克服驱动并联LED串的挑战

2万 · 2014-10-23 22:13

LED正在寻找其扩充产品应用范围的途径。汽车照明、电视背光灯以及平板电脑只是几个需要多个LED的应用。使用恒流驱动大量LED即可通过长长的串行连接完成，也可通过并行驱动多个LED串完成。但是，将大量LED连成长串会导致高电压及单点故障问题。同样，以并联形式为多个串供电需要多个电流调节器，每串一个，这可导致更高的复杂度与成本。当前的趋势是让多个串并联工作，本文将探讨实施电路系统达到这一目标的方法和原理。
LED与标准二极管类似，也是电流驱动型器件。它具有I-V曲线，其中电流与电压为非线性，而且正向电压的一个小小变化就会导致一个大的电流变化。由于LED电流差不多与LED光通量成正比，因此对于电视等应用来说精确控制电流至关重要。但并不是所有应用都必须要求LED亮度匹配的高精度。如果LED采用单串形式驱动，那么亮度肯定匹配，因为每个LED具有相同的电流强度。随着所用LED数量的增加，就必须使用并联串，并必须做出如何控制每串电流的选择。

典型白光LED具有3.3V的正向电压，在额定电流下变量高达20%。如果串联使用10个LED，那么在相同电流下可能第一串需要33V电压才能充分驱动，而第二串则需要39.6V。如果将这两个串并联，较低电压串分流的电流明显比预期的要多，而第二串明显要少。单串中所有LED都位于其正向电压规范高端的可能性很小，而且所用的LED越多，这种可能性就越小。

事实上，这两串之间的平衡性要好得多，但可能仍有几伏的差异。为针对这种情形提供帮助，LED制造商使用分档法对零部件进行分组，其可精确匹配LED正向电压(Vf)压降（以及通量与波长），实现更好的性能。图1A是一种实现双串并联的简单低成本实施方案，只需固定电压电源以及用来设定电流强度的简单电阻器。

2万 · 2014-10-23 22:16

传感电阻器上的电压可通过外部控制电路进行调节，以通过调高或调低输出电压实现对LED电流的精确控制。尽管这可调节第一串中的LED电流，但不一定在第二串中管用。如果控制回路可提高被调节LED串的输出电压，但第二串的电压压降在二者中较低，其实它会使第二串的电流更差。

当应用于标准二极管中时，LED正向压降随温度上升而降低。如果一个串比另一个串热得多，其正向压降就会降低，并开始消耗更多电流。这样所增加的热耗散会进一步使其升温，从而不仅会增大其电流，而且还很有可能因热失控而导致LED故障。这种情况需求驱动各串的电压经过电流调节并保持恒定。此外，所有LED都应安装在一个共用散热片上，以便在它们之间保持尽量相等的工作温度。

在采用恒定电压驱动各串时，热失控不是什么问题，但是各串间的电流匹配会很差。由于每串都是相互独立的（即一串中的电流不会直接影响另一串中的电流），因此采用电压电源驱动时故障容差较好，但是，在一个串中的电流通过Vfb进行调节时，故障容差也不好。在这种情况下，如果一个LED在经过调节的串中打开，驱动各串的电压就可被控制电路调高，而且最终会在未调节串中引起过压，从而导致故障。在采用无反馈电压电源驱动足以满足需求时，图1A中的电路不会为要求更为严格的应用提供精确的LED串电流匹配。

2万 · 2014-10-23 22:17

图1：电流镜（B）比简易电阻器（A）电流调节拥有许多优势。

2万 · 2014-10-23 22:18

图1B采用电流镜调节两个串中的电流。第一串不仅使用来自传感电阻器Rs1的电压反馈(Vfb)调节其电流，而且还依靠Q1及Q2的Vbe匹配在Rs2中设定相同的电压。有了相同的传感电阻器电压值，可强制第二个串中流入相同的电流。调节精确度主要取决于Q1与Q2 Vbe电压间的匹配。为此，在相同裸片上提供支持两个组件的双路电阻器可帮助降低温度、处理以及其它变化。

这种电路可提供适当的精确度，但基本电流不匹配以及Vbe与Rs的比率会产生误差，使其不太完美。Vfb电压与Vbe的比值越大，误差就越低，但会增大功耗。此外，为Q1/Q2添加串连基极电阻器可能也有助于提高精确度。

2万 · 2014-10-23 22:19

一个问题涉及双Q1/Q2部分的功耗。大多数双晶体管配对都只使用小封装，例如：SOT-23等，其仅能承受几百毫瓦的功耗。如果第一个串中的LED压降比第二个串大，则该电压差会出现在Q2的Vce。如果分配一些电压用于LED电压错配，则它可把有效电流控制在100mA以下。

另一个问题是，当第一个串的要求电压低于第二个串时出现的情况。反馈对输出电压进行设置，以获得第一个串的正确调节，但是第二个串没有足够的电压余量，该串中的电流减少。通过在第一个串中添加一个串联电阻器来增加更多的电压，从而对第二个串进行补偿，使这种情况得到补偿，但这会增加损耗。

2万 · 2014-10-23 22:19

电流镜方法的一个好处是，只需把两个基极连接在一起，便可扩展出更多的串。基本上，它也不能容忍故障，因为如果第一个串中的一个LED开路，则第二个串也关闭。但是，反之则不会，因为第二个串追随第一个串。因此，如果第二个串开路，则第一个串仍然正常工作。要求使用过电压保护，因为如果第一个串开路，则输出电压无限升高会使LED出现过电压。

2万 · 2014-10-23 22:19

图2：独立电流串稳压器提供冗余度。

2万 · 2014-10-23 22:20

图2允许对每个串中的电流单独进行调节。输出电压被设置为固定电压，并有最大可能LED电压变化余量。这就意味着，输出电压可能会比至少一个串所必需的电压高出几伏，但每个串中的电流始终被调节至理想水平。运算放大器（op amp）控制FET门极电压。它会改变FET电阻，以便检测电阻器电压匹配外部基准电压，最终获得经过调节的LED电流。该电路与线性稳压器的工作情况类似。由于LED电流通过局部电流环路来控制，因此输出电压固定。

这种做法很有效，但是效率不高，因为由于两个LED串的电压错配，它会在FET中耗用更多的功率。FET额定值需达到这种功耗要求，但是我们要求的是一种使用功率封装的低廉FET。Rds_on会十分高（通常1Ω或者1Ω以上是可以接受的），并且开关速度也很低，因为它工作在其线性区域内。尽管这种方法的复杂程度高于图1所示方法，但它的容错能力更高。这种方法可以处理一个或者两个短路LED，在这种情况下仍然可以正常工作。如果一个LED开路，则另一个串继续工作，不会受到影响。

2万 · 2014-10-23 22:20

图3：原型电路具有动态余量调节特性。

2万 · 2014-10-23 22:21

图3是实现图2的一个评估电路，但增加了一些额外功能。高亮显示的电平位移器模块（D33-D35）解决图2相关高功耗问题。它添加了一个反馈环路，用于将FET漏极电压调节和控制在1V。由于共有2个FET，因此仅最高电压的LED串FET电压被调节，而低电压LED串的FET吸收压差。与图2不同的是，该电路仅实现了两个串之间存在实际电压失衡时FET的高损耗，并最小化两个串处于电压平衡状态下时的损耗，因此更高效。

相比使用长串时让其失衡，这种情况的可能性更大。FET漏极电压升高或者下降来控制串中的电流。例如，如果左侧串LED电流低，则FET开启更多，其漏极电压下降（向该串施加更多电压）。漏极电压通过D33和D35（现在其阳极具有与FET漏极相同的电势）检测，并被发送至U3D的电压反馈电路，以增加输出电压，直到FET漏极电压达到1V。

这可以把输出电压设置为n*Vf+1V（其中，n为某个串中LED的数量，而Vf为单个LED的正向压降）。如果另一个串的电流低，则电平位移器（D34和D35）接过控制权。电平位移器模块中的其它组件，用于在某个LED开路时提供最大输出电压。这种电压水平由适当的FET功耗来决定，设置为~0.7W，其与封装和散热能力大小有关。如果一个LED开路，则其串联FET电压降至零。这让输出出现过电压，因为反馈电路为0V，并且无法改变。

2万 · 2014-10-23 22:21

这些附加电平位移组件让输出电压可以升至约n*Vf+1V+5V，其为一个安全电压，允许另一个串正常工作。如果一个LED短路，则该串的FET吸收这部分额外电压以及因此产生的功耗。该电路可以安全地处理两个短路LED（红色LED，Vf=2.1V），并且仍然能够维持调节。如果两个串都开路，则添加第二级OV齐纳二极管（D6）。

如果需要一个故障信号，则对LED FET电压进行监控，其<1V可能表明某个串为开路。一个附加功能是附加控制环路，它在启动期间（或者低电压状态）把输入电流调节至最大设置点，以便不使输入电源过负载。尽管图3所示电路实现了许多控制LED并联串的功能，但是类似电路已经集成到现代LED控制器中，最终节省了材料和成本。这些控制器器件例子包括LM3492、LM3466和LP8556。

2万 · 2014-10-23 22:22

总结

相比单串，并联LED串驱动面临更多的设计挑战，例如：容许电压失衡、电流调节方法、功耗和故障状态最小化等。驱动并联串的最简单方法是使用固定电压源和串联电流设置电阻器。当要求更高性能和保护功能时，单个串调节拥有最高的调节精确度和灵活性。本文所示最终电路通过管理电流稳压器的余量并仔细设计保护与故障电路，降低了功耗。