编者按：需维持恒定发光度的白光LED一般都采用恒定直流电流源驱动。在有单节锂离子电池供电的便携式应用中，白光LED上电压降与电流源电压之和可以低于电池电压，也可以高于电池电压。这意味着尽管红光LED可直接由单节锂离子电池供电，但对白光LED而言，有时却要求对电池电压进行升压。最简便的升压方法是采用步进DC/DC转换器。

这种方法的优点是，由于输入电压可以被提升到等于LED正向电压和电流源净空电压之和，所以在所有的负载和输入电压条件下，其效率都非常高。但效率提升的代价是增加了成本和PCB板面积。事实上，在这一方法中，电感器的占位面积几乎是驱动器IC的两倍。此外，电感器还是电磁干扰(EMI)的来源，而EMI对手机显示及无线通信的性能都有影响。

提升电池电压的另一种途径是采用电荷泵，也称作开关式电容转换器。电容存储电荷或能量，以便在某个预定时间以某个预定速度释放电荷。假设由一个理想电压电源V_G给一个理想电容器(图1a)充电，电容器会立即进行电荷存储，可用狄拉克脉冲函数(图1b)表示。总的存储电荷等于：

Q=CV_G

真实电容器具有等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)，尽管两者均不会影响电容器的储能容量，但却能严重影响开关式电容电压转换器的整体效率。图1c显示了真实电容器充电时的等效电路，其中RSW是开关阻抗。充电电流路径也有串联电感，但通过正确的元件布局可减少这个串联电感。

图1：电压源对电容器充电的理想等效电路和电压电流响应(图a和图b)，以及真实等效电路和电压电流响应(图c和图d)。

一旦对充电电路导通，便产生带指数特性的瞬态过程，直到达到稳态状态。电容的寄生效应限制了峰值充电电流，并增加了电荷转移时间(图1d)。换言之，电容电荷的累积不能在立刻出现，这意味着电容上的初始电压变化等于0。

电荷泵便利用了电容这种特性(图2)。电压转换分两个阶段完成。在第一阶段，开关S1、S2和S3闭合，S4到S8断开，于是C1和C2串联。假设C1=C2，则电容充电直到电容电压等于输入电压的一半：

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

输出负载电流由输出电容CHOLD提供。随着电容的放电，输出电压降到输出电压期望值以下，这时第二阶段被激活，以便将输出电压提高到这个期望值之上。在第二阶段，C1和C2并联，连接在V_IN和V_OUT之间。开关S4到S7闭合，但S1、S2、S3和S8断开。由于电容上的压降不能立刻发生变化，所以输出电压升高到等于输入电压值的1.5倍。

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

这就完成了升压操作。转换信号的占空比一般是50%，因为这一数值通常能产生最优化的电荷转移效率。闭合开关S8，并让S1到S7保持断开状态，可实现1倍增益的电压转换。

图2：具有1倍和1.5倍增益的电荷泵电路。

恒流LED驱动器

图3中的LED驱动器基于1倍和1.5倍增益的自适应电荷泵，电荷泵的输入连接至V_IN引脚，输出连接至V_OUT引脚。电荷泵有开环和闭环两种工作模式。在开环模式中，V_OUT上的电压等于输入电压乘以增益倍数。当电荷泵工作在闭环模式时，V_OUT处的电压被调节到一个恒定电压值(V_REG)。内部电流源为共阳极配置的每个LED控制电流。可通过外部电阻(R_SET)对峰值驱动电流进行编程。

图3：这个该基于电荷泵的白光LED驱动电路可驱动4个LED。

由低压降调节器完成电流调节功能(图4)。误差放大器将R2上的电压(V2)与基准电压(V_REF)进行比较，然后通过串联旁路元件(nMOS晶体管)把LED电流(I_DX)调节到驱动误差信号(VERR=V_REF-V2)所需的值。这个电流值应尽量接近零。V_REF为：

图4：在恒流LED驱动器中，误差放大器将R2上的电压(V2)与基准电压(VREF)进行比较。

V_REF=I_SET×R1

其中I_SET=1.25V/R_SET

假设V_REF=V2，则通过每个LED的电流为：

I_DX=(R1/R2)×I_SET

这只有在V_OUT-V_LED的值足够高以避免旁路元件饱和时才适用。事实上，电流电源上要求一个被称为净空电压(V_HR)的最小电压，以提供通过LED的期望调节电流。净空电压可由一个电阻R_HR来模拟(图5):

图5：电流源净空电压(VHR)用一个其上电流等于IDX的等效电阻来模拟。

V_HR=R_HR×I_DX

另外，可根据LED正向压降、电流源上的电压以及输入电压来选择增益(图3)以维持电流调整状态。这样，在最大范围的输入电压上，器件都能保持工作在效率最高的1倍增益模式，从而降低电池功耗。

电荷泵的一个重要参数是输出阻抗(R_OUT)，该参数与电荷泵工作增益有关，且模拟了导致电荷泵输出V_OUT下降的电荷泵内部损耗。由于此电压的下降幅度与电荷泵输出电流成正比，所以损耗参数可被等效为一个电阻。