編者按：需維持恒定發光度的白光LED一般都采用恒定直流電流源驅動。在有單節鋰離子電池供電的便攜式應用中，白光LED上電壓降與電流源電壓之和可以低于電池電壓，也可以高于電池電壓。這意味著盡管紅光LED可直接由單節鋰離子電池供電，但對白光LED而言，有時卻要求對電池電壓進行升壓。最簡便的升壓方法是采用步進DC/DC轉換器。

這種方法的優點是，由于輸入電壓可以被提升到等于LED正向電壓和電流源凈空電壓之和，所以在所有的負載和輸入電壓條件下，其效率都非常高。但效率提升的代價是增加了成本和PCB板面積。事實上，在這一方法中，電感器的占位面積幾乎是驅動器IC的兩倍。此外，電感器還是電磁干擾(EMI)的來源，而EMI對手機顯示及無線通信的性能都有影響。

提升電池電壓的另一種途徑是采用電荷泵，也稱作開關式電容轉換器。電容存儲電荷或能量，以便在某個預定時間以某個預定速度釋放電荷。假設由一個理想電壓電源V_G給一個理想電容器(圖1a)充電，電容器會立即進行電荷存儲，可用狄拉克脈沖函數(圖1b)表示。總的存儲電荷等于：

Q=CV_G

真實電容器具有等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)，盡管兩者均不會影響電容器的儲能容量，但卻能嚴重影響開關式電容電壓轉換器的整體效率。圖1c顯示了真實電容器充電時的等效電路，其中RSW是開關阻抗。充電電流路徑也有串聯電感，但通過正確的元件布局可減少這個串聯電感。

圖1：電壓源對電容器充電的理想等效電路和電壓電流響應(圖a和圖b)，以及真實等效電路和電壓電流響應(圖c和圖d)。

一旦對充電電路導通，便產生帶指數特性的瞬態過程，直到達到穩態狀態。電容的寄生效應限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉移時間(圖1d)。換言之，電容電荷的累積不能在立刻出現，這意味著電容上的初始電壓變化等于0。

電荷泵便利用了電容這種特性(圖2)。電壓轉換分兩個階段完成。在第一階段，開關S1、S2和S3閉合，S4到S8斷開，于是C1和C2串聯。假設C1=C2，則電容充電直到電容電壓等于輸入電壓的一半：

V_C1+-V_C1-=V_C2+-V_C2-=V_IN/2

輸出負載電流由輸出電容CHOLD提供。隨著電容的放電，輸出電壓降到輸出電壓期望值以下，這時第二階段被激活，以便將輸出電壓提高到這個期望值之上。在第二階段，C1和C2并聯，連接在V_IN和V_OUT之間。開關S4到S7閉合，但S1、S2、S3和S8斷開。由于電容上的壓降不能立刻發生變化，所以輸出電壓升高到等于輸入電壓值的1.5倍。

V_C1+-V_C1-=V_C2+-V_C2-=V_OUT-V_IN=V_IN/2=>V_OUT=3V_IN/2

這就完成了升壓操作。轉換信號的占空比一般是50%，因為這一數值通常能產生最優化的電荷轉移效率。閉合開關S8，并讓S1到S7保持斷開狀態，可實現1倍增益的電壓轉換。

圖2：具有1倍和1.5倍增益的電荷泵電路。

恒流LED驅動器

圖3中的LED驅動器基于1倍和1.5倍增益的自適應電荷泵，電荷泵的輸入連接至V_IN引腳，輸出連接至V_OUT引腳。電荷泵有開環和閉環兩種工作模式。在開環模式中，V_OUT上的電壓等于輸入電壓乘以增益倍數。當電荷泵工作在閉環模式時，V_OUT處的電壓被調節到一個恒定電壓值(V_REG)。內部電流源為共陽極配置的每個LED控制電流。可通過外部電阻(R_SET)對峰值驅動電流進行編程。

圖3：這個該基于電荷泵的白光LED驅動電路可驅動4個LED。

由低壓降調節器完成電流調節功能(圖4)。誤差放大器將R2上的電壓(V2)與基準電壓(V_REF)進行比較，然后通過串聯旁路元件(nMOS晶體管)把LED電流(I_DX)調節到驅動誤差信號(VERR=V_REF-V2)所需的值。這個電流值應盡量接近零。V_REF為：

圖4：在恒流LED驅動器中，誤差放大器將R2上的電壓(V2)與基準電壓(VREF)進行比較。

V_REF=I_SET×R1

其中I_SET=1.25V/R_SET

假設V_REF=V2，則通過每個LED的電流為：

I_DX=(R1/R2)×I_SET

這只有在V_OUT-V_LED的值足夠高以避免旁路元件飽和時才適用。事實上，電流電源上要求一個被稱為凈空電壓(V_HR)的最小電壓，以提供通過LED的期望調節電流。凈空電壓可由一個電阻R_HR來模擬(圖5):

圖5：電流源凈空電壓(VHR)用一個其上電流等于IDX的等效電阻來模擬。

V_HR=R_HR×I_DX

另外，可根據LED正向壓降、電流源上的電壓以及輸入電壓來選擇增益(圖3)以維持電流調整狀態。這樣，在最大范圍的輸入電壓上，器件都能保持工作在效率最高的1倍增益模式，從而降低電池功耗。

電荷泵的一個重要參數是輸出阻抗(R_OUT)，該參數與電荷泵工作增益有關，且模擬了導致電荷泵輸出V_OUT下降的電荷泵內部損耗。由于此電壓的下降幅度與電荷泵輸出電流成正比，所以損耗參數可被等效為一個電阻。