電荷幫浦與昇壓式轉換器，同樣利用儲能元件配合開關作調節，以達到提昇輸出電壓的目的，但兩者在應用上仍具有不同的性能表現，本文以最普遍的昇壓應用「驅動白光LED」簡單比較兩者優缺點，提供系統設計者參考。
如(圖一)是電荷幫浦的雛型。當開關SW1、SW2閉合且SW2、SW3打開時Vin電源對CFly電容器充電，此時CFly兩端電壓等於Vin（忽略開關電阻壓降），當SW1、SW2打開且SW2、SW3閉合時CFly端電壓電壓便疊加在Vin電源上，令輸出電壓Vout為2Vin。
| 《圖一 電荷幫浦電路》 - BigPic:757x163 |
|
由圖一的動作方式可以歸納出幾個特性：
- (1)利用CFly電容器電壓VC於充放電過程中恆為正之特性作為提升輸出電壓的媒介；
- (2)最高輸出電壓為出廠預設值2Vin，無法調整；
- (3)開關元件通常以電晶體呈現並存在於晶片當中，故CFly充放電之電流都在晶片內流動，容易使晶片發燙；
- (4)為維持輸出電壓不變，負載電流受到開關交替切換頻率與CFly電容器大小影響，在電容器反應速度夠快的前提下，大的負載電流需要大的CFly電容器或更快的開關切換頻率以供應快速流失的電荷；
- (5)開關切換使CFly快速充放電，需要Cin與Cout電容器穩定電壓，由於CFly提供之電流並非連續，故Cout電容器要比CFly大得多；
- (6)由於不容易產生較高的輸出電壓，若需驅動多顆LED則以並聯為主。
如(圖二)為昇壓式轉換器的雛形。當開關SW1閉合且SW2打開時Vin電源對LFly電感器充電（VL為正值），當SW1打開且SW2閉合時LFly放電（VL為負值），輸出電壓Vout等於輸入電壓Vin加上電感電壓VL。
| 《圖二 昇壓式轉換器電路》 - BigPic:755x148 |
|
由(圖二)的動作方式可歸納出幾個特性：
- (1)利用LFly電感器電壓VL於充放電過程中極性變換之特性作為提升輸出電壓的媒介；
- (2)輸出電壓僅受到開關最大責任週期（duty cycle）、切換頻率與外部元件額定電壓限制；
- (3)開關元件SW1通常以電晶體方式存在於晶片中，而SW2多以蕭特基（Shottky）二極體代替，只有LFly充電電流會經過晶片，較不容易發燙；
- (4)為維持輸出電壓不變，開關交替切換頻率受到LFly電感器大小與負載電流影響，在電感器反應速度夠快的前提下，大的負載電流需要大的LFly電感器或更快的開關切換頻率以供應快速流失的電荷；
- (5)輸出電壓提升的程度受到開關導通時間控制，故較電荷幫浦容易得到高輸出電壓，應用於驅動數顆LED時多為串聯。
為說明兩種昇壓方式的優缺點，選擇了兩個條件類似的電源轉換晶片作比較，分別是G5912電荷幫浦晶片與G5127昇壓式轉換器控制晶片，應用電路如(圖三)與(圖四)。
| 《圖四 G5127標準應用電路（G5127最多可推動9顆LED，為與電荷幫浦作比較才推動4顆）》 |
|
以下是兩種昇壓方式驅動白光LED的比較與說明：
亮度一致性
當白光LED兩端電壓高於順向電壓（約3～4v）即發光，其發光亮度與順向電流有關，由於製程上的差異使LED順向電壓與阻抗略有不同，因此為了讓亮度一致必須監控LED的順向電流。(圖五)為兩種驅動方式保持亮度一致的作法。
由於電荷幫浦多為二倍昇壓（輸出電壓為兩倍輸入電壓），因此驅動LED以並聯為主，為作到流過LED的電流相同必須偵測與控制每個LED的電流，故電流控制電路較複雜；昇壓式轉換器只需改變開關工作週期即可輕易提升輸出電壓，故驅動LED以高電壓串聯為主，由於串聯迴路使流過LED的電流相同，因此只需要一組偵測電路，比電荷幫浦容易作到亮度匹配。
調光功能
小型可攜式電子產品如PDA、手提式電話、數位相機與數位攝影機等，為了省電故LCD螢幕允許使用者調整亮度，又電子產品不可能以調整電阻的方式控制流過背光LED之電流，不僅無法即時調整，效率也太差，因此目前均以開關的方式調整亮度，調光電路如(圖六)，測試波形分別如(圖七)與(圖八)。
| 《圖六 LED調光控制》 - BigPic:639x200 |
|
當控制電流的開關導通時LED發亮，開關關閉時LED熄滅，如圖六將晶片的控制接腳給定一脈波寬度調變（PWM）訊號就能讓系統控制背光模組的亮度，PWM的工作週期愈小則LED發光時間愈短，亮度愈暗。
由於可攜式電子產品多數時間處於待機狀態，又昇壓式轉換器在待機時輸出電壓約等於輸入電壓，LCD背光模組雖未動作但仍消耗微小的功率，因此為了更進一步省電可以在LED迴路中加入電晶體作負載切斷，電路如(圖九)，測試波形如(圖十)。
比較圖八與圖十，加入電晶體作負載切斷不僅能省電，還能令調光過程中輸入與輸出電流相位差變得更小，減少虛耗的功率就能提高工作效率。
效率的差異
在白光LED驅動電路中效率的評估有兩個方向，一是驅動晶片作電壓轉換的效率，二是驅動晶片將功率傳送給LED的效率，因為LED才是真正的負載，與LED串聯用以偵測電流的電路並非負載的一部份，因此必須加以區隔。(圖十一)與(圖十二)分別比較了兩種昇壓驅動方式的效率。
| 《圖十一 20mA LED電流下輸入電壓對效率曲線》 |
|
| 《圖十二 3.7v輸入電壓下LED電流對效率曲線》 |
|
由於每個LED順向電壓不同，為確保並聯之LED均發揮作用，電荷幫浦會以高順向電壓的LED作為昇壓依據，若並聯的LED順向電壓不匹配則低順向電壓的LED路徑會為了作電流平衡而產生額外功率損耗，故電荷幫浦的傳輸效率除受到LED自身損耗影響之外還須視並聯LED的匹配程度而定。昇壓式轉換器的功率傳輸就較直接，不論串聯LED是否匹配只要輸出電壓足以讓LED發光並產生電流訊號，則迴路控制器便能提供適當的輸出給LED負載，因此沒有多餘的損耗，功率傳輸效率會好得多。
操作溫度的差異
由於電荷幫浦的LED電流匹配機制使操作溫度相對的較高，LED迴路可供應的最大電流受到晶片自身熱損耗限制，因此電荷幫浦的印刷電路板佈局（PCB layout）必須預留適當的散熱面積；如(圖十三)熱影像圖，右方電荷幫浦的操作溫度明顯比左方昇壓式轉換器高。
過電壓保護（over voltage protection）
多數應用將LCD背光模組與驅動晶片分別置於不同的介面，兩者間以引線相連，當引線脫落時驅動晶片無法偵測到LED電流，回授控制器便開始提升輸出電壓（目的是讓LED進入導通狀態建立電流訊號），為了避免輸出電壓過度提升，驅動晶片都會內建過電壓保護機制。
過電壓保護的實現對電荷幫浦而言較為單純，因為是並聯LED，不管並聯幾個其輸出電壓都相同，過電壓保護點不會改變。而昇壓式轉換器的過電壓保護就比較麻煩，因為輸出電壓會隨串聯LED數目而不同，所以只會有最大的過電壓保護點；假設為了驅動最多串聯9個LED將過電壓保護點訂為40v，若電路設計者僅串接4個LED，則當引線脫落時輸出電壓仍會上升至40v才作保護，因此必須使用可承受40v的蕭特基二極體阻擋輸出電壓反饋，還需要可承受40v的輸出電容器，非常不合效益，因此使用昇壓式轉換器應儘量驅動多數LED。
結語
電荷幫浦功率傳輸效率較差，需要注意散熱，輸出電壓變動範圍小，僅適合並聯驅動少數LED，但是外部零件少，能節省較多空間，不過需要較多的引線連接背光模組。
而昇壓式轉換器功率傳輸效率高，輸出電壓變動範圍大，適合串連驅動多數LED，且僅需兩條引線與背光模組相連，但外部元件多且昂貴（電感器與高額定電壓之元件），過電壓保護也有盲點，驅動低於最大串接LED數的應用需特別留意。
---作者為致新科技產品應用工程師---
相關作者
相關产业类别
相關关键字
相關网站单元