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利用电荷泵实现背光源的设计方法分析
发布时间:2015-12-21 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]至1996年日亚化学发表蓝光LED之后，白光LED就被视为下一代照明光源最具发展潜力的器插件电感器件。目前白光LED已经广泛应用在公共场所步道灯、汽车照明、交通号志、便携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，而电荷泵是利用电容达到升降压的DC/DC转换器，非常适用于手持式系统中小尺寸面板的背光源。
电荷泵将能量储存在电容上然后转移到输出，而不需利用电感储能方式，故在PCB布局时占有面积、高度及成本上的优势，此电感器厂家种不用电感的低功率辅助电源设计在目前电子产品强调轻薄短小上是较佳选择。
常见电荷泵
电感器生产厂家依电荷泵的输出电压不同可分为2倍压、1.5倍压及负电压架构。主要工作模式如下：
1.2倍压架构
2倍压架构顾名思义也就是在输出端VOUT电压为两倍VIN电压，其所需要的器件为开关(Q1~Q4)与电容(CIN、COUT、CPUM贴片电感器P)，而电路动作可分为充电阶段与转移阶段(TransferPhase)。
充电阶段：Q1和Q4一体成型电感闭合，Q2和Q3打开，此时输入电压(VIN)对CPUMP充电，如此在CPUMP两端的电压为VIN。
转移阶段Q1和Q4打开，Q2和Q3闭合，此时输入电压(VIN)与CPUMP串联对COUT充电，如此在COUT端输出电压即为两倍输入电压。
使用这种方法可以实现输出电压为输入电压的两倍。开关信号的占空比通常为50％，这通常能产生最佳的电荷转移效率。
2.1.5倍压架构
1.5倍压架构也就是在输出端VOUT电压为1.5倍VIN电压，其所需要的器件为开关(Q1~Q7)与电容(CIN、COUT、CPUMP1、CPUMP2)，而电路动作同样可分为充电阶段与转移阶段。
充电阶段：Q1、Q4和Q7闭合，Q2、Q3、Q5和Q6打开，此时输入电压(VIN)对CPUMP1和CPUMP2充电，如此在电容两端电压分别为1/2VIN。
转移阶段：Q1、Q4和7打开，Q2、Q3、Q5和Q6闭合，此时CPUMP1与CPUMP2为并联再与输入电压(VIN)串联对COUT充电，如此在COUT端输出电压即为1.5倍输入电压。
使用7个切换开关可以实现输出电压为输入电压的1.5倍。开关信号的占空比通常为50％，这通常能产生最佳的电荷转移效率。
3．负压架构
负压架构也就是在输出端VOUT电压为负VIN电压，其所需器件为开关(Q1~Q4)与电容(CIN、COUT、CPUMP1)，而电路动作同样可分为充电阶段与转移阶段。
充电阶段：Q1和Q2闭合，Q3和Q4打开，此时输入电压(VIN)对CPUMP充电，如此在电容两端电压为VIN。
转移阶段：Q1和Q2打开，Q3和Q4闭合，此时CPUMP对COUT充电，如此在COUT端输出电压即为负的输入电压，而输入端对输出端而言即可获得两倍电压差。
使用这种方法可以实现输出电压为负的输入电压。开关信号的占空比通常为50％。
电荷泵等效电路分析
接下来我们深入探讨电荷泵的等效电路，并分析电容与工作频率对电荷泵的影响。以两倍压架构为例，电路结构参考图1。而其工作时可分为如图2所示的电路：
图1：电荷泵2倍压架构。
图2：电荷泵工作时的等效电路。
图3：电荷泵1.5倍压架构。
其稳态架构电路推导如下，
稳态：
(D为占空比=0.5；VPUMP-ON为打开时电容C1上的电压；VPUMP-OFF为关断时电容C1上的电压；f为开关频率)将以上公式化简带入，即可获得下列等效公式
由以上等效电路与公式，可获得几个重要结论：
f(开关频率)增快可以获得较大的驱动能力与较好的效率；
C1电容选择容值较大且ESR较小者，可以获得较大的驱动能力与较好的效率；
电荷泵的优劣与其开关(Q1~Q4)的RDS-ON值大小直接相关，值越小电荷泵工作特性越佳
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