白光LED应用中提升电池电压的方法

白光LED通常由一个恒定直流电流源驱动，以保持恒定的亮度。在采用单颗锂离子电池供电的便携式应用中，白光LED以及电流源上的电压降之总和可以比电池电压更高或更低，这意味着白光LED某些时候需要对电池电压进行升压。完成这样应用的最好办法是使用升压DC-DC转换器。这种方法可以大大地优化效率，但代价是成本和PCB面积增加。另外一种提升电池电压的方法是使用电荷泵，也称为开关电容转换器。本文将详细地分析这种器件的工作原理。
　电荷泵的基本原理

　　电容器是一种用来储存电荷或电能，并在指定的时间以预设的速率将之释放的组件。

　　图1U从一个电压源对电容进行充电（图a和b是理想情况，c和d是实际情况）。

　　如果一个理想的电容以理想的电压源VG进行充电（见图1a），将依据Dirac电流脉冲函数立即存储电荷（图1b）。存储的总电荷数量按以下方式计算U Q = CVG

　　实际的电容具有等效串联阻抗（ESR）和等效串联电感（ESL），两者都不会影响到电容存储电能的能力。然而，它们对开关电容电压转换器的整体转换效率有很大的影响。实际电容充电的等效电路如（图1c）所示，其中RSW是开关的电阻。充电电流路径具有串行电感，通过适当的器件布局设计可以降低这个串行电感。

　　一旦电路被加电，将产生指数特性的瞬态条件，直到达到一个稳态条件为止。电容的寄生效应限制峰值充电电流，并增加电荷转移时间（图1d）。因此电容的电荷累积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零。电荷泵就利用了这种电容特性，如（图2a）所示。

　　图2Ua.电荷泵电路，b.相关的波形。

　　电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段期间，开关S1和S2关闭，开关S3和S4打开，而C1被充到输入电压：

　　在第二个阶段，开关S3和S4关闭，而S1和S2打开。因为电容两端的电压降不能立即改变，输出电压突变到输入电压值的两倍U

　　使用这种方法可以实现电压的倍压。开关讯号的工作周期通常为50％，这通常能产生最佳的电荷转移效率。以下让我们更详细地了解电荷转移过程以及开关电容转换器寄生效应如何影响其工作。

　　（图2b）中显示了开关电容电压倍压器的稳态电流和电压波形。根据功率守恒的原理，平均的输入电流是输出电流的两倍。

　　在第一阶段，充电电流流入到C1。该充电电流的初始值决定于电容C1两端的初始电压、C1的ESR以及开关的电阻。在C1充电后，充电电流呈指数级地降低。充电时间常数是开关周期的几倍，更小的充电时间常数将导致峰值电流增加。在这个时间内，输出电容CHOLD提供负载电流线性放电的电量，放电量等于：

　　在第二阶段，C1 +连接到输出，放电电流（电流大小与前面的充电电流相同）通过C1流到负载。在这个阶段，输出电容电流的变化大约为2 IOUT。尽管这个电流变化应该能产生一个输出电压变化为2 IOUT ESRC_HOLD，使用低ESR的陶瓷电容使得这种变化可以忽略不计。此时，CHOLD按下面的电量线性电位充电U

　　当C1连接到输入和接地之间时，CHOLD依照以下的电量线性电位放电U

　　以下等式计算出输出涟波峰对峰电压值的总数U

　　更高的开关频率可以采用更小的输出电容来获得相同的纹波。

　　电荷泵的寄生效应导致输出电压随着负载电流的增加而下降。事实上，总是存在2 IOUT的RMS电流流过C1和两个开关（2Rsw），导致产生以下的功耗U

　　除了这些纯粹的电阻损耗，IOUT的RMS电流流过开关电容C1的等效电阻，产生的功耗为总之，因为陶瓷电容低的ESR以及高的开关频率，输出涟波以及输出电压降取决于开关电阻。

　　利用更多的开关和电容可以实现更多的电压转换。（图3）展示了使用电容的这个特性的电路。

　　图3U具有1倍和1.5倍增益的开关电容电路。