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目前，各種消費類電子產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功耗首要問題之一。 目前，市場上LCD屏的主流架構是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，同時也和周邊的環境和用戶的主觀感受有關。國內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。考慮到LED的壽命、指標及價格，一般把單個LED電流控制在15～25mA。 大多數便攜設備采用鋰電池供電。鋰電池的放電區間是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動白光LED就會發生暗屏或閃屏等不正常現象。 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動電路。目前常用的架構有兩種：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的驅動方案，雖然電感升壓型架構比傳統的電荷泵升壓型架構具備更多的高效率優勢，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。為了驅動串聯排列的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光操作，那么不單是PWM信號自身，波動的驅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不同的是，它采用了Catalyst半導體公司的Quad-ModeTM電荷泵專利技術，能夠非常有效地提升背光LED驅動器的轉換效率，以降低背光電路的功耗。 當前大部分流行的電荷泵式LED驅動器根據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電流，不僅有效延長了電池的工作時間，而且使得整個系統的輸入噪聲達到最小。特別地，為了實現1.33倍的工作模式，CAT3636仍然采用流行的電荷泵式LED驅動器的外圍配置，只使用兩個飛電容來實現電壓變換，這就使芯片不必因工作模式的增加而使引腳數相應增加，從而使器件可以采用較小但仍然廉價的TQFN封裝，有利于實際的生產和采購。 Quad-Mode電荷泵原理 CAT3636采用的是QUAD-MODETM電荷泵升壓架構。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關系。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，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換，就實現了1.5倍升壓。 圖2 1.5倍模式升壓原理 與傳統的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。 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。第三相時，C1和C2串聯接至VIN，C2的正極接至VOUT。穩態的輸出電壓可以根據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創新的1.33倍模式架構 如果輸入電壓VIN比LED的正向電壓降VF大的話，則驅動LED不需要升壓，QUAD-MODETM電荷泵工作在1倍模式下。 根據能量守恒原理，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換功耗PC，內部恒流源被動消耗功耗PS，內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，則內部恒流源消耗的功率就會越大，轉換效率隨之降低。這也就是帶1.33倍模式的LED驅動器要比僅有1.5倍或2倍模式的驅動器綜合轉換效率要高的原因。圖5是CAT3636工作在鋰電放電范圍內的轉換效率圖。 圖5 CAT3636轉換效率 CAT3636典型應用 CAT3636典型應用電路如圖6所示。除被驅動的LED外，僅需要2個普通的X5R或X7R電容。其內建6個通道恒流源，可以驅動6個共陽極并聯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，關閉不使用的LED端口。 圖6 CAT3636外圍電路 CAT3636采用了一種完全不同于脈寬調制（PWM）控制方式。PWM控制方式的本質還是模擬信號控制，只是這個模擬控制信號，采用數字方式編碼罷了。脈沖的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。為了將這個數字編碼的模擬信號解調出來，常常需要在LED驅動器的控制引腳和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據同步，就需要有嚴格的時序要求，以保證編程數據的正確性。所以在實際應用中，要嚴格按照CAT3636 datashee上的時序要求，發送控制命令。 結語 由于CAT3636采用全新的四模式電荷泵架構，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，外圍組件拓撲結構簡單，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、數碼相機等掌上便攜設備使用的高性能LED驅動器。 |
