咱们做显示相关硬件的人都知道液晶屏的Gate驱动需要一组正压一组负压也就是常说的VGH和VGL。以前我拿到新项目第一个想法就是上DC-DC升压做VGH再反压做VGL电路成熟、资料多、心里踏实。但后来在一些对成本敏感、板子空间又紧张的小尺寸屏项目里DC-DC那套电感方案越来越不顺手要么电感高度超标要么开关纹波把触摸搞得不干净。也就是那时候我开始认真研究电荷泵这条路做下来发现VGH和VGL这两个电压其实特别适合电荷泵来生成成本和面积都能省一大截电路还异常简单。这篇就围绕“电荷泵生成VGH/VGL”这件事把原理、计算、选型、PCB布局到调试踩坑整个流程都捋一遍。不管你是刚接触显示驱动的新手还是被DC-DC方案折腾过、想换个思路的工程师这篇应该都能给你点可以直接用的东西。1. 先搞清楚VGH和VGL到底是什么别等点亮屏才后悔很多新手拿到屏的规格书先看的是分辨率、接口、色彩格式把电源电压那一栏草草扫一眼就过去了。这是不对的。VGH和VGL这两个电压一旦给不对轻则显示异常重则把Gate驱动IC烧掉。我建议做屏端设计之前先把这两组电压的原理啃透。1.1 TFT液晶屏的“开关”原理TFT液晶屏的每个像素本质上是一个电容结构要维持它两端的电压来保持灰阶显示。谁来给这个电容充放电就是TFT管。TFT管是场效应管Gate端需要足够高的正压才能打开需要足够低的负压才能彻底关闭。这里有一个容易被忽略的点如果Gate关闭电压不够负TFT管关不彻底会导致像素电压慢慢漏掉画面就会出现残影、拖尾甚至闪烁。而如果开启电压不够高TFT管没有完全导通像素充电不充分显示对比度就会下降灰阶也不准。VGH就是Gate开启电压VGL就是Gate关闭电压。不同的液晶面板这两组电压的数值要求不一样。TN屏和IPS屏的驱动电压差异很大同尺寸的屏不同厂商给出的参考值也可能差出两三伏所以我做设计的时候第一件事永远是翻规格书找“Recommended Driving Condition”那一页。1.2 常见屏的VGH/VGL参数范围我接触过的屏里VGH的范围大概在15V到20V之间VGL在-5V到-10V之间。举个例子一些7寸的TFT屏规格书推荐VGH16V、VGL-7V而有些分辨率高一点的屏会把VGH推到18V甚至20V。这意味着什么如果用DC-DC你需要一路升压到十几伏还有一路反压到负的几伏两路开关电源。电感、电容、续流二极管、反馈电阻一圈算下来光BOM就多了七八颗料。如果这两路电流还不大那用DC-DC其实就是在“高射炮打蚊子”——开关电源的动态响应和带载能力一点没浪费但成本和面积全搭进去了。而电荷泵能做什么它能用几个电容加几个二极管从5V或者3.3V直接升出十几伏正压也能反出负压。没有电感就没有电感选型、没有EMI的开关节点毛刺问题整个电路简单到像玩具但它就是能把VGH和VGL老老实实地供出来。2. 为什么老手推荐电荷泵因为DC-DC在这场景里确实“用力过猛”先说清楚我不是说DC-DC不好。DC-DC在负载电流大、需要稳压精度高、输入输出电压差大的场景里是绝对主力。但VGH和VGL这种负载有它的特殊性这种特殊性恰恰让电荷泵占了便宜。2.1 DC-DC方案的先天问题DC-DC做VGH和VGL典型的方案是Boost加Inverting Buck-Boost。这套方案的问题我在实际项目中体会很深一是电感高度。小尺寸液晶模组经常放在便携设备里整机厚度压到很薄绕线电感的高度往往就成了瓶颈。选功率电感要考虑饱和电流尺寸大一点的感值才能撑住纹波要求这跟“薄型化”的需求是冲突的。二是EMI问题。Boost和Inverting拓扑的开关节点电压摆幅非常大di/dt也高PCB布线稍微不合理就会把噪声耦合到背光驱动或者触摸IC上。触摸屏在充电模式下对噪声极其敏感DC-DC的开关噪声很容易让触摸报点乱跳。我调试过一台设备就是因为VGL那路DC-DC的开关噪声串到了触摸屏的驱动信号里折腾了整整一周才定位到。三是物料成本。电感、专用PWM控制器或者带开关管的DC-DC芯片再加上反馈分压电阻、补偿网络整套下来成本和电荷泵完全不在一个量级。对于年出货几百万台的产品来说省下的每一毛钱都是纯利润。2.2 电荷泵的工作原理与无电感优势电荷泵也叫开关电容变换器核心思想是利用开关去控制电容的充电和放电通过电容的串并联切换实现电压变换。这不是什么新东西最早的计算器升压芯片就是这么干的。电荷泵最吸引人的优势第一是无电感整个电路由电容和二极管组成BOM极其简单高度也低非常适合薄型产品。第二是没有磁性元件就不存在电感啸叫问题也不存在电感饱和风险这对可靠性来说是实打实的加分项。第三是EMI特性好电容充放电产生的噪声频谱主要集中在开关频率的倍频上而且没有高dv/dt的开关节点辐射干扰比DC-DC小很多。当然电荷泵的短板也有带载能力弱、输出纹波偏大、电压调整率差。但在VGH和VGL这两路“小电流、高电压”的输出上它的短板恰好不致命长处反而全用上了。对比项DC-DCBoost/Inverting电荷泵磁元件需要电感不需要输出纹波较低取决于LC滤波相对较高取决于开关频率和电容带载能力强弱适合mA级负载成本较高很低PCB面积较大小EMI风险较高低电压调整率好差负载变化时电压波动明显3. 电荷泵设计核心倍压、反压的计算方法电荷泵设计的关键在于想清楚每一级电容是怎么充电、怎么放电的算清楚电压增益和损耗然后根据负载电流去估算需要多大的电容和多少开关频率。3.1 倍压电路从5V到20V的递进逻辑VGH如果是20V输入是5V那就要做4倍压。电荷泵的倍压级联每一级是由一个二极管加一个电容组成的原理可以这样理解在时钟的第一半周期开关把输入电压接到电容上给它充电电容两端电压充到接近输入电压第二半周期开关切换连接方式让这个已经充好电的电容串联到输出端由于电容电压不能突变输出电压就被“抬升”了一截。以二倍压电路为例当SW为低电平时二极管D1导通电容C1通过D1充电到VIN当SW为高电平时C1的负极被拉到VIN正极就会变成约2×VIN经过D2给输出电容C2充电从而在输出得到约2×VIN的电压。三倍压、四倍压就是在这个基础上继续级联。每一级的二极管会带来一个正向压降所以实际的输出电压要减去二极管的压降。用公式表示就是Vout N × VIN − (N−1) × VD其中N是倍压级数VD是二极管正向压降。如果输入5V二极管压降0.3V做4倍压理论输出就是20V减去0.9V大约19.1V。这个值会随负载电流增大进一步跌落因为电容充放电存在等效内阻也就是Charge Pump的Output Impedance后面我会细说。3.2 反压电路从正压得到VGL负压VGL是负压电荷泵也能做原理和倍压正好反着来利用电容两端的电压不能突变的特性把一个已经充好电的电容的“负极端”接到地电容正极的电压就会被“推到”负电压。这里我最常用的是在正压的基础上做反压比如用VGH作为输入源通过一级电荷泵反压得到−VGH。这样做的好处是仅用一路时钟就能同时得到正负两路电压电路更简洁。反压的公式是Vout −(VIN − VD)如果你用VGH20V做输入减去一个二极管压降0.3V输出约-19.7V。但一般的屏只需要-7V左右的VGL这里有两种处理方案一是用5V输入做反压得到约-4.7V然后再用LDO或者电阻分压微调二是反压后串一个低压差线性稳压器把电压“修”到目标值。3.3 输出阻抗决定电荷泵能不能带得动的关键电荷泵有一个非常重要的参数叫等效输出阻抗。它不是一个真实的电阻而是当负载电流增加时输出电压下降的比例。输出阻抗越大负载变化引起的电压波动就越大。等效输出阻抗主要受两个因素影响一是开关频率频率越高每个周期传送的电荷量越小输出阻抗越低二是飞跨电容的容值电容越大存储的电荷越多等效阻抗越低。但增大容值和频率都会增加成本和功耗所以需要在带载能力和成本之间找平衡。我做设计时会先估算负载电流。VGH和VGL主要驱动的是Gate线的寄生电容平均电流往往不到1mA峰值可能会到几十毫安。所以设计目标一般是保证在5到10mA的负载下输出电压跌落不超过0.5V。这个指标对电荷泵来说压力不大但也不是随便选几个电容就能达到。4. 一个可复现的VGH/VGL电荷泵方案说完了原理我们来做一个能落地的方案。假设输入电压VIN5V目标输出是VGH20V、VGL-7V两路负载电流要求都是5mA。4.1 整体架构选择VGH用4倍压电荷泵从5V升压VGL则是用VGH再经过一级反压得到约-19.7V然后用一个简单的LDO或者电阻分压加稳压管调出-7V。这个架构有一个明显的好处因为反压的输入是已经稳定的VGH所以VGL的精度直接受VGH影响而不是受输入5V影响这样两路电压的漂移方向是一致的对液晶屏这种相对宽电压范围的应用来说完全够用。时钟信号从哪里来标准做法是用一个带时钟输出的电荷泵IC比如TI的TPS60110系列或者国产的类似型号内置振荡器和开关MOSFET只需外接飞跨电容和输出电容。如果想省成本也可以直接用MCU的PWM输出做时钟然后外接二极管电容网络驱动能力需要计算一下PWM引脚的驱动电流要足够给电容充电我实测下来大多数MCU的PWM引脚直驱小尺寸电荷泵问题不大。4.2 电容与二极管的参数计算飞跨电容的容值选择我通常按照如下经验来估算Iout f × C × Vripple这就是电荷泵最基本的电荷搬运公式输出电流等于开关频率乘以飞跨电容再乘以允许的输出纹波电压。反过来如果确定了输出电流、开关频率和允许纹波飞跨电容就是C Iout / (f × Vripple)假设开关频率f500kHz允许纹波Vripple50mV输出电流Iout5mA那么C5mA/(500kHz×50mV)0.2μF。实际选大一点取1μF给损耗和老化留余量同时也降低输出阻抗。输出电容的选择更多是基于负载瞬态响应的考虑。电荷泵的输出电容容量越大负载突变时电压跌落越小但太大也会导致启动时浪涌电流高。我一般取输出电容为飞跨电容的2到5倍这里选4.7μF。需要注意这里必须用X7R或者X5R介质Z5U和Y5V温度特性太差低温时容量跳水会严重影响输出。二极管的选型重点看反向恢复时间和正向压降。普通的1N4148反向恢复时间在纳秒级开关频率500kHz下完全够用。但如果追求更高的效率换用肖特基二极管如BAT54S正向压降只有0.3V左右比1N4148的0.7V低不少可以让输出电压更高一点、发热更小一点。我在设计里用的就是BAT54S系列因为它的封装很小适合贴片。这里我用Python写了一个简单的估算脚本方便大家根据自己项目的参数快速算一遍# VGH/VGL电荷泵参数估算 f 500e3 # 开关频率 Hz iout 5e-3 # 负载电流 A vripple 0.05 # 允许纹波 V # 飞跨电容 c_flying iout / (f * vripple) print(f飞跨电容至少需要: {c_flying*1e6:.2f} uF) # 4倍压理论输出 vin 5.0 n_stages 4 v_diode 0.3 vgh n_stages * vin - (n_stages - 1) * v_diode print(fVGH理论输出: {vgh:.2f} V) # VGL反压输出 vgl_raw -(vgh - v_diode) print(fVGL反压理论值: {vgl_raw:.2f} V) print(f需要用LDO或稳压管把VGL调整到: {-7:.2f} V)输出大概是飞跨电容至少需要: 0.20 uF VGH理论输出: 19.10 V VGL反压理论值: -18.80 V 需要用LDO或稳压管把VGL调整到: -7.00 V如果VGH的19.1V离20V目标差得有点多处理办法有三个把输入电压从5V抬高一点、选压降更低的肖特基二极管或者把倍压级数在4级和5级之间调整注意推高耐压。我实际项目中常常留一个0欧电阻让产线可以根据实际输出电压选择4倍压还是5倍压非常实用。4.3 PCB布局的三条心得电荷泵电路看着简单布局随手放也能工作但要做好、做稳还是有不少细节。我分享三个实际经验第一飞跨电容要靠近芯片的开关引脚和电源引脚走线短而粗。原因很简单飞跨电容每个开关周期都要充放电一次走线长了引入的寄生电感会阻碍高频电流流动导致效率下降和振铃。我在一个项目里把飞跨电容从芯片旁边挪开2厘米输出纹波直接翻了一倍。第二输出电容的地要单独走线回到芯片的地引脚不要跟功率地混在一起。电荷泵的输出电流是脉冲形的如果脉冲电流流过地平面上的公共段就会在ADC参考地或者触摸屏接口地上产生压降表现为低噪声被污染。采用星型接地或者单点接地把所有“信号地”和“功率地”分开对整机抗干扰有明显的帮助。第三二极管布局方向要一致阴极朝向输出方向而且尽量并排放在一起。不要小看这个细节二极管摆放混乱会导致走线绕圈增加寄生电感和不必要的辐射面积。贴片肖特基二极管本身面积小散热能力弱如果走线太细大电流时发热会比较集中。5. 调试中的常见问题与排查实录说实话电荷泵方案本身不复杂但我调试过的项目里真正花时间解决的问题往往不是原理问题而是工程化细节。5.1 问题速查表现象可能原因排查方向VGH空载正常带屏后跌落严重飞跨电容容量不足或ESR过大增大飞跨电容检查电容介质类型VGL电压总是偏高不够负反压二极管压降过大、接地回路阻抗高换肖特基二极管检查地回路过孔数量屏幕开机瞬间有白闪VGH上升速度太慢加大输出电容或检查启动时序触摸屏报点乱跳电荷泵耦合噪声到触摸电路检查布局增加滤波电容切换开关频率抖动模式低温下VGH/VGL明显不足电容低温容量衰减换X7R电容测试-20度实际容值5.2 三个值得记录的真实教训第一件事发生在一次低温测试中。常温下所有电压都正常到了-10度环境下屏幕就是点不亮测量发现VGH跌到了12V。排查半天最后锁定到飞跨电容上——当时用的是Y5V介质电容常温下标称1μF实际到了-10度可能连0.3μF都不到了。从那以后我所有电荷泵电路的电容一律指定X7R再没出过类似问题。第二件事是关于“启动时序”的。有一次屏幕能亮但每次开机都会闪一下白屏。用示波器抓各路电压的上升波形发现VGH升到目标值的时间比逻辑电源晚了接近10毫秒。Gate驱动IC在供电还没稳定的时候就已经开始工作了这就造成了白闪。解决办法是把电荷泵的使能引脚接到延迟RC电路上让VGH先升上来再拉高逻辑电源。这类问题时隐时现不抓波形根本找不到规律。第三件事很有意思。VGL调了很久怎么调都比目标值偏正0.4V左右。本来以为是二极管的压降问题换了一款更低压降的肖特基也没有改善。最后用万用表毫伏档测反压电容和地之间的电压才发现原因是反压电容的地回路经过了一段细长的走线和两个过孔这段寄生电阻在脉冲电流下产生了约0.4V的压降等于把负压“抬”上去了。把地回路改成大面积铺铜问题立刻没了。6. 什么时候该用电荷泵什么时候别硬上电荷泵不是万能药它有自己的边界。我也见过有人拿电荷泵去做背光LED供电结果电流需求几十毫安到上百毫安电荷泵根本扛不住效率还低得离谱。选型一定要看负载的量和种类。6.1 电荷泵的适用边界条件我的判断经验是三条第一输出电流最好在10mA以内。超过这个数电荷泵需要的飞跨电容会变得很大面积优势反而消失了。VGH和VGL这种Gate驱动供电平均电流通常只有几毫安非常合适。第二电压调整率要求不能太苛刻。如果产品对VGH的电压精度要求是±1%那电荷泵基本做不到因为它的输出阻抗本身就随负载和温度变化。但液晶屏的Gate供电电压范围宽规格书通常给到±5%甚至更宽电荷泵完全能覆盖。第三输入输出电压差不能太大。比如输入3.3V、输出要30V那需要9倍压二极管压降和电容损耗累加起来非常惊人效率和体积都不可接受。这种场景老老实实上DC-DC。6.2 我的选型判断流程我现在拿到新项目会先做这样一个快速判断如果把VGH和VGL的负载电流加总小于15mA且板子高度或者面积受限就直接考虑电荷泵如果负载电流超过30mA或者要求输出电压非常精确那就用DC-DC落在中间地带的结合成本和团队熟悉度来定。另外还有一个很实用的思路DC-DC和电荷泵可以混用。比如VGH用DC-DC Boost做出来VGL用VGH反压电荷泵来生成。DC-DC一路升压到20V电荷泵反压这路不需要大电流刚好把DC-DC的额外一路开关电源省掉。这样既能保住DC-DC的带载能力又能缩小负压电路的面积和成本算是一种非常实用的折中方案。我个人在实际项目里越来越偏爱这种“少一路开关电源”的设计方式。每次画板子时看到BOM表里少了一个电感、少了一个控制器心里都会踏实一分。毕竟少一个元件就是少一个潜在故障点这是电子设计里最实在的逻辑。下次你要是再遇到VGH和VGL生成不妨先别急着抄DC-DC的老方案掏出笔来算算负载电流说不定电荷泵就是那个让你“少折腾几轮”的最优解。