huì)發(fā)生暗屏或閃屏等不正常現(xiàn)象。

解決這個(gè)問題的方法是在鋰電池和白光LED之間插入一級(jí)升壓驅(qū)動(dòng)電路。目前常用的架構(gòu)有兩種：一種是電感升壓型，另一種是電荷泵升壓型。

對(duì)便攜設(shè)備中5～6個(gè)白光LED的驅(qū)動(dòng)方案，雖然電感升壓型架構(gòu)比傳統(tǒng)的電荷泵升壓型架構(gòu)具備更多的高效率優(yōu)勢(shì)，然而噪聲和外圍器件的尺寸仍然是這種方案中不易克服的缺點(diǎn)。為了驅(qū)動(dòng)串聯(lián)排列的5～6個(gè)白光LED, 電感升壓型芯片至少需要輸出16 (3.2V/LED×5) ～21V(3.5V/LED×6)的驅(qū)動(dòng)電壓，其上固有的切換電路紋波對(duì)其他小信號(hào)電路是較大的噪聲源。如果采用PWM信號(hào)控制升壓型芯片的使能端來(lái)進(jìn)行調(diào)光操作，那么不單是PWM信號(hào)自身，波動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓更會(huì)對(duì)其他電路造成不利的影響。

CAT3636是一款充電泵式電容升壓型白光LED驅(qū)動(dòng)器，特別適合于采用5～6個(gè)白光LED作背光的LCD屏。與流行的電容升壓型架構(gòu)相似，它不需要電感器，外圍只需要幾個(gè)小容量的陶瓷電容器，自身亦采用小尺寸的3mm×3mm見方的TQFN-16封裝。而與流行的電容升壓型架構(gòu)不同的是，它采用了Catalyst半導(dǎo)體公司的Quad-ModeTM電荷泵專利技術(shù)，能夠非常有效地提升背光LED驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換效率，以降低背光電路的功耗。

當(dāng)前大部分流行的電荷泵式LED驅(qū)動(dòng)器根據(jù)輸出電壓和輸入電壓的比率僅提供3種工作模式：1倍, 1.5倍和 2倍。Quad-ModeTM架構(gòu)增加了第四種工作模式—1.33倍。1.33倍工作模式讓輸出的升壓電壓盡可能的小，這就極大地降低了器件的無(wú)用功耗和隨之而來(lái)的熱損耗。同時(shí)，1.33倍工作模式還有效地降低了電池端的輸入開關(guān)電流，不僅有效延長(zhǎng)了電池的工作時(shí)間，而且使得整個(gè)系統(tǒng)的輸入噪聲達(dá)到最小。特別地，為了實(shí)現(xiàn)1.33倍的工作模式，CAT3636仍然采用流行的電荷泵式LED驅(qū)動(dòng)器的外圍配置，只使用兩個(gè)飛電容來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換，這就使芯片不必因工作模式的增加而使引腳數(shù)相應(yīng)增加，從而使器件可以采用較小但仍然廉價(jià)的TQFN封裝，有利于實(shí)際的生產(chǎn)和采購(gòu)。

Quad-Mode電荷泵原理

CAT3636采用的是QUAD-MODE^TM電荷泵升壓架構(gòu)。其原理不同于電感式升壓電路，輸出電壓與輸入電壓成離散性倍數(shù)關(guān)系。這種電荷泵具有1倍、1.33倍、1.5倍和2倍四種工作模式。

QUAD-MODE^TM電荷泵的2倍模式工作原理如圖1所示。第1相時(shí)，輸入電源V_IN對(duì)2個(gè)外部電容C1和C2進(jìn)行充電，此時(shí)兩個(gè)外部電容并聯(lián)，電容的a端接V_IN，b端接地。電容兩極間的電壓就是輸入電壓，即V_C1=V_C2=V_IN。第2相時(shí)，外部電容b端則接至V_IN,a端接至V_OUT，這是V_OUT=V_IN+V_C= 2V_IN。由于反復(fù)的轉(zhuǎn)換第1相和第2相，電荷就被源源不斷地“泵”到輸出端。

圖1  2倍模式升壓原理

與2倍模式類似，1.5倍模式的工作原理圖2所示。第一相時(shí)，C1和C2串聯(lián)接至V_IN與地之間，輸入電壓VIN對(duì)電容C1和C2進(jìn)行充電，V_C1=V_C2=1/2V_IN。第二相時(shí)，兩個(gè)外部電容與地?cái)嚅_，并聯(lián)接至V_OUT，此時(shí)V_OUT=V_IN+V_C =V_IN+1/2V_IN=3/2V_IN。同樣的，這個(gè)過程被反復(fù)地轉(zhuǎn)換，就實(shí)現(xiàn)了1.5倍升壓。

圖2  1.5倍模式升壓原理

與傳統(tǒng)的1.33倍模式不同，QUAD -MODE^TM電荷泵僅使用2個(gè)外部電容即可實(shí)現(xiàn)1.33倍模式。第一相時(shí)，V_IN對(duì)外部電容C1和C2進(jìn)行充電，C1與C2串聯(lián)。 第二相時(shí)，電容C1和C2與輸入電源V_IN斷開，C1反向接至V_IN和V_OUT。此時(shí)C2保持浮空狀態(tài)。第三相時(shí)，C1和C2串聯(lián)接至V_IN，C2的正極接至V_OUT。穩(wěn)態(tài)的輸出電壓可以根據(jù)基爾霍夫電壓定律求解得到：

第1相：V_IN=V_C1+V_C2      （1）
第2相：V_OUT=V_IN+V_C1     （2）
第3相：V_OUT=V_IN-V_C1+V_C2 （3）
將（2）式代入（3）式得：
V_IN +V_C1=V_IN-V_C1+V_C2    （4）
V_C2=2V_C1                （5）
將（5）式代入（1）式：
V_C1=1/3V_IN               （6）
再將（6）式代入（2）可得：
V_OUT=4/3V_IN。

圖3  Catalyst創(chuàng)新的1.33倍模式架構(gòu)

如果輸入電壓V_IN比LED的正向電壓降V_F大的話，則驅(qū)動(dòng)LED不需要升壓，QUAD-MODE^TM電荷泵工作在1倍模式下。

根據(jù)能量守恒原理，CAT3636輸入功率P_I就等于外部LED消耗的功率P_L加上其自身消耗的功率P_E，即P_I=P_L +P_E。CAT3636自身消耗的功率主要包括電荷泵電壓轉(zhuǎn)換功耗P_C，內(nèi)部恒流源被動(dòng)消耗功耗P_S，內(nèi)部邏輯功能模塊消耗的功率P_F，以及熱損耗P_T，即P_E= P_C+P_S+P_F+P_T。如圖4所示。

圖4  功率消耗分布圖

CAT3636的轉(zhuǎn)換效率η=P_L/P_I=P_L/（P_C+P_L+P_S+P_F+P_T）。由于P_F和P_T值都比較小，η≈P_L/（P_C+P_L+P_S）。在恒定電流工作條件下，LED的消耗功率P_L近似恒定，由此可見，在同一升壓模式下，隨著輸入電壓的降低，輸出電壓隨之降低，作用于內(nèi)部恒流源的電壓也隨之降低，因此恒流源的消耗功率P_S也隨之下降，CAT3636的轉(zhuǎn)換效率η升高；在相同的輸入電壓下，模式越高，輸出電壓越高，則內(nèi)部恒流源消耗的功率就會(huì)越大，轉(zhuǎn)換效率隨之降低。這也就是帶1.33倍模式的LED驅(qū)動(dòng)器要比僅有1.5倍或2倍模式的驅(qū)動(dòng)器綜合轉(zhuǎn)換效率要高的原因。圖5是CAT3636工作在鋰電放電范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率圖。

圖5  CAT3636轉(zhuǎn)換效率

CAT3636典型應(yīng)用

CAT3636典型應(yīng)用電路如圖6所示。除被驅(qū)動(dòng)的LED外，僅需要2個(gè)普通的X5R或X7R電容。其內(nèi)建6個(gè)通道恒流源，可以驅(qū)動(dòng)6個(gè)共陽(yáng)極并聯(lián)LED。對(duì)于不使用的LED端口，只需要將該端口直接連至V_OUT端，CAT3636會(huì)自動(dòng)檢測(cè)端口的狀態(tài)，關(guān)閉不使用的LED端口。

圖6  CAT3636外圍電路

CAT3636采用了一種完全不同于脈寬調(diào)制（PWM）控制方式。PWM控制方式的本質(zhì)還是模擬信號(hào)控制，只是這個(gè)模擬控制信號(hào)，采用數(shù)字方式編碼罷了。脈沖的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。為了將這個(gè)數(shù)字編碼的模擬信號(hào)解調(diào)出來(lái)，常常需要在LED驅(qū)動(dòng)器的控制引腳和PWM控制器之間加RC電路。而CAT3636采用的是1-Wire可編程數(shù)字接口，不能在MPU與CAT3636EN/SET引腳之間加下拉電容。否則可能會(huì)將控制信號(hào)過濾掉，造成無(wú)法控制CAT3636工作。CAT3636 1-Wire接口只有一根控制線，沒有時(shí)鐘線與編程數(shù)據(jù)同步，就需要有嚴(yán)格的時(shí)序要求，以保證編程數(shù)據(jù)的正確性。所以在實(shí)際應(yīng)用中，要嚴(yán)格按照CAT3636 datashee上的時(shí)序要求，發(fā)送控制命令。 

結(jié)語(yǔ)

由于CAT3636采用全新的四模式電荷泵架構(gòu)，在不增加額外成本的情況下，最大限度地延長(zhǎng)了便攜設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。它的外圍電路十分簡(jiǎn)單，僅需要2個(gè)普通電容，即可實(shí)現(xiàn)四種工作模式，而且不需要電感，可以避免因電感所帶來(lái)的EMI問題。3mm×3mm TQFN超小封裝，引腳少，外圍組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有助于降低在高密度PCB設(shè)計(jì)中LAYOUT的難度。另外，它的接口簡(jiǎn)單，操作靈活，可以實(shí)現(xiàn)多種個(gè)性化的應(yīng)用需求，比如主副雙屏背光，或者RGB LED閃信功能等。因此，CAT3636是一款非常適合手機(jī)、PDA、PMP、數(shù)碼相機(jī)等掌上便攜設(shè)備使用的高性能LED驅(qū)動(dòng)器。