克服驅(qū)動(dòng)并聯(lián) LED 串的難題

LED 正在尋找其擴(kuò)充產(chǎn)品應(yīng)用范圍的途徑。汽車(chē)照明、電視背光燈以及平板電腦只是幾個(gè)需要多個(gè) LED 的應(yīng)用。使用恒流驅(qū)動(dòng)大量 LED 即可通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的串行連接完成，也可通過(guò)并行驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED 串完成。但是，將大量 LED 連成長(zhǎng)串會(huì)導(dǎo)致高電壓及單點(diǎn)故障問(wèn)題。同樣，以并聯(lián)形式為多個(gè)串供電需要多個(gè)電流調(diào)節(jié)器，每串一個(gè)，這可導(dǎo)致更高的復(fù)雜度與成本。當(dāng)前的趨勢(shì)是讓多個(gè)串并聯(lián)工作，本文將探討實(shí)施電路系統(tǒng)達(dá)到這一目標(biāo)的方法和原理。

LED 與標(biāo)準(zhǔn)二極管類(lèi)似，也是電流驅(qū)動(dòng)型器件。它具有 I-V 曲線，其中電流與電壓為非線性，而且正向電壓的一個(gè)小小變化就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大的電流變化。由于 LED 電流差不多與 LED 光通量成正比，因此對(duì)于電視等應(yīng)用來(lái)說(shuō)精確控制電流至關(guān)重要。但并不是所有應(yīng)用都必須要求 LED 亮度匹配的高精度。如果 LED 采用單串形式驅(qū)動(dòng)，那么亮度肯定匹配，因?yàn)槊總€(gè) LED 具有相同的電流強(qiáng)度。隨著所用 LED 數(shù)量的增加，就必須使用并聯(lián)串，并必須做出如何控制每串電流的選擇。

典型白光 LED 具有 3.3V 的正向電壓，在額定電流下變量高達(dá) 20%。如果串聯(lián)使用 10 個(gè) LED，那么在相同電流下可能第一串需要 33V 電壓才能充分驅(qū)動(dòng)，而第二串則需要 39.6V。如果將這兩個(gè)串并聯(lián)，較低電壓串分流的電流明顯比預(yù)期的要多，而第二串明顯要少。單串中所有 LED 都位于其正向電壓規(guī)范高端的可能性很小，而且所用的 LED 越多，這種可能性就越小。

事實(shí)上，這兩串之間的平衡性要好得多，但可能仍有幾伏的差異。為針對(duì)這種情形提供幫助，LED 制造商使用分檔法對(duì)零部件進(jìn)行分組，其可精確匹配 LED 正向電壓 (Vf) 壓降（以及通量與波長(zhǎng)），實(shí)現(xiàn)更好的性能。圖1A是一種實(shí)現(xiàn)雙串并聯(lián)的簡(jiǎn)單低成本實(shí)施方案，只需固定電壓電源以及用來(lái)設(shè)定電流強(qiáng)度的簡(jiǎn)單電阻器。

傳感電阻器上的電壓可通過(guò)外部控制電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，以通過(guò)調(diào)高或調(diào)低輸出電壓實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 電流的精確控制。盡管這可調(diào)節(jié)第一串中的 LED 電流，但不一定在第二串中管用。如果控制回路可提高被調(diào)節(jié) LED 串的輸出電壓，但第二串的電壓壓降在二者中較低，其實(shí)它會(huì)使第二串的電流更差。

當(dāng)應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)二極管中時(shí)，LED 正向壓降隨溫度上升而降低。如果一個(gè)串比另一個(gè)串熱得多，其正向壓降就會(huì)降低，并開(kāi)始消耗更多電流。這樣所增加的熱耗散會(huì)進(jìn)一步使其升溫，從而不僅會(huì)增大其電流，而且還很有可能因熱失控而導(dǎo)致 LED 故障。這種情況需求驅(qū)動(dòng)各串的電壓經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)并保持恒定。此外，所有 LED 都應(yīng)安裝在一個(gè)共用散熱片上，以便在它們之間保持盡量相等的工作溫度。

在采用恒定電壓驅(qū)動(dòng)各串時(shí)，熱失控不是什么問(wèn)題，但是各串間的電流匹配會(huì)很差。由于每串都是相互獨(dú)立的（即一串中的電流不會(huì)直接影響另一串中的電流），因此采用電壓電源驅(qū)動(dòng)時(shí)故障容差較好，但是，在一個(gè)串中的電流通過(guò) Vfb 進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，故障容差也不好。在這種情況下，如果一個(gè) LED 在經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的串中打開(kāi)，驅(qū)動(dòng)各串的電壓就可被控制電路調(diào)高，而且最終會(huì)在未調(diào)節(jié)串中引起過(guò)壓，從而導(dǎo)致故障。在采用無(wú)反饋電壓電源驅(qū)動(dòng)足以滿(mǎn)足需求時(shí)，圖1A中的電路不會(huì)為要求更為嚴(yán)格的應(yīng)用提供精確的 LED 串電流匹配。

圖 1. 電流鏡 (B) 可針對(duì)簡(jiǎn)單電阻器電流調(diào)節(jié) (A) 提供各種優(yōu)勢(shì)。

圖 1B 采用電流鏡調(diào)節(jié)兩個(gè)串中的電流。第一串不僅使用來(lái)自傳感電阻器 Rs1 的電壓反饋 (Vfb) 調(diào)節(jié)其電流，而且還依靠 Q1 及 Q2 的 Vbe 匹配在 Rs2 中設(shè)定相同的電壓。有了相同的傳感電阻器電壓值，可強(qiáng)制第二個(gè)串中流入相同的電流。調(diào)節(jié)精確度主要取決于 Q1 與 Q2 Vbe 電壓間的匹配。為此，在相同裸片上提供支持兩個(gè)組件的雙路電阻器可幫助降低溫度、處理以及其它變化。

這種電路可提供適當(dāng)?shù)木_度，但基本電流不匹配以及 Vbe 與 Rs的比率會(huì)產(chǎn)生誤差，使其不太完美。Vfb 電壓與 Vbe 的比值越大，誤差就越低，但會(huì)增大功耗。此外，為 Q1/Q2 添加串連基極電阻器可能也有助于提高精確度。