電荷泵在LCD面板背光中的應用

在最基本的形式中，電荷泵是產(chǎn)生大于其工作電源電壓的電路。傳統(tǒng)上，電荷泵被認為具有有限的電壓能力，提供的性能被視為填補低壓差LDO和開關穩(wěn)壓器之間的范圍。盡管如此，有一些好處使它們對某些應用具有吸引力。例如，電荷泵具有更高的效率和良好的熱管理，并且可以靈活地升壓，降壓或反轉輸入電壓。由于它們使用電容器來存儲和傳輸能量，因此電荷泵也易于設計并且不需要電感器，這可能更昂貴，具有更高的輸出噪聲水平，并且經(jīng)常降低輸出電流能力。

隨著工藝技術的進步，制造商已經(jīng)改善了這些器件的輸入電壓能力。集成電荷泵電路現(xiàn)在能夠驅動低噪聲，高壓運算放大器（運算放大器）。它們還可用于從單電源向雙電源高壓運算放大器提供雙極性電源。它們可以產(chǎn)生足夠的功率來驅動用于LCD面板背光的白色LED。

為了滿足各種需要高電壓而無需電感的應用的需求，包括凌力爾特公司和Maxim Integrated公司在內(nèi)的供應商已經(jīng)準備好了一系列電荷泵。由于電荷泵輸出沒有得到很好的調節(jié)，一些供應商提供調節(jié)電荷泵，它是片內(nèi)集成低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的副產(chǎn)品。

典型例子

凌力爾特公司為這些應用開發(fā)了兩款高壓反相單片電荷泵IC LTC3260和LTC3261。1LTC3261是一款高壓反相電荷泵，可提供高達100的電壓mA輸出電流，而LTC3260是一個反相電荷泵，包括片內(nèi)正負LDO穩(wěn)壓器，每個穩(wěn)壓器可提供高達50 mA的輸出電流。

負LDO后置穩(wěn)壓器由反相電荷泵輸出供電。使用外部電阻分壓器，正負LDO輸出電壓可分別調低至1.2和-1.2 V.兩款器件均可在4.5至32 V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。圖1所示為典型應用電路，從15 V輸入產(chǎn)生±12 V電壓。如圖所示，它使用了一些外部電阻和陶瓷電容。穩(wěn)定性。此外，LTC3260 IC還具有軟啟動電路，可防止啟動過程中電流過大，并具有短路和熱保護功能。該器件采用扁平14引腳DFN封裝和16引腳MSOP封裝，均采用背面散熱墊。器件的工作結溫為-40°至+ 125°C。

圖1：LTC3260電荷泵可從單個15 V電源產(chǎn)生±12 V電壓。

凌力爾特公司指出，電荷泵采用低靜態(tài)電流突發(fā)模式工作或低噪聲恒定頻率模式，效率高達88％。在突發(fā)模式操作中，電荷泵VOUT調節(jié)至-0.94 VIN，并且在兩個LDO穩(wěn)壓器開啟時僅消耗100μA的靜態(tài)電流。在恒定頻率模式下，電荷泵產(chǎn)生的輸出等于-VIN，使用外部電阻在固定的500 kHz或50 kHz至500 kHz的編程值下工作。

專為低噪聲性能而設計，電荷泵的高工作頻率可實現(xiàn)低輸出紋波。 LTC3260 LDO進一步降低了紋波（圖2），可提供《1mVp-p的極低噪聲輸出，非常適用于運算放大器和模數(shù)轉換器（ADC）驅動器等噪聲敏感應用。

圖2：LTC3260 LDO可進一步降低紋波，從而提供《1 mVp-p的極低噪聲輸出。

LTC3261是LTC3260的子集，采用12引腳MSOP封裝，背面導熱墊，工作結溫為-40°至+ 125°C。

另一家提供高壓電荷泵的制造商是Maxim Integrated。該公司正在推出基于MAX680/81 CMOS的單片雙電荷泵轉換器，能夠在+5 V輸入電壓下產(chǎn)生±10 V輸出。為此，它們設計用于提供正向升壓電荷泵，以從+ 5V輸入產(chǎn)生+10 V電壓，并提供反相電荷泵以產(chǎn)生-10 V輸出。這兩個器件都集成了片內(nèi)8 kHz振蕩器。雖然MAX681提供封裝內(nèi)部的電容，但MAX680需要四個外部電容才能從單電源產(chǎn)生正負電壓（圖3）。

圖3：MAX680需要四個外部電容，可在+5 V輸入電壓下產(chǎn)生±10 V輸出。 MAX681不需要外部電容，因為它們在封裝內(nèi)部。

對于需要更小封裝和更小電容的應用，Maxim推薦采用超小型μMAX封裝的MAX865，開關頻率超過20 kHz。為了給模擬功能供電，它提供的正輸出和負輸出是正輸入的兩倍。

Maxim的軍用庫中的額外高壓電荷泵是MAX1822。它經(jīng)過精心設計，可產(chǎn)生比輸入電源電壓高11 V的穩(wěn)壓輸出電壓，為高壓側開關和控制電路供電。 MAX1822的工作電源電壓范圍為3.5至16.5 V.

電荷泵還專為驅動白光LED而設計，具有恒定電流，均勻強度。為此，Maxim已經(jīng)準備好具有極低壓差自適應電流調節(jié)器的高效率反相電荷泵。指定的MAX8647/48，它可以驅動多達六個白光LED或兩組RGB LED，具有穩(wěn)定的恒定電流，用于顯示背光和有趣的光應用（圖4）。 Maxim報告稱該器件在整個1節(jié)鋰離子電池電壓范圍內(nèi)提供非常高的效率，即使LED正向電壓不匹配也很大。 1 MHz固定頻率切換允許微小的外部組件。此外，該規(guī)范經(jīng)過優(yōu)化，可確保低EMI和低輸入紋波。

圖4：Maxim的反相電荷泵可以驅動多達6個白光LED或兩組RGB LED，具有穩(wěn)定的恒定電流，用于顯示背光和有趣的燈光應用。

該器件提供I2C串行端口或三線串行脈沖邏輯接口。它為主背光和副背光提供獨立的開/關和調光。此外，調光范圍是24至0.1mA的偽對數(shù)，并且是32步的關閉。此外，反相電荷泵IC還具有溫度降額功能，可安全地實現(xiàn)明亮的24 mA滿量程輸出電流設置，同時自動降低電流，以在高于+ 60°C的高環(huán)境溫度下保護LED。該器件采用16引腳，3 x 3 mm薄型QFN封裝。