LCD背光驱动电荷泵的原理及应用

1引言
    手机、无绳电话、对讲机等便携式通信产品都是使用电池作为电源，合理地使用电池，充分挖掘其潜力可提高使用效率、延长电池的寿命。手机的LCD彩屏需要高亮度的白光LED去点亮，白光LED需要稳定的5V工作电压，如果工作电压下降，则白光LED的亮度降低，色彩就不鲜明，LCD彩屏的显示效果就不理想。白光LED不能直接由电池供电，因为电池一开始使用，电压就递减，影响显示效果。所以在电路设计上需要使用一个升压型的电荷泵，把递降的电压在一段较长的时间内稳定在5V。
2电荷泵的分类、工作原理及典型应用电路
2.1电荷泵分类
    电荷泵可分为：
    ——开关式调整器升压泵，如图1(a)所示。
    ——无调整电容式电荷泵，如图1(b)所示。
    ——可调整电容式电荷泵，如图1(c)所示。
2.2工作过程
    3种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。
    电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。因工作于较高频率，可使用小型陶瓷电容器(1μF)，占用空间最小，使用成本较低。电荷泵仅用外部电容器即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻（ESR)和内部开关晶体管的RDS（ON）。电荷泵转换器不使用电感器，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是工厂生产时精密预置的,可通过后端片上线性调整器调整，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。电容式电荷泵的内部结构如图2所示。它实际上是一个基准、比较、转换和控制电路组成的系统。

2.3几种不同的电荷泵的应用     图3（a）、（b）、（c）为3种典型应用电路。

    AAT3110输出并联稳压供电，外围元件少，走线简单，转换效率高。     AAT3110微功率升压电荷泵是美国研诺逻辑科技有限公司（AATI）开发的微功率开关电容器电压提升转换器。它可以提供稳定的5V输出电压，应用时没有其它升压泵运作所必需的电感器，外围只使用3个小的陶瓷电容器。它能输出100mA电流，可以驱动4个～5个白色或蓝色LED，以满足彩色LCD背光的应用。
    AAT3110的特点是静态电流小，转换效率高，负载能力大，是电池电源应用的理想器件。AAT3110工作在750kHz高频升压状态，使用脉冲跳变技术，从变化的输入电压中提取一个稳定的输出电压。输入电压范围为2.7V～5.5V，输出稳定的5V电压，转换效率达90％以上，输出纹波远小于同类产品，ESD大于2kV，具有短路保护、过温保护功能。AAT3110自身功耗甚微,仅为13μA，在停机状态下电流小于1μA。AAT3110与其它公司同类产品相比输出电流大、纹波小（如图4示）、价格低，实际应用时可对并联的LED供电（如图5示），其走线少，使用方便，因而工艺成本低，外围电路不使用电感器，无EMI辐射。

    AAT3110主要技术参数：     ——工作电压Vin=2.7V～5.5V
    ——输出电压Vout=5.0V/100mA
    ——静态电流Iq=13μA
    ——停机状态电流ISHDN=1μA
    ——工作效率90％以上，
    ——工作频率750kHz
    ——封装SOT23.6SC70JW-8
    AAT3110采用6脚SOT23小尺寸封装，适用于表面贴装，在PCB板上所占空间很小。SC70JW是AATI专利超小8脚封装如图6所示，占空比达42％，占用PCB面积仅4.2mm2，芯片抬起安装可使受热的空气自然流动以散热，多3个脚接地可充分利用PCB散热。

    AAT3111是类似的微功率升压电荷泵。它的工作电压是1.8V～3.3V/3.6V，输出稳定的3.3V或3.6V，电流100mA，最适合于使用2节电池作为电源的产品。3电荷泵选用要点作为设计工程师，选用电荷泵时应考虑下列要求：     1）转换效率要高
    ——无调整电容式电荷泵，90％；
    ——可调整电容式电荷泵，85％；
    ——开关式调整器，83％。
    2）静态电流要小，可以更省电；
    3）输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；
    4）噪音要小，对手机的整体电路无干扰；
    5）功能集成度高，可提高单位面积的使用效率，使手机设计得更小巧；
    6）足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而过热；
    7）封装尺寸小是便携式产品的普遍要求；
    8）安装成本低，包括外围电路少，占PCB板面积小，走线少而简单；
    9）具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使电流消耗接近于零。
4结语
    电荷泵适用于手机、PDA、E?Book、平板显示器、智能读卡机、USB5V稳压电源、GSM手机的SIM接口源。