白光LED應用中提升電池電壓的方法

白光LED通常由一個恒定直流電流源驅動，以保持恒定的亮度。在采用單顆鋰離子電池供電的便攜式應用中，白光LED以及電流源上的電壓降之總和可以比電池電壓更高或更低，這意味著白光LED某些時候需要對電池電壓進行升壓。完成這樣應用的最好辦法是使用升壓DC-DC轉換器。這種方法可以大大地優化效率，但代價是成本和PCB面積增加。另外一種提升電池電壓的方法是使用電荷泵，也稱為開關電容轉換器。本文將詳細地分析這種器件的工作原理。
　電荷泵的基本原理

　　電容器是一種用來儲存電荷或電能，并在指定的時間以預設的速率將之釋放的組件。

　　圖1U從一個電壓源對電容進行充電（圖a和b是理想情況，c和d是實際情況）。

　　如果一個理想的電容以理想的電壓源VG進行充電（見圖1a），將依據Dirac電流脈沖函數立即存儲電荷（圖1b）。存儲的總電荷數量按以下方式計算U Q = CVG

　　實際的電容具有等效串聯阻抗（ESR）和等效串聯電感（ESL），兩者都不會影響到電容存儲電能的能力。然而，它們對開關電容電壓轉換器的整體轉換效率有很大的影響。實際電容充電的等效電路如（圖1c）所示，其中RSW是開關的電阻。充電電流路徑具有串行電感，通過適當的器件布局設計可以降低這個串行電感。

　　一旦電路被加電，將產生指數特性的瞬態條件，直到達到一個穩態條件為止。電容的寄生效應限制峰值充電電流，并增加電荷轉移時間（圖1d）。因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷泵就利用了這種電容特性，如（圖2a）所示。

　　圖2Ua.電荷泵電路，b.相關的波形。

　　電壓變換在兩個階段內實現。在第一個階段期間，開關S1和S2關閉，開關S3和S4打開，而C1被充到輸入電壓：

　　在第二個階段，開關S3和S4關閉，而S1和S2打開。因為電容兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓突變到輸入電壓值的兩倍U

　　使用這種方法可以實現電壓的倍壓。開關訊號的工作周期通常為50％，這通常能產生最佳的電荷轉移效率。以下讓我們更詳細地了解電荷轉移過程以及開關電容轉換器寄生效應如何影響其工作。

　　（圖2b）中顯示了開關電容電壓倍壓器的穩態電流和電壓波形。根據功率守恒的原理，平均的輸入電流是輸出電流的兩倍。

　　在第一階段，充電電流流入到C1。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR以及開關的電阻。在C1充電后，充電電流呈指數級地降低。充電時間常數是開關周期的幾倍，更小的充電時間常數將導致峰值電流增加。在這個時間內，輸出電容CHOLD提供負載電流線性放電的電量，放電量等于：

　　在第二階段，C1 +連接到輸出，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）通過C1流到負載。在這個階段，輸出電容電流的變化大約為2 IOUT。盡管這個電流變化應該能產生一個輸出電壓變化為2 IOUT ESRC_HOLD，使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計。此時，CHOLD按下面的電量線性電位充電U

　　當C1連接到輸入和接地之間時，CHOLD依照以下的電量線性電位放電U

　　以下等式計算出輸出漣波峰對峰電壓值的總數U

　　更高的開關頻率可以采用更小的輸出電容來獲得相同的紋波。

　　電荷泵的寄生效應導致輸出電壓隨著負載電流的增加而下降。事實上，總是存在2 IOUT的RMS電流流過C1和兩個開關（2Rsw），導致產生以下的功耗U

　　除了這些純粹的電阻損耗，IOUT的RMS電流流過開關電容C1的等效電阻，產生的功耗為總之，因為陶瓷電容低的ESR以及高的開關頻率，輸出漣波以及輸出電壓降取決于開關電阻。

　　利用更多的開關和電容可以實現更多的電壓轉換。（圖3）展示了使用電容的這個特性的電路。

　　圖3U具有1倍和1.5倍增益的開關電容電路。