白光LED驅(qū)動器CAT3636在便攜設備中的應用
目前，各種消費類電子產(chǎn)品不斷被賦予新的功能特色，而隨著復雜度的提高，相應的功耗也隨之增加。如何通過改善設計去避免功耗過快的增長，已經(jīng)成為擺在硬件設計工程師面前的一個重要課題。比如手機、PMP、GPS這一類產(chǎn)品，其LCD背光所消耗的功率占整機功耗非常大的比重，而且LCD屏有進一步增大的趨勢，這將進一步增加相應的功率。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達成可見的圖像。背光源的亮度需求基本上與LCD屏的大小成正比，同時也和周邊的環(huán)境和用戶的主觀感受有關(guān)。國內(nèi)比較流行的背光方案是2.8英寸以下的LCD屏采用2～4個白光LED，2.8～4.3英寸的LCD屏采用5個以上的白光LED?？紤]到LED的壽命、指標及價格，一般把單個LED電流控制在15～25mA。
大多數(shù)便攜設備采用鋰電池供電。鋰電池的放電區(qū)間是3.2～4.2V左右，而白光LED在正常工作時所需的正向電壓在3.2～3.8V之間（IF=20mA@ VF=3.5V），而當系統(tǒng)的負載突然增大時，就會造成電池電壓波動，因此直接使用鋰電池驅(qū)動白光LED就會發(fā)生暗屏或閃屏等不正?，F(xiàn)象。
解決這個問題的方法是在鋰電池和白光LED之間插入一級升壓驅(qū)動電路。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。
對便攜設備中5～6個白光LED的驅(qū)動方案，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，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。為了驅(qū)動串聯(lián)排列的5～6個白光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)動電壓，其上固有的切換電路紋波對其他小信號電路是較大的噪聲源。如果采用PWM信號控制升壓型芯片的使能端來進行調(diào)光操作，那么不單是PWM信號自身，波動的驅(qū)動電壓更會對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)動器，特別適合于采用5～6個白光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)動器的轉(zhuǎn)換效率，以降低背光電路的功耗。
當前大部分流行的電荷泵式LED驅(qū)動器根據(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用功耗和隨之而來的熱損耗。同時，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，不僅有效延長了電池的工作時間，而且使得整個系統(tǒng)的輸入噪聲達到最小。特別地，為了實現(xiàn)1.33倍的工作模式，CAT3636仍然采用流行的電荷泵式LED驅(qū)動器的外圍配置，只使用兩個飛電容來實現(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)相應增加，從而使器件可以采用較小但仍然廉價的TQFN封裝，有利于實際的生產(chǎn)和采購。
Quad-Mode電荷泵原理
CAT3636采用的是QUAD-MODETM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-MODETM電荷泵的2倍模式工作原理如圖1所示。第1相時，輸入電源VIN對2個外部電容C1和C2進行充電，此時兩個外部電容并聯(lián)，電容的a端接VIN，b端接地。電容兩極間的電壓就是輸入電壓，即VC1=VC2=VIN。第2相時，外部電容b端則接至VIN,a端接至VOUT，這是VOUT=VIN+VC= 2VIN。由于反復的轉(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，C1和C2串聯(lián)接至VIN與地之間，輸入電壓VIN對電容C1和C2進行充電，VC1=VC2=1/2VIN。第二相時，兩個外部電容與地斷開，并聯(lián)接至VOUT，此時VOUT=VIN+VC =VIN+1/2VIN=3/2VIN。同樣的，這個過程被反復地轉(zhuǎn)換，就實現(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 -MODETM電荷泵僅使用2個外部電容即可實現(xiàn)1.33倍模式。第一相時，VIN對外部電容C1和C2進行充電，C1與C2串聯(lián)。 第二相時，電容C1和C2與輸入電源VIN斷開，C1反向接至VIN和VOUT。此時C2保持浮空狀態(tài)。第三相時，C1和C2串聯(lián)接至VIN，C2的正極接至VOUT。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：VIN=VC1+VC2 （1）
第2相：VOUT=VIN+VC1 （2）
第3相：VOUT=VIN-VC1+VC2 （3）
將（2）式代入（3）式得：
VIN +VC1=VIN-VC1+VC2 （4）
VC2=2VC1 （5）
將（5）式代入（1）式：
VC1=1/3VIN （6）
再將（6）式代入（2）可得：
VOUT=4/3VIN。
圖3 Catalyst創(chuàng)新的1.33倍模式架構(gòu)
如果輸入電壓VIN比LED的正向電壓降VF大的話，則驅(qū)動LED不需要升壓，QUAD-MODETM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PI就等于外部LED消耗的功率PL加上其自身消耗的功率PE，即PI=PL +PE。CAT3636自身消耗的功率主要包括電荷泵電壓轉(zhuǎn)換功耗PC，內(nèi)部恒流源被動消耗功耗PS，內(nèi)部邏輯功能模塊消耗的功率PF，以及熱損耗PT，即PE= PC+PS+PF+PT。如圖4所示。
圖4 功率消耗分布圖
CAT3636的轉(zhuǎn)換效率η=PL/PI=PL/（PC+PL+PS+PF+PT）。由于PF和PT值都比較小，η≈PL/（PC+PL+PS）。在恒定電流工作條件下，LED的消耗功率PL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PS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)動器要比僅有1.5倍或2倍模式的驅(qū)動器綜合轉(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典型應用
CAT3636典型應用電路如圖6所示。除被驅(qū)動的LED外，僅需要2個普通的X5R或X7R電容。其內(nèi)建6個通道恒流源，可以驅(qū)動6個共陽極并聯(lián)LED。對于不使用的LED端口，只需要將該端口直接連至VOUT端，CAT3636會自動檢測端口的狀態(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)還是模擬信號控制，只是這個模擬控制信號，采用數(shù)字方式編碼罷了。脈沖的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。為了將這個數(shù)字編碼的模擬信號解調(diào)出來，常常需要在LED驅(qū)動器的控制引腳和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。否則可能會將控制信號過濾掉，造成無法控制CAT3636工作。CAT3636 1-Wire接口只有一根控制線，沒有時鐘線與編程數(shù)據(jù)同步，就需要有嚴格的時序要求，以保證編程數(shù)據(jù)的正確性。所以在實際應用中，要嚴格按照CAT3636 datashee上的時序要求，發(fā)送控制命令。
結(jié)語
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，最大限度地延長了便攜設備的電池續(xù)航時間。它的外圍電路十分簡單，僅需要2個普通電容，即可實現(xiàn)四種工作模式，而且不需要電感，可以避免因電感所帶來的EMI問題。3mm×3mm TQFN超小封裝，引腳少，外圍組件拓撲結(jié)構(gòu)簡單，有助于降低在高密度PCB設計中LAYOUT的難度。另外，它的接口簡單，操作靈活，可以實現(xiàn)多種個性化的應用需求，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、PDA、PMP、數(shù)碼相機等掌上便攜設備使用的高性能LED驅(qū)動器。
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