中心議題：

• 電路複雜性對比
• 物理尺寸對比
• 係統設計靈活性對比
• 輸出電壓紋波對比
• 外接旁路元件的對比

目前，便攜式產品廣泛使用彩色LCD顯示器，用白光LED作為背光。為白光LED供電需要特別的轉換器
，需要提供LED正向導通的高壓和恒流驅動，減小電池電壓變化時所引起的亮度變化以及不同LED之間的亮度不匹配。為了達到這個目的，有兩種主流的轉換器：基於電感的升壓轉換器和基於電容的電荷泵轉換器。這兩種轉換器各具優缺點，需要根據係統的具體要求決定選用哪種架構。

本文以MAX1561升壓轉換器和MAX1573電荷泵為例
，對兩種轉換架構進行比較。文中評估了每種轉換器的優點，所得出的結論有助於係統設計者選擇正確的方案。MAX1561和MAX1573幾乎是在同一時期、在同一工廠、采用相同工藝設計的，開關頻率均為1MHz，適合進行對比。

電路複雜性：電荷泵略占優勢

圖1給出了兩種方案的電路圖，兩個電路都隻有幾個簡單的外部元件

，但升壓轉換器需要電感和肖特基二極管(有些升壓轉換器內部集成肖特基二極管，但通常會降低效率)。


圖1.MAX1561升壓轉換器(a)和MAX1573電荷泵(b)是2種LED供電方案。電路複雜度基本相同,但電荷泵不需要電感。
效率：電荷泵的效率竟略占優勢[page]

圖2給出了兩種方案的效率
，效率是在標準的鋰電池以C/5的速率放電為LED供電的情況下測量的。18mA/LED的效率曲線代表正常顯示亮度情況下的效率
，升壓轉換器和電荷泵的平均效率都是83%；圖中2mA/LED的效率曲線代表LED處於亮度比較暗的靜止狀態時的效率
，電荷泵可以獲得76%的平均效率，明顯好於升壓轉換器的59%。


圖2.MAX1561升壓轉換器(a)和MAX1573電荷泵(b)在18mA/LED的測試條件下
，整個電池工作時間內的平均效率均為83%。當LED比較暗時
，2mA/LED
，電荷泵效率高於升壓轉換器。

上述結果出乎人們的預料，因為大多數電荷泵的效率達不到這樣的效率。MAX1573之所以能夠提供業內領先的效率，是因為它包含了1倍壓旁路和1.5倍壓升壓電荷泵模式，並具有自適應切換功能，低壓差線性電流調節器能夠在電池電壓下降的時候盡可能地保持在1倍壓模式，從而取得高效率。傳統電荷泵方案不具備1倍壓模式
，隻能取得50%至67%的效率。一些競爭產品雖然也包含了1倍壓模式，但工作在這種模式的時間較短
，所以一般達不到83%的平均效率。

對於升壓轉換器
，MAX1561是業界效率非常高產品。通過某些折中，也可以獲得更高的效率，例如：MAX1599


，在18mA/LED時
，效率是87%；在2mA/LED時
，效率是71%。MAX1599和MAX1561非常類似，隻是開關頻率從1MHz降到500kHz，第開關頻率下減少了開關損失。但是，頻率的降低使得外部電感的尺寸提高2倍。[page]

物理尺寸；電荷泵占優勢

圖3給出了兩種方案的PCB布局，包括外部元件。升壓轉換器的引腳數較少，允許采用小尺寸
、3mmx3mm的封裝，但電感使得整體尺寸變大，高度也較大。大約1mm高的電感甚至占用比圖3還大的電路板空間。雖然電荷泵本身尺寸較大，4mmx4mm，但它隻需要較小的1μF陶瓷電容。圖3(b)所示0603封裝的電容，至少有3家廠商可以提供圖3(c)所示0402電容。在對尺寸要求特別苛刻的情況下，也可以選擇2mmx2mm封裝的MAX1573，整個電荷泵方案的尺寸僅為11mm2。



圖3.因為要使用電感

，升壓轉換器(a)比電荷泵(b)占用更大的電路板空間和高度。如果使用晶片級封裝的MAX1573和0402封裝的1μF電容，整個電荷泵方案(c)的尺寸就會非常小。

係統靈活性：升壓轉換器占優勢

升壓轉換器的一個重要的優點是支持串聯LED
，電荷泵隻能驅動並聯LED。從圖4(a)可以看出，串聯配置的LED，在升壓轉換器和LED之間隻需2條連線。如果升壓轉換器或電荷泵放置在係統板，而LED模塊放置在顯示板，這個優勢將非常重要。這種情況下
，升壓轉換器隻需極少的接點。除此之外，升壓轉換器可以支持更多的LED模塊
，每個顯示模塊可以串聯不同數量的LED。而且
，在實際應用中可能不需要改變升壓轉換電路既可更換顯示模塊；也可以在不改變顯示模塊的條件下更改升壓轉換器。由此可見，串聯LED架構大大降低了設計風險。

為了提高電荷泵的效率，在電池直接驅動模式下，每個LED需要一個單獨的電流調節器，如圖4(b)所示。如果改變LED數量，LED連線也必須改變。而且，為了關閉不使用的電流源，有時也不得不改變電路(例如，將MAX1573不使用的電流調節器接IN)。有些競爭方案會在這種情況下產生很多問題：不使用的電流調節器需要通過不同方式關閉(例如，接OUT或浮空)
；更糟糕的是，新設計的電荷泵可能采用共陰極LED，而非共陽極配置，這種情況下要求顯示模塊的改動更多。


圖4.升壓轉換器(a)與LED隻有兩條連線；電荷泵(b)需要更多的連線。因此，使用升壓轉換器更靈活，可以在不改變升壓電路的情況下改變LED配置，或在不影響LED配置的情況下改變升壓轉換器。使用電荷泵時，LED必須與IC配套。
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紋波和噪聲：電荷泵占優勢

因為電荷泵和升壓轉換器都是開關轉換器
，它們會在輸入
、輸出端產生電壓和電流紋波，在電感和開關節點產生EMI。有時，這些紋波和噪聲會耦合到係統電路
，如手機的RF接收器，影響性能。

輸入紋波顯然很重要，因為電池輸入在係統中對很多電路是公用的。圖5所示
，在相同開關頻率、驅動同樣負載時，如果使用同樣的輸入電容，電荷泵和升壓轉換器產生的輸入紋波在同一量級。應當注意
，MAX1573輸入端隻需使用一個1μF的陶瓷電容，為了和MAX1561進行比較
，我們將這個電容增大到2.2μF。把輸入電容提高到4.7μF或10μF可以進一步減小輸入紋波
，但在一定程度上提高了成本，增大了物理尺寸。


圖5.如果開關頻率為1MHz
，驅動同樣數量的LED，采用相同的輸入電容
，那麼電荷泵(b)和升壓轉換器(a)的輸入紋波基本相同。然而，由於電荷泵與LED之間有較多引線
，建議使用更短的連線(天線)，另外，泵電容產生的EMI低於升壓轉換器的電感。

輸shu出chu紋wen波bo也ye是shi一yi個ge問wen題ti，尤you其qi是shi輸shu出chu線xian較jiao長chang時shi，可ke能neng產chan生sheng天tian線xian效xiao應ying或huo將jiang噪zao聲sheng耦ou合he到dao相xiang鄰lin電dian路lu。為wei了le解jie決jue這zhe個ge問wen題ti

，可ke能neng更geng傾qing向xiang於yu選xuan擇ze升sheng壓ya轉zhuan換huan器qi，但dan也ye僅jin僅jin是shi因yin為wei它ta需xu要yao的de輸shu出chu引yin線xian較jiao少shao，可ke以yi放fang置zhi在zai距ju離liLED較遠的位置。電荷泵因為有大量的輸出連線，要求IC與LED盡可能靠近。

升壓轉換器是把能量儲存在電感的電磁場中，會比電荷泵電容產生更強的EMI。suoyi，jianyishiyongpingbidianganhuoduixitongpingbi。lingwai
，shengyazhuanhuanqizaidianganhexiaotejierjiguandelianjiechuyoukuaisudegaoyabodong，keyizaikaiguanjiedianchujiayigexiaodianronglaijianhuankaiguanxinhaochanshengdeEMI輻射

，但這樣做會犧牲效率。

其它特點：根據需要而定

下列問題不是升壓轉換器或電荷泵本身的特性
，但在選擇任何具體的背光IC時，這些特性非常重要。

MAX1561和MAX1573都包含輸出過壓保護。這個特點可以防止IC在二極管(或任何輸出)開路時損壞IC。如果沒有這個功能，需要在外部加一個齊納二極管。

亮度控製在LED不工作的情況下降低LED的電流(顯示亮度)，以延長電池使用時間。用戶也可以根據個人愛好調節顯示器的亮度。亮度調節的方式有許多種，包括模擬DAC、邏輯輸入、開/關PWM控製
、PWM濾波
、單總線脈衝接口和SPI?或I2C串口。MAX1561和MAX1573使用了多種亮度控製方法。

MAX1561用一個CTRL輸入控製亮度，這個信號可以是簡單的開/關邏輯電平或DAC輸出的模擬信號
，也可以是頻率在200Hz到200kHz的PWM信號。因為MAX1561內部集成了一個反饋環路，PWM信號經過內部濾波轉換成直流LED電流，與傳統的開/關PWM亮度控製相比具有更低的輸入/輸出紋波和噪聲。
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MAX1573用2個邏輯輸入：EN1和EN2

，用於控製LED關閉和10%
、30%、100%的電流等級。另外，當EN2驅動至高電平時，可以在EN1上加一個200Hz到20kHz的信號調節LED電流，利用PWM信號在10%至100%範圍內調節電流。另外，MAX1573的外部電阻Rset用來設置100%的電流最大值，因此
，利用不同的電阻或在SET引腳施加一個模擬或邏輯信號同樣可以控製亮度。

軟啟動用來抑製啟動時的浪湧電流，使電池電壓的跌落最小，以免對係統的其它電路造成影響。如圖6所示
，MAX1561和MAX1573都包括軟啟動電路。合理的軟啟動機製可以防止任何輸入過衝電流，有些軟啟動電路隻能防止過衝電流不超過一定的限製。


圖6.MAX1561升壓轉換器(a)和MAX1573電荷泵(b)的軟啟動和關斷波形都表明沒有輸入過衝電流(IIN)，使電池跌落最小
，以免對係統的其它電路造成影響。

快速
、固定開關頻率允許使用小尺寸的外部元件，保持較低的輸入/輸出紋波。但是，如果開關頻率過高，開關損耗會上升
，效率將會降低。按照當前的半導體工藝
，最佳工作頻率範圍為600kHz至1.5MHz。一些背光驅動IC采用不同頻率的PFM架構或柵極振蕩器控製機製
，可能會產生較大的輸入、輸出紋波，紋波存在大量的諧波分量，可能幹擾其它電路的正常工作。如果使用PFM架構

，建議在使用之前進行認真評估。

較高的電流精度和匹配度，會使顯示器亮度和電源損耗達到最佳狀態
，使不同LED之間的亮度差異最小。設計人員可能非常關注這個問題
，但並非想象的那樣嚴格。即使電流精度達到了極致，LED本身也會存在±20%的亮度偏差。而且，人眼對於40%的整體亮度誤差和LED之間±30%偏差並不敏感。

老式的穩壓型電荷泵中使用了很大的電阻
，所能達到的精度和匹配度均無法接受。新的電荷泵中集成了多個電流調節器
，為每個LED提供有源控製。即便這樣，在小電流情況下保持良好的匹配度仍然是一些IC設計所麵臨的挑戰。升壓轉換器由於采用了串聯LED架構，從根本上能夠在任意電流下保持優異的匹配度，但升壓IC還需在整個亮度範圍內保證合理的精度。

電荷泵在1倍壓模式和1.5倍壓模式下切換時，模式切換滯回功能可以防止LED閃shan爍shuo。一yi種zhong較jiao好hao的de自zi適shi應ying模mo式shi轉zhuan換huan機ji製zhi是shi對dui電dian流liu調tiao節jie器qi進jin行xing監jian測ce，在zai電dian壓ya剛gang好hao跌die落luo到dao最zui低di門men限xian之zhi前qian切qie換huan工gong作zuo模mo式shi，以yi便bian在zai盡jin可ke能neng地di的de電dian池chi電dian壓ya下xia保bao持chi高gao效xiao的de1倍壓模式。對每路電流調節器進行監測非常關鍵，否則，有些LED可能會在模式轉變之前發生閃爍，使得1.5倍壓模式開啟時出現明顯的LED亮度越變。一旦工作在1.5倍壓模式，滯回功能可以避免模式之間的反複切換，產生較大的輸入/輸出紋波和明顯的LED閃爍。如果滯回電壓設置過大，則在發生極小的電池電壓跌落時都會把電荷泵置於低效的1.5倍壓模式
，而在電池電壓恢複正常時仍然阻止電荷泵返回到1倍壓模式。因此，需要對滯回進行優化設置，比如，MAX1573不僅監測每個電流調節器，還采用了專利技術，主動修改滯回門限，使效率達到最佳，並避免了閃爍(當然，升壓轉換器，如MAX1561，並不需要模式轉換)。

上述比較表明電荷泵具有更大優勢，當然，要根據具體情況和每個驅動IC的特點選擇驅動方式。到目前為止
，大多數升壓轉換器可以提供更高效率，應用更普遍。不過，既然新一代1倍壓/1.5倍壓電荷泵彌補了這個差距

，電荷泵方案會在大多數新設計中受到青睞