克服驱动并联 LED 灯串的挑战

克服驱动并联 LED 灯串的挑战

在许多现代应用中，如汽车照明、电视背光和平板电脑，使用多个LED已成为常态。然而，以恒定电流驱动大量LED并非易事，特别是在采用并联驱动多个灯串时，会遇到电压匹配、电流调节和热失控等挑战。本文将探讨实现并联LED灯串驱动的电路选择和合理性。

LED驱动的基本原理

LED与标准二极管类似，都是电流驱动器件。它具有电流-电压（IV）曲线，其中电流和电压是非线性的，其正向电压的微小变化可以转化为大的电流变化。由于LED电流几乎与LED光通量成正比，因此在电视等应用中精确控制电流非常重要。但并非所有应用都需要高精度的LED亮度匹配。如果LED在单串中驱动，则存在固有匹配，因为每个LED具有相同的电流水平。随着使用的LED数量增加，并联串变得必要，并且必须选择如何控制每个串中的电流。

电压驱动方案的局限性

典型的白光LED的正向电压为3.3V，额定电流下的变化高达20%。如果串联使用10个LED，则在相同电流下，一串可能需要33V才能充分驱动，而第二串则需要39.6V。如果这两个串并联，则电压较低的串会拉动比预期多得多的电流，而第二串会拉动明显较少的电流。一串中的所有LED都落在其正向电压规格高端的概率相当小，并且随着使用更多LED，这种概率会降低。

图 1. 电流镜 (B) 比简单电阻器 (A) 电流调节具有优势。

电流镜方案

图1B采用电流镜来调节两个串中的电流。第一个串使用来自检测电阻器Rs1的电压反馈(Vfb)来调节其电流，并依靠Q1和Q2的Vbe匹配来设置Rs2上的相同电压。在相同的检测电阻器电压和值的情况下，相同的电流被迫在第二串中流动。调节精度很大程度上取决于Q1和Q2的Vbe电压之间的匹配。因此，在同一芯片上具有两个组件的双晶体管有助于降低温度、处理和批次差异。该电路提供了合理的精度，但基极电流失配和Vbe与Rs比率会引入误差，使其不够完美。Vfb电压相对于Vbe越大，误差越低，但功耗也会增加。添加与Q1/Q2串联的基极电阻也可能有助于提高精度。其中一个问题涉及双Q1/Q2部件的功耗。大多数双晶体管匹配对仅采用小型封装，例如SOT-23，只能承受几百毫瓦的功耗。如果第一串中的LED的压降大于第二串中的LED，则该电压差会出现在Q2的Vce两端。如果为LED电压不匹配分配几伏电压，则可以将可用电流限制为小于100mA。

独立电流串稳压器方案

图2允许独立调节每个串中的电流。输出电压设置为固定电压，并考虑到最大可能的LED电压变化。这意味着输出电压可能比至少一个串所需的电压高几伏，但每个串中的电流始终调节到所需的水平。运算放大器（op amp）控制FET栅极电压。这会改变FET电阻，使检测电阻器电压与外部参考电压匹配，从而获得稳定的LED电流。该电路的工作原理与线性稳压器类似。由于LED电流由局部电流环路控制，因此输出电压简单固定。

图 2. 独立电流串稳压器提供冗余。

带动态余量调整的原型电路

图3是实现图2的评估电路，但增加了附加功能。突出显示的电平转换器模块(D33-D35)解决了与图2相关的问题。它添加了一个反馈环路来调节FET漏极上的电压并将其限制为1V。由于有两个FET，因此仅调节电压最高的串中的FET电压，而电压较低串中的FET吸收差值。与图2不同，该电路仅在串之间存在实际电压不平衡时才会在FET中实现显着损耗，并且在串处于电压平衡时将损耗降至最低，从而提高效率。

图 3. 原型电路具有动态余量调整功能。

结论

在并联LED灯串时，需要仔细考虑电压匹配、电流调节和热效应等问题。通过采用合适的电路设计，可以有效解决这些问题，实现精确的LED驱动控制。