LCD面板中的LED背光燈是筆記本和平板電腦應用中最大的耗電量。隨著屏幕分辨率和亮度級別的增加，LED背光燈消耗的輸入功率也隨之增加。市場上現有的常規LED驅動器正在達到峰值性能，并且在效率沒有進一步提高的情況下達到頂峰。

因此，需要一種新型的LED升壓驅動器架構來實現顯著的效率性能突破，以實現用于下一代筆記本和平板電腦設計的低功耗LCD面板。本文討論了一種新的LED升壓架構，并概述了其與傳統LED升壓驅動器相比的優勢。

傳統的LED升壓架構

當今的常規LED升壓驅動器使用單級異步升壓DC-DC架構。之所以使用這種DC-DC架構，是因為LED燈串需要高輸出電壓。由于具有高輸出電壓，因此在LED升壓驅動器中集成用于同步轉換器的高壓，大尺寸P溝道MOSFET的經濟意義不大。

此外，異步轉換器中肖特基二極管中的正向壓降僅影響效率0.5％至1％。由于這兩個原因，異步升壓架構是當今LED升壓驅動器的首選方法。傳統LED升壓驅動器的簡化電路如圖1所示。

圖1簡化的電路圖顯示了傳統的LED升壓架構。資料來源：pSemi

常規的LED升壓架構是易于使用的電路，但有幾個缺點。由于轉換比的增加，效率隨著輸出電壓（VOUT）的增加而降低。這迫使許多應用使用較少的串聯LED來降低輸出電壓，但同時也增加了并聯LED串的數量。更多的并行LED串需要更寬的邊框以容納更多的布線。由于LED電流吸收器的調節電壓（VREG）損失更大，因此這種傳統架構還會降低系統效率。對于0.4V的典型VREG和24V的VOUT，VREG造成1.67％的系統效率損耗（VREG損耗= VREG/ VOUT* 100％）。圖2顯示了兩個不同的VOUT電平對效率的影響。

圖2注意，在5W輸出功率水平下，隨著VOUT從26V增加到34V，效率下降了約2％。資料來源：pSemi

在常規架構中，必須使用更大的電感器以保持高效率。這種架構占用了更多的電路板空間并增加了成本，使得低調設計更具挑戰性。

如果VOUT短接到GND，則異步架構會在VIN和GND之間建立一條路徑，從而增加了發生災難性故障的可能性。預防性解決方案包括放置輸入斷開FET（例如圖1中的Q1）或在VIN路徑中放置保險絲。該解決方案需要額外的電路板空間，并增加了材料成本和系統效率損失。

兩級LED升壓架構

本文介紹的獨特的LED升壓使用兩級DC-DC架構。第一級是基于電感的同步升壓DC-DC轉換器。第二階段是專有的基于電容的電荷泵電路。該電荷泵電路提供從升壓輸出（VX）到LED VOUT的固定2x或3x轉換，效率高達99％。不管輸入或輸出電壓如何，該專有電荷泵電路均可提供高達99％的轉換效率。它還具有降低EMI，降低輸出紋波和無聽得見的噪聲的優勢。

這些優勢是通過專有的軟充電，相位交錯的架構來實現的，該架構的工作就像在100％的占空比中一樣。同樣，電容器是一種比電感器更有效的能量存儲元件-效率大約高60到70倍。該第二級電荷泵從升壓DC-DC轉換器上卸載了大部分工作負載，提高了升壓DC-DC效率，并實現了總體更高的系統效率。VOUT調節由升壓級控制。圖3顯示了這種獨特的LED升壓架構的簡化電路圖。

圖3此簡化電路圖顯示了獨特的LED升壓架構。資料來源：pSemi

這種獨特的體系結構具有多個優點。與傳統的LED升壓架構相比，使用高效的電荷泵電路可提供更高的效率。更高的效率會減小升壓電路的輸出電壓范圍，當VOUT增加時，對效率的影響較小。而且，與傳統的LED升壓相比，輸入電壓（VIN）上的效率更加一致，從而使運行時間隨著電池的耗盡而變得更加一致。圖4顯示了隨著VOUT增加而產生的效率。

圖4請注意，在5W輸出功率水平下，隨著VOUT從26V增加到34V，效率下降了<0.5％。資料來源：pSemi

通過降低升壓電路上的輸出電壓，由于占空比降低，可以使用小型且低成本的片式電感器。由于芯片電感器尺寸較小，該電感器的最大額定值為20V，以避免電感器內部泄漏或直通電流，使其不適合用于高VOUT應用的常規LED升壓。與傳統的LED升壓架構相比，當減小電感器尺寸時，效率影響較小。

憑借獨特的LED升壓架構，較低的升壓輸出電壓允許使用同步轉換器，而無需外部二極管。

兩級架構分多個階段提高電壓，電荷泵和升壓電路中的每個FET在漏極至源極之間僅看到很小的電壓階躍。這種多步驟架構允許使用低得多的電壓FET，從而降低了開關損耗。

電感上的壓擺電壓很小。與傳統的單級架構相比，該架構使用了軟充電電荷泵，可大大降低EMI和噪聲。

圖5顯示了獨特的兩級升壓架構與常規單級升壓架構之間的效率比較。圖6顯示了功耗比較。

圖5此圖比較了獨特的LED升壓架構和傳統LED升壓架構的效率。資料來源：pSemi

圖6功耗比較顯示了獨特的和傳統的LED升壓架構。資料來源：pSemi

兩個器件的VOUT為34V，兩個器件均使用4.7 μH電感器。但是，獨特的LED升壓架構使用的電感器是片式電感器DFE322512F-4R7M，可提供緊湊的3.2×2.5×1.2 mm外殼尺寸。傳統的LED升壓架構使用大型繞線電感器SPM5020T-4R7M，外殼尺寸為5.4×5.1×2.0 mm。

圖7顯示了效率測量中使用的片式電感器和繞線電感器之間的尺寸比較。

圖7您可以看到薄型片狀電感器（左）和常規繞線電感器（右）之間的尺寸差異。資料來源：pSemi

這種比較表明，與傳統的單級體系結構相比，獨特的兩級體系結構具有很大的效率提升。在此測量中，效率差異高達8％。輸出功率為5 W時效率為87％等于0.75 W的功率損耗，輸出功率為5 W時93％效率則等于0.37 W的功率損耗。因此，獨特的兩級架構可在功率損耗方面節省多達0.37 W的功率。常規的單級體系結構。0.37 W的功率意味著移動計算設備的運行時間更長，LED升壓電路的溫度上升幅度也更低。

新的架構方法

LCD顯示器中的LED背光驅動器是一個簡單的電路，但在系統效率，電池運行時間，熱管理和尺寸方面起著至關重要的作用。不幸的是，許多提高這種傳統電路效率的研究工作都集中在優化工藝技術上，而不是在架構上進行創新。

本文提供了一個示例，說明了創新的架構思想如何帶來許多好處，例如更高的效率，更低的工作溫度，更小的解決方案和更小的輪廓解決方案。同樣，它有助于降低EMI以減少系統干擾并更好地集成系統保護功能。

編輯：hfy