15倍高效率电荷泵白光LED驱动器

上海南麟电子有限公司倍高效率电荷泵白光LED驱动器LN2113/LN2114■产品概述LN2113和LN2114是新型的基于1.5倍常频电荷泵的高效率低噪声DC/DC转换器，在输入电压从2.7v到5.5v的情况下，提供四路或六路LED电流输出，每路输出电流最大可达20mA，电流匹配度高达±0.3%。在关断情况下静态电流仅有1uA。产品体积小，外围元件少，非常适合于小型便携设备由电池供电的应用。LN2113/LN2114具有特色的单线串行接口，用于使能、关断、32级亮度设置，控制非常便捷。LN2113/LN2114具有热保护功能，可承受连续的输出短路到地。内建的软启电路能避免启动时突然涌入过大的电流。■产品特点LN2113：四路输出LN2114：六路输出每路最大20mA输出电流32级对数亮度控制单线串行接口控制低噪声固定频率1.5倍电荷泵高精度亮度匹配可调输出电流自动软启动电压范围2.7v至5.5v无需电感600KHz开关频率关断时IQ1uA温度范围-40℃至85℃■用途LCD背光蜂窝电话MP3/MP4播放器PDA、笔记本电脑数码相机GPS接收机作为可调电流源■封装z12-PinTSOPJW(LN2113)z16-PinQFN(LN2114)z裸片**裸片与其他封装形式请与本公司市场部联系上海南麟电子有限公司■引脚排列TSOPJW-12QFN44-16LN2113LN2114图1引脚排列顶视图■引脚定义引脚QFN44-16TSOPJW-12名称功能17D2电流源输出26D3电流源输出35D4电流源输出4N/AD5电流源输出（2114可选）5N/AD6电流源输出（2114可选）64C1+飞电容1正端73C1-飞电容1负端8N/ANC空92OUT电荷泵输出，外接1uF旁路电容到地。101C2+飞电容2正端1112C2-飞电容2负端1211GND地13N/ANC空1410VIN电源输入，外接1uF旁路电容到地159EN/SET控制端口，串行接口输入端168D1电流源输出1EP底部暴露端，连接到地表1LN2113/LN2114引脚定义上海南麟电子有限公司■功能框图图2LN2113/LN2114功能框图■绝对最大额定值电压(TA=25℃)VIN…………………………………………………………………………………………-0.3v至6vVOUT…………………………………………………………………………………………-0.3v至6vVEN/SET…………………………………………………………………………………………-0.3v至6vVEN/SET对VIN最大电压………………………………………………………………………………0.3v电流（TA＝25℃）最大输出电流DC（Iout和D电流之和）…………………………………………………………150mA温度θJA………………………………………………………………………………………………37℃/W工作温度…………………………………………………………………………………-40℃-150℃引脚温度（锡焊，10秒）………………………………………………………………………300℃■电气特性(除非特别说明，以下参数测得条件均为VIN=3.5V，TA=-40℃～85℃，典型值测得条件为TA=25℃)参数符号条件最小值典型值最大值单位工作电压范围VIN2.75.5V关断电流ISHDNEN=01uA工作电流ICC有效并且无负载12mA2113：3.0VIN5.5最大输出输出电流IDX2114：3.2VIN5.5最大输出182022mA线性调整度△ID/△VIN3.0VIN5.5-22%/V上海南麟电子有限公司转换效率ηVIN=3.5,IOUT(total)=40mA93%电流匹配ID-MATCHVD1:Dn=3.6,VIN=3.3v0.3%电荷泵软启时间tSS400us开关频率FCLK300600900KHzEN/SET使能最低阈值VEN(L)VIN=2.7～5.5v0.5V使能最高阈值VEN(H)VIN=2.7～5.5v1.4V低电平时间tLO0.375us最短高电平时间tHI50nsEN/SET关断时间tOFF300500us输入漏电流ILeakage-11uA表2一般电气特性■接口时序图2LN2113/LN2114接口时序■电流设置表3对数级电流设置表上海南麟电子有限公司图3归一化对数级电流设置示意图■功能描述LN2113/LN2114是一款高效率的1.5倍电荷泵DC/DC转换器，适用于白光LED背光的应用。电荷泵系统由两部分：一个LDO后接一个1.5倍电荷泵组成。LN2113/LN2114仅需要四个外部元件（陶瓷电容）：两个飞电容(1uF)、一个输入旁路电容(1uF)和一个输出旁路电容（0.33uF～1uF）。电荷泵的输出被转换成恒定电流源输出，用来驱动四或六路LED，每路最大电流可达20mA。电流源输出的电流大小由串行接口EN/SET来设置。串口记录下由EN/SET输入的上升沿的个数，然后把输出电流设置成32级不同的电流，每级相差1dB，参见“表3对数级电流设置表”。第32级是满刻度输出（20mA），第1级则是降低了31dB的电流。第一个上升沿将芯片唤醒并设置输出电流为最低亮度（约525uA）,每输入一个EN/SET脉冲，电流相应增加1dB；输入32个脉冲后，芯片回到第一个状态。如果不是在最低亮度，而要降低1dB的电流则需要输入31个EN/SET脉冲。一旦输入预定的最后一个脉冲之后，EN/SET必须保持高电平以维持当前亮度，如果低电平时间超过500us，芯片将自动进入休眠状态。由表3可以看出，电流的调节是对数级增加的，相应的，LED的亮度则是线性增加。EN/SET接口采用的是简化单线串口，能适应的数据速率范围非常宽。第一个上升沿之后，电荷泵开始工作，并在软启时间过后到达最大驱动能力。在软启过程中，可以按照预定的亮度输入多个时钟脉冲，软启结束就能达到设定亮度。或者在任何时候，逐个输入EN/SET脉冲来增加亮度。只要EN/SET保持为逻辑高电平，输出就是稳定的电流源。当EN/SET保持低电平时间超过tOFF时间，电流源输出就会被关断。接口时序见图2。上海南麟电子有限公司■典型参数除非特别说明，以下条件均为VIN=3.5v,Cin=Cout=C1=C2=1uF,TA=25℃上海南麟电子有限公司的选择：LN2113/LN2114是设计作为白光LED的驱动的，要求LED正向导通电压小于4.2v。因为D1～D6的输出电流源是匹配的，跟电压关系不大，所以LED亮度的匹配度跟LED的导通电压差几乎没有关系。不过建议采用同一批次的LED会更好。电荷泵的效率：LN2113/LN2114采用的是小数倍(1.5X)电荷泵。理想1.5倍电荷泵的效率定义为输出功率对输入功率的比值。而且，认为输出电流是输入电流的2/3。所以效率的表达式可以表示为INOUTOUTINOUTOUTININOUTOUTINOUTVVIVIVIVIVPP5.15.1=××=××==η或者()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=INOUTVV5.1100%η比如一个电荷泵在输入为3.5v时输出为5.0v，理论上这个电荷泵的效率是95％。因为存在内部开关损耗和静态电流，实际上效率约为93％。当电流小于0.05mA或者输入电压Vin跟输出电压Vout相近的时候，电荷泵的效率是比较低的。电源效率和器件评价：上面讨论的是纯粹的电荷泵效率。因为LN2113/LN2114采用的独特结构（LDO＋ChargePump），实际上很难准确的用公式来表达器件的效率。而且因为输出的D1~D6是纯粹的常数电流源，很难计算电流源的效率。比如在应用中，各个LED的导通电压是不一样的，然而电流则是相同的，要定量比较它与其他电路结构的优劣很难。一种更好的方法是观察在给定的输出LED电流下，输入的总功率。比如LN2114的输入功率和输出电流的比较：图4输入功率VS.输出电流一个好的白光LED驱动器，应该从器件体积、外围元件数量、可靠性、工作范围和总能耗等来衡量，不能简单的用百分比效率来评价。电容的选择：选择合适的四个电容C1、C2、Cin、Cout是相当重要的，因为会影响到启动时间、输出纹波、动态效率等。采用低ESR（100mΩ）的陶瓷电容会得到较好的性能。一般情况下，四个1uF大小的电容是不错的选择，如果要驱动的LED电流是很小的情况，可以适当减小电容值。只要和LN2113/LN2114连接的电容（特别是飞电容），强烈建议采用陶瓷电容，因为陶瓷电容相比钽电容和铝质电解电容有很多优势。陶瓷电容没有极性，体积小，低ESR电阻，低成本。低ESR的陶瓷电容能最大的提升电荷泵的瞬态性能，没有极性的特点也避免了错误连接造成芯片损害。温度保护：LN2113/LN2114内部集成了热保护电路，当芯片温度超过温度限制，LN2113/LN2114会切断电荷泵和电流源的输出。但如果QFN封装散热好，出现几个输出D1~D6短路到地的情况，芯片温度也不会上升到触发温度保护的温度。只有当Vout短路到地或者环境温度很高才会触发热保护。上海南麟电子有限公司■应用电路典型的LN2113/LN2114的应用电路如图5所示：图5LN2113典型应用电路上海南麟电子有限公司驱动白光LED背光模块和并联LED接法LN2113/LN2114是真正的电流源输出，并且在输入电压范围内都能提供高达20mA的电流，所以D1~D6可以任意的并联连接，用来驱动其他的功率输出。最大的输出电流就是并联个数乘以20mA。这个特性对现成的LED背光模块特别适用，因为这些模块在制造时内部已经将线连接在一起。所有的输出都可以并联驱动一组LED，因而LN2113/LN2114可以同时驱动多个模块。LN2113/LN2114内部通过检测D1的反馈电流作为参考，所以在并联驱动的应用中，较好的方法是保证D1能一直有负载连接。图6LN2114驱动背光模块的应用电路图7LN2114驱动多个模块的应用电路举例上海南麟电子有限公司■产品型号名构成封装打印内容型号说明QFN44-16LN2114-20-6六路输出，每路20mATSOPJW-12LN2113-20-4四路输出，每路20mA■封装尺寸注：以下尺寸均以毫米为单位图8QFN/TSOPJW封装尺寸图