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DC-DC升压电路原理与应用

目前，在手机应用电路中，通常需要通过升压电路来驱动闪光灯模组的LED或者是显示屏背光的LED，并且通常可以根据不同情况下的需求，调节LED的明暗程度。一般的LED驱动电路可以分成二种，一种是并联驱动，采用电容型的电荷泵倍压原理，所有的LED负载是并联连接的形式；另一种是串联驱动，采用电感型DC-DC升压转换原理，所有的LED负载是串联连接的形式。这类应用电路中采用的升压器件有体积小，效率高的优点，而且大多数是采用SOT23-5L或者SOT23-6L的封装，外加少量阻容感器件，占用电路板很小的空间。在此，结合具体器件的使用情况，介绍这两种升压器件的工作原理和应用。

电容型的电荷泵倍压原理的介绍
以AnalogicTech公司的升压器件AAT3110为例，介绍电容型的电荷泵升压电路的工作原理和应用。器件AAT3110采用SOT23-6L的封装，输出电压4.5V，适用于常态输出电流不大于100mA，瞬态峰值电流不大于250mA的并联LED负载，具体应用电路图，如图1所示。事先叙述一下有关两倍升压模式电荷泵的工作原理。AAT3110的工作原理框图，如图1、2所示，AAT3110使用一个开关电容电荷泵来升高输入电压，从而得到一个稳定的输出电压。AAT3110内部通过一个分割电阻网络取样电荷泵输出电压和内部参考电压进行比较，并由此调节输出电压。当分割电阻网络取样电压低于内部比较器控制的预设点(TripPoint)时，打开双倍电路开关。电荷泵以两个不重叠的阶段循环开关四个内部开关。在第一个阶段，开关S1和S4关闭并且S2和S3打开，使快速电容器CFLY充电到一个近似等于输入电压VIN的电压。在第二个阶段，开关S1和S4打开并且S2和S3关闭。在第一阶段时，快速电容器CFLY的负极接地。在第二个阶段时，快速电容器CFLY的负极则连接到了VIN。这样使得快速电容器CFLY正极的电压就升高到了2*VIN，并且通过一个开关连接到输出。在每一个循环阶段，电荷从输入节点VIN由较低电压转换成较高电压。这个循环自己重复，直到输出节点电压足够大以超越控制比较器的输入阀值电压。当输出电压超过内部预设点标准时，开关循环停止并且电荷泵回路置于一个空闲状态。在空闲状态时，AAT3110有一个不大于13μA的静态电流。AAT3110还内置一个时钟振荡器当作驱动电荷泵的开关信号，自由运行的电荷泵开关频率在750kHz左右。上述表明AAT3110的整个闭环反馈系统包括了电压感应回路和控制比较器。此外，AAT3110还提供一个外部可调节的平衡电阻，调节相对应的输出电压和输出负载电流。在实际应用中，设计成有两档平衡电阻可供调节,具体电路如图3所示。AAT3110驱动四颗并联的LED，SHDN_B为电源控制脚，控制IC的打开和关闭，STROBE为闪光灯控制脚，控制闪光灯是否闪烁。R603是LED平衡电阻，R602为峰值电流调节电阻；当STROBE为低电平时，NMOSFET关闭，LED通过R603接地发光，此设计为作手电筒功能时的状态，SHDN_B为高电平，控制电荷泵工作，输出4.5V的电压，此时通过LED的电流为14mA*4,那么由公式计算，可得知R603的阻值约为22Ω。由于LED在导通后微小电压变化会导致电流大幅变化，因此除了平衡外也有限流的作用。当STROBE为高电平时，NMOSFET打开，此时电流通过R602构成回路，每个LED瞬时脉冲电流50mA,进入高亮度的闪光状态，供拍照时使用，这种状态不能长时间保持，大概在200ms左右，应当关闭NMOSFET。
电荷泵效率η可以简单的表示成一个线性稳压管，它有一个高效的电压输出可以达到输入电压的两倍。效率η在理想的双倍电压下可以典型的表示成输出功率除以输入功率：。另外，在一个理想的双倍电压电荷泵中，输出电流可以被表示为输入电流的一半。效率η公式可以被写成：。一个输出4.5V，实际输入2.8V的电荷泵，理论上的效率是80.4%。由于内部开关损耗和IC静止电流损耗，实际的效率，通过试验测量可以达到79.6%。这个数据在一个大范围的输出负载条件下都可以得到认可。但效率会因为负载电流下降到0.05mA以下或者当VIN逼近VOUT的时候而减少。
器件外部电容的选择也是一个关键的问题，仔细的选择三个外部电容CIN，COUT和CFLY是非常重要的，因为它们将影响开启时间，输出纹波和暂态表现。当CIN，COUT和CFLY使用较低串联等效阻抗(ESR<100mΩ)的陶瓷电容时将会获得最适宜的性能。通常，低ESR电容定义为ESR值低于100mΩ的电容。如果需要一个特殊的应用，低ESR钽电容可以作为替代，然而不一定会达到最好的纹波输出。由于AAT3110固有的高ESR特性而不推荐使用铝电解电容。一般在一个开始点，