險阻重重的平行驅(qū)動

The Perils of Parallel
Assessing the Pros and Cons of Driving High-Power LEDs in Series-Parallel Arrays

引言

　　無論是閱讀LED的數(shù)據(jù)表抑或是與其制造商一起工作，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員都會很快地回到最基本的概念：LED的光輸出量是與流經(jīng)它的電流量成正比的。隨著LED本身在光輸出量和質(zhì)素上都獲得了巨大的改進(jìn)，沒有一種LED應(yīng)用可以避免考慮轉(zhuǎn)換成固態(tài)照明這一問題，可是，現(xiàn)如今只有少數(shù)的LED能夠從單一芯片上發(fā)出足夠的光量，用以取代一個60W的90流明白熾燈泡。大部分應(yīng)用均需要使用多個LED驅(qū)動，并且這些應(yīng)用均開始傾向采用功率額定為1W到5W的LED，當(dāng)一個應(yīng)用從使用單一LED到使用兩個或更多LED時，設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜度便提升了一倍以上。LED的總數(shù)量越多，解決方案便越復(fù)雜。今天一個經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)的900流明燈泡可能僅需要10個1W的LED，但未來的一個10000流明街燈則可能動輒需要100個LED。光通量和主波長/色溫的劃分可確保每個LED的光照度均達(dá)到一致，但條件是流經(jīng)每一個LED的電流均需相同(注意：LED芯片溫度的一致性與驅(qū)動電流同樣重要，這個課題值得寫一篇獨(dú)立文章去討論)。在電氣驅(qū)動方面的最大挑戰(zhàn)，是必須確保流經(jīng)每個LED的電流均達(dá)到一致，與此同時又需在尺寸、電源效率、規(guī)例/安全標(biāo)準(zhǔn)和成本上作出平衡。

串行比較優(yōu)勝

　　從相同的驅(qū)動電流角度去看，把LED如圖1般串成一行是最佳的方法。即使一個設(shè)計(jì)得很糟的LED驅(qū)動器，雖然其擁有寬大的平均電流容限，又或擁有寬闊或經(jīng)常變化的紋波電流量，但仍可將電流正確地輸送到每一個LED。雖然燈泡本身可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的亮度和色溫，但總比那些在串頭和串尾出現(xiàn)連肉眼都可辨的亮度和顏色差別的燈串較好?？墒牵?dāng)串在一起的LED數(shù)量越來越多時，麻煩便會接踵而來。LED驅(qū)動器可以看成是一個可變電壓的調(diào)節(jié)器，它可以調(diào)節(jié)電壓的輸出VO直至流經(jīng)負(fù)載(即LED)的電流量到達(dá)要求的水平。用來驅(qū)動一個長LED燈串的直流電壓很容易會超出當(dāng)今各類電子元件的極限，包括LED驅(qū)動器所需的二極管、晶體管和電容器。例如，一個普遍使用在開關(guān)轉(zhuǎn)換器的肖特基二極管，現(xiàn)時最多只能達(dá)到100VDC。更為復(fù)雜的是每個LED都有一個典型的最高和最低正激電壓VF。燈串中的LED數(shù)量越多，直流驅(qū)動電壓的變化幅度便會越大。最后，VF會隨著芯片的溫度上升(ΔVF/ΔT)而持續(xù)下降，以致所要求的VO范圍比原本的大很多?？偠灾?，如果應(yīng)用中需要的LED數(shù)量越多，那便越應(yīng)該考慮嘗試串并行陣列(series-parallel array)。


a: 串行陣列　　　　　　　　　　　　　　b: 串并行陣列
圖 1   LED驅(qū)動器、串行1、串行2、串行3

串并行驅(qū)動只是紙上談兵？

　　假設(shè)現(xiàn)在有一根需要100個LED的10000流明街燈，如果把這100個LED并排成10行，而每行有10個LED的話，那情況會如何?答案是所得出來的VO會比將100個LED直排成一串所得出的VO低10倍。假設(shè)這個例子中的白光LED的典型正激電壓VF為3.5V，那么原本是350VDC便下降至只有35VDC，這無疑大大提高了安全程度，但所需付出的代價是多少呢？答案取決于LED驅(qū)動系統(tǒng)如何去平衡每行的電流。采用10個LED驅(qū)動器來獨(dú)立控制每一行，這當(dāng)然是平衡電流的最佳方法，可以讓電流達(dá)到每個LED驅(qū)動器所能允許的容限水平。不過，10個LED驅(qū)動器就意味著大量的元件，尤其當(dāng)這些LED驅(qū)動器屬于開關(guān)穩(wěn)壓器的類型。為了控制系統(tǒng)成本和元件數(shù)量，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員在驅(qū)動一個串并行陣列時，都會如圖1b采用能提供較大電流的單一驅(qū)動器來驅(qū)動 “n” 行的并聯(lián)燈串。


圖 2a: 獨(dú)立的電流源　　　　　　圖 2b: 一個大電流源

電流平衡

　　較大的輸出電流意味較高的輸出功率，換言之LED驅(qū)動器的負(fù)擔(dān)便更重。此外，輸出功率越大，便越須以開關(guān)穩(wěn)壓器來取替線性穩(wěn)壓器。再者，元件的尺寸，尤其是感應(yīng)器和變壓器，它們的體積都會隨著所負(fù)載的電流增加而增大。即使這樣，一個高功率穩(wěn)壓器通常都比10個小功率的經(jīng)濟(jì)實(shí)用，然而問題在于并聯(lián)LED在均分電流上的表現(xiàn)一向極糟。動態(tài)電阻rD的些微失配都可導(dǎo)致行與行之間的電流嚴(yán)重失衡。正如圖1b所示，LED驅(qū)動器只能在有電流流經(jīng)時才可增加VO，除此之外，這樣的驅(qū)動器電路根本沒有方法去保證每條LED燈串的電流均一致。

　　圖2a中的四個LED屬于同一型號但不同組別，測試的目標(biāo)是要量度它們之間的VF差別。在25℃的環(huán)境溫度下，用相同的實(shí)驗(yàn)桌上的直流電源為圖中的每一個LED都施以相同的供電，以確保流經(jīng)的電流均保持一致。實(shí)驗(yàn)人員在施加電源后的5秒內(nèi)記錄讀數(shù)，以盡量減低因LED芯片熱力所導(dǎo)致的VF漂移。假如四個LED被排成一直行的話，那么照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該量度到一樣的VF值差。圖2b為另一個實(shí)驗(yàn)，其中四個相同的LED被并排成四行，并用一個4A的電流源作電源。像先前一樣，實(shí)驗(yàn)在25℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行，并且在施加電源5秒內(nèi)進(jìn)行記錄。


表 1  不同的動態(tài)電阻則會提取不同大小的電流

　　一旦變成并排后，流經(jīng)每個LED的電壓便相等，但它們不同的動態(tài)電阻則會提取不同大小的電流。正如表1所見，LED2在1A下具有全組最低的VF和rD。這與LED1的情況恰好相反，它在全組中的VF和rD均達(dá)到最高。一個表面上很小的0.42V差別卻會為LED2帶來超過3倍的電流。

以正激電壓來分組

　　LED是以其光通量、顏色(或色溫)及正激電壓VF來劃分的。大部份LED制造商在一個卷帶包裝上只提供一個組別的LED。例如，當(dāng)整條產(chǎn)品線的VF范圍是從2.8V到4.2V時，一個典型的VF組別可能只包含有VF從3.27V到3.51V(在 25℃下)的LED。正如表1所見，LED間的VF匹配性越高，當(dāng)采用串并行陣列時，行與行之間的電流容限便越好?？墒牵ＷC每一個購買回來的LED都屬同一個組別是十分困難或者說甚至是不可能的。因?yàn)榧偃鏛ED制造商對每一個客戶都作出保證承諾，那么該制造商很快便會發(fā)現(xiàn)很多組別的產(chǎn)品都出現(xiàn)過剩和過時。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，制造商均傾向銷售不同組別的產(chǎn)品，除非接到很大的訂單。


表 2  手持式IR探針測試結(jié)果

　　即使LED可以均分電流，把100個LED全都以并排方式放置是不切實(shí)際的，情況就好比將100個LED排成一串。為此，我們進(jìn)行另一個比較切合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，就是把16個LED以4 X 4 的方式排成一個串并行陣列，然后量度行與行之間的電流匹配性。16個來自同一VF組別的LED被排列完成后，便用一個實(shí)驗(yàn)桌上的4A電源來供電。每一行都加入一個串聯(lián)的高精度5mW電流檢測電阻，以便進(jìn)行個別的電流測量，同時也可把電阻性鎖流量減至最小。接著，我們重復(fù)實(shí)驗(yàn)，但這次所用的16個LED是從四個不同的VF組別隨機(jī)抽取的。跟先前一樣，實(shí)驗(yàn)在25℃環(huán)境下進(jìn)行，并且在施加電源后的5秒內(nèi)進(jìn)行記錄。之后，當(dāng)陣列經(jīng)過一個長約半小時的通電后，再用手持式IR探針測量其熱穩(wěn)態(tài)。圖3所示為實(shí)驗(yàn)電路，表2則表示其測量結(jié)果。


圖3  測試一個串并行陣列

即使VF 匹配仍不足夠

　　表2的結(jié)果表明：在25℃下，在串并行陣列中采用相同VF的LED可改善電流的平衡性。在VF不相配的串并行陣列中，最壞的情況下行與行之間的電流差別達(dá)820mA，而在VF匹配的串并行陣列中，出現(xiàn)的行與行之間的電流最大差別只有240mA?？墒牵词筁ED間的正激電壓匹配得很緊密，其程度也是制造商所能提供的最大極限，仍會在行與行之間出現(xiàn)明顯的電流差別，大約是1A目標(biāo)直流電流的25%。此外，一旦LED芯片開始出現(xiàn)自行加熱，在相配陣列中的電流便會與不相配陣列一樣，逐漸失去平衡。

熱過載

　　為了對抗?jié)撛诘牧炼然蝾伾Ш?，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以把不同行的LED混合在一起并采用混合光學(xué)技術(shù)(blending optics)來補(bǔ)救，但這種方法并不能應(yīng)付因VF下降而產(chǎn)生的正反饋環(huán)路問題，因?yàn)閂F下降是由LED芯片溫度上升所引起的。即使每一個LED均來自同一個VF組別，但在陣列中總有一行燈串的VF是最低的，而這行燈串總能提取比其他行更多的電流。由此，更多的電流會導(dǎo)致更大的功耗，并由于該燈串會比其他燈串更熱，以致其VF會進(jìn)一步下跌。使問題更為復(fù)雜的是，當(dāng)VF隨芯片溫度的上升而下降時，沒有一個VF組別可以與之匹配，以致每個LED都呈現(xiàn)不同的DVF/DT斜率。表2顯示出25℃和熱穩(wěn)態(tài)之間的電流平衡，只要把兩者的數(shù)據(jù)加以比較便可清楚看到這個現(xiàn)象。在一個采用混合光學(xué)技術(shù)的大型陣列中，從最熱燈串發(fā)放出來的光輸出量，其差別可能很難憑肉眼察覺，但其壽命和亮度的穩(wěn)定性則必定會下降。

結(jié)論

　　在LED的正激電壓分組方面，每組之間的差別可在1mV以內(nèi)，這可以大大改善它們在25℃下的電流均分能力，但這也會大幅增加成本。然而，即使LED間的VF非常匹配，但一旦出現(xiàn)過熱，每行的電流便會因個別不同的DVF/DT斜率而不能再平均分配。即使刻意為每個LED設(shè)置相同的散熱措施，一旦觸及熱穩(wěn)態(tài)，串并行陣列中的電流失配都會使這些措施形同虛設(shè)。為解決這個問題，應(yīng)該在每行燈串上加入一個電流調(diào)節(jié)器。對于某些應(yīng)用而言，加入一個鎖流電阻器便已足夠，但對于某些應(yīng)用而言，則可能需要加入一個具備線性穩(wěn)壓器的電流井/源，為了達(dá)到最大的電源效率和靈活性，最好還是采用開關(guān)穩(wěn)壓器。