根据图3.1,我们了解了LED 照明电源的组成,为了能够使电光源保持稳定的照明区域及照明强度,需要给LED 提供恒定的电流,这个任务由LED 驱动器完成。根据LED 的驱动原理可知,如果多个LED 灯珠被排列成单串的方式,就可以提供最佳的电流匹配,而与LED 正向电压变化和输出电压“漂移”无关,单串LED 驱动示意图如图3.6所示。

图3.6　单串LED 驱动示意图

通常我们在设计LED 电光源时,需要考虑选用什么样的LED 驱动器以及LED作为负载采用的串并联方式。只有合理的设计,才能保证LED 正常工作。LED 作为驱动电路的负载,经常需要几十个甚至上百个LED 组合在一起构成发光组件。LED负载中的LED 排列方式,直接关系到其可靠性和使用寿命。设计中选择LED 驱动电路时,一般考虑成本和性能因素。系统设计的一个约束条件是可用的电池功率和电压,其他约束条件还包括功能特性,如针对环境光线做出调整。

LED 可根据不同参数进行筛分,包括正向电压及在特定正向电流时的色度和亮度。以一个白光LED 在背光照明设备上应用为例,白光LED 的正向电压范围通常为3.5～4V,典型工作电流为15～20mA,如果背光照明设备上的多个LED 串联,任何一个或几个LED 由于特定电流下的色度或亮度不一致,就会使整个设备的发光不均匀,所以,这些LED 通常都会进行匹配,具有相同的工作参数,以产生均匀的亮度。由此,我们也可以得到“匹配”的概念,经过匹配的这组LED,在某个特定电压范围内其正向电压、特定正向电流及其他参数都是匹配的。

匹配的差异取决于LED 器件的发光强度和色度,色度决定了LED 器件显示的颜色,大多与制造LED 器件所使用的半导体工艺有关,受电气工作条件影响很小；LED 器件的发光强度则会受给定正向工作电流的影响,本节中提到的匹配是指LED 发光强度的一致性。

将多个LED 连接在一起使用时,正向电压和电流均必须匹配,整个组件才能产生一致的亮度。实现恒定电流最简单的方法是将经过正向电压筛选的LED 串联起来。随着匹配LED 数量的增加,采用高性能多功能LED 驱动器芯片是良好的解决方案。

1.LED 排列采用串联方式

LED 排列采用串联方式的连接图如图3.7 所示,即将多个LED的正极对负极连接成串,其优点是通过每个LED 的工作电流一样。一般电路中会串联限流电阻,要求LED 驱动器输出较高的电压。当LED 的一致性差别较大时,虽然分配在不同的LED 两端的电压不同,但是通过每个LED 的电流相同,所以每个LED 的亮度是一致的。

图3.7　LED排列采用串联方式

串联方式能确保各个LED 电流的一致性,但也存在着问题。以图3.7所示的电路为例,假设4个LED 串联后总正向电压UF为12V,如果采用5V DC 电源供电,就必须使用具有升压功能的驱动LED,以便为每个LED 提供充足的电压。但由于LED 的UF值存在一个变化范围,LED 之间的压差会随之变化,对亮度的均匀性有一定的影响。

当某一个LED 品质不良导致短路时,如果采用稳压式驱动(如常用的阻容降压方式),由于驱动器输出电压不变,那么分配在剩余的LED 两端的电压将升高,驱动器输出电流将增大,容易损坏余下的LED；如果采用恒流式驱动LED,当某一个LED 品质不良导致短路时,由于驱动器输出电流保持不变,不影响余下LED 的正常工作。

这里用一个例子来说明稳压驱动时在LED 排列为串联方式下有一个LED 短路的情况。假定有8 个GaAs材料LED,限流电阻R 为200Ω,以设计正向电流IF 为20mA 为目标值,单个LED 正向电压UF为2.0V,则UD=8×UF=16.0V,UR=IF×R=20×200mV=4.0V,Vcc=UD+UR=20.0V。当单管UF离散性较大时,假设UD为15.6～16.4V,则对应UR 为4.4～3.6V,很容易计算得IF为18～22mA,可以看出单个LED 发光强度变化量在10%以内,基本上保持发光组件亮度均匀。当出现一个LED 短路时,UD=14V,则UR=6V,IF==30mA。实际上由于单管短路造成IF上升,单管UF随IF的增加而增加,UD应高于14V,则UR 小于6V,电流应小于30mA,具体电流值与所采用的LED 单管有关,实验中测量电流为28mA 左右。从这个例子可知,当LED 负载中有一个LED 发生短路,电路的电流增大,照明强度增加。如果电流在允许范围内,LED 仍然可以正常工作；如果电流超出了LED 的允许工作范围,则会损坏余下的LED。

当某一个LED 品质不良断开后,串联在一起的LED 将全部不亮。解决的办法是在每个LED 两端并联一个稳压二极管,如图3.8所示。当然稳压二极管的导通电压要比LED 的导通电压高,否则LED 就不亮了。

图3.8　LED 两端并联稳压管

飞兆(Fair Child)半导体提供了一款可以驱动未匹配的LED 的驱动芯片FAN5608,其升压电路具有智能检测功能,可将电压提升至恰好足够的水平,保证输出电流恒定,以驱动LED 串联组件。该芯片的串联驱动方案最高可以驱动两个独立的LED 组件,各组件有4个串联LED,每个支路电流最高为20mA,并具有独立的亮度控制功能。每个串联支路具有独立的亮度控制,而且升压电路具有内置肖特基二极管,无须外部二极管。内置升压电路的效率不低于90%,有助于延长电池使用寿命,且具有软件启动功能、低电磁干扰和极少纹波等特点。FAN5608驱动芯片带有内置DAC,具有模拟检测功能,可选择使用模拟、数字或PWM 方式控制亮度。该驱动芯片集成了温度控制功能,可将LED 使用寿命提高50%。

2.LED 排列采用并联方式

在并联设计中,多个LED 由具备独立电流的驱动电路来驱动。并联设计基于低驱动电压,因此无须带电感的升压电路。此外,并联设计具有低电磁干扰、低噪声和高效率的特点,且容错性较强。在串联设计中,一个LED 发生故障就会导致整个照明子系统失效,而并联设计可避免这种严重缺陷。LED 排列采用并联方式的连接图如图3.9所示,即将多个LED 的正极与正极、负极与负极并联连接,其特点是每个LED 的工作电压一样,总电流为,为了实现每个LED 的工作电流IF一致,要求每个LED 的正向电压也要一致。但是器件之间特性参数存在一定差别,且LED 的正向电压UF随温度上升而下降,不同LED 可能因为散热条件差别,而引发工作电流的差别,散热条件较差的LED,温升较大,正向电压下降也较大,造成工作电流上升,而工作电流上升又加剧温升,如此循环可能导致LED 烧毁。LED 排列采用并联方式要求LED 驱动器输出较大的电流,负载电压较低。分配在所有LED 两端电压相同,当LED 的一致性差别较大时,通过每个LED 的电流不一致,LED 的亮度也不同。可挑选一致性较好的LED 器件。LED 排列采用并联方式,适合对电源电压较低的产品供电(如太阳能或电池)的电光源。

图3.9　LED 排列采用并联方式

当某一个LED 品质不良导致电路断路时,如果采用稳压式LED 驱动器(如稳压式开关电源),驱动器输出电流将减小,而不影响余下LED 的正常工作。如果采用恒流式LED 驱动器,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED 的电流将增大,容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED,当断开某一个LED 时,分配在余下的LED 上的电流不大,不至于影响余下LED 的正常工作。所以功率型LED 作并联负载时,不宜选用恒流式LED 驱动器。

当某一个LED 品质不良导致短路时,使未失效的LED 失去工作电流IF,导致所有LED 熄灭,总电流全部从短路器件通过,因短路电流较大,若时间较长,又使器件内部键合金属丝或其他部分烧毁,出现开路,这时未失效的LED 重新获得电流,恢复正常发光,只是工作电流IF较原来大一点。这就是这种连接形式的LED 排列出现先是一组LED 一起熄灭,一段时间后,除其中一个LED 不亮,其他LED 又恢复正常的原因。由于LED 的UF不稳定性,使多个LED 并联使用时,工作电流精度范围受到限制。因此,采用LED 并联形式,应考虑器件和环境差别等因素对电路的影响,设计时应留有一定的余量,以保证其可靠性。

除了图3.9所示的LED 排列为并联方式外,还有一种并联方式,如图3.10所示。对于负载中的每一路LED 都与LED 驱动器单独匹配。

目前市场上有两种用于并联配置的LED 驱动芯片,一种是用于负载中的所有LED 的正向电压UF已经匹配的情况下的驱动芯片,一种是用于负载中的LED 的正向电压UF未匹配的情况下的驱动芯片。

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图3.10　LED 独立匹配并联方式

①驱动匹配的LED。

使用具有内部匹配电流源的LED驱动芯片来驱动并联的匹配LED,驱动芯片在现有的3.3～5.5V总电压下运行,LED的电流通过单一的外部电阻器来调节。由于不需要DC/DC变换进行升压,故无须采用外部电感,因此,电路的电磁干扰和纹波可达到最小。如果电源电压经过稳压处理,则无须为每个LED配备额外的外部电阻器。

②驱动未匹配的LED。

为了驱动未匹配的LED,需要使用可为每个LED 提供独立电流控制的LED 驱动芯片来获得均匀亮度。因LED 的正向电压UF有一定的范围,驱动芯片将均匀地匹配各电流以获得均匀亮度,并可在现有的3.3～5V 总电压下运行。电路中的驱动芯片会测量所有LED 的正向电压UF,选出UF最高的LED,并将LED 驱动器的输出电压UOUT提升至驱动UF值最大的这个LED 所需的最低电压。

3.LED 排列采用混联方式

在需要使用多个LED 的产品中,如果将所有LED 串联,则需要LED 驱动器输出较高的电压。如果将所有LED 并联,则需要LED 驱动器输出较大的电流。将所有LED 串联或并联,不但限制着LED 的使用量,而且并联LED 负载电流较大,驱动器的成本也会增加。解决办法是采用混联方式。如图3.11所示,串并联的LED 数量平均分配,分配在一串LED 上的电压相同,通过同一串每个LED 上的电流也基本相近。

当某一串LED 上有一个品质不良导致短路时,不管采用稳压式驱动还是采用恒流式驱动,这串LED 相当于少了一个LED,通过这串LED 的电流将大增,很容易会损坏这串LED。大电流通过损坏的这串LED 后,由于通过的电流较大,LED 导通时两端的电压恒定,造成LED 过热损坏,大多数情况下表现为断路。断开一串LED后,如果采用稳压式驱动,驱动器输出电流将减小,而不影响余下LED 正常工作。如果采用恒流式驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配给余下LED 的电流将增大,容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED,当断开某一串LED 时,分配给余下LED 串的电流不大,不至于影响余下LED 串的正常工作。

LED排列按照先串联后并联的混联方式,如图3.11(a)所示。这种电路的优点是线路简单、亮度稳定、可靠性高,并且对器件的一致性要求较低,即使个别LED单管失效,也对整个发光组件影响较小。

图3.11　LED 排列采用混联方式

如果采用恒流式驱动,由于驱动器输出电流保持不变,各个并联支路的电流保持不变,流过各个LED 的正向电流IF也不会发生变化,除了短路LED 外,其余的LED 正常工作。所以,整个LED 灯仅有一个LED 不亮,亮度不会发生变化。

如果采用稳压式驱动,LED 品质不良导致短路的瞬间,短路LED 所在的支路总电压不变,加在该支路限流电阻上的电压增大,从而导致该支路其他LED 的正向电流IF增大,如果正向电流不超过LED 的额定电流,除了短路LED 外,其余的LED依然可以正常工作,但亮度会增加。其他支路的LED 正常工作。

无论单个LED 是开路还是短路,均不影响其他LED 串发光,不至于使整个发光组件失效,这种连接形式的发光组件可靠性较高,并且对LED 的要求也较宽松,适用范围大,不需要特别挑选,整个发光组件的亮度也相对均匀。在工作环境因素变化较大的情况下,使用这种连接形式的发光组件效果较为理想。

LED 排列按照先并联后串联的混联方式,如图3.11(b)所示,即将LED 平均分配后,分组并联,再将每组串联在一起。下面我们对当有一个LED 品质不良短路时,采用恒流式驱动电路或稳压式驱动电路进行分析。

如果采用恒流式驱动,由于驱动器输出电流保持不变,除了短路LED 所在的这一并联支路外,其余的LED 正常工作。假设短路LED 所在的并联支路的LED 数量较多,驱动器的驱动电流较大,通过这个短路的LED 电流将增大,大电流通过这个短路的LED 后,很容易导致断路。由于并联的LED 较多,断开一个LED 并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,那么整个LED 灯中仅有一个LED 不亮。

如果采用稳压式驱动,LED 品质不良导致短路的瞬间,负载相当于少了一个LED 并联支路,加在其余LED 上的电压升高,驱动器输出电流将大增,极有可能立刻损坏所有LED,只有将这个短路的LED 烧成断路,驱动器输出电流才能恢复正常。如果并联的LED 较多,断开一个LED 并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,那么整个LED 灯中也仅有一个LED 不亮。

4.交叉阵列形式

为了提高电路的可靠性,降低LED 熄灭的概率,出现了各种各样的连接设计,交叉阵列形式就是其中的一种。LED 交叉阵列形式电路如图3.12所示,每串以3个LED 为一组,其电流输入来源于a、b、c、d、e串,输出也同样分别连接至a、b、c、d、e串,构成交叉连接阵列。这种交叉连接方式的目的是,即使个别LED 开路或短路,也不会造成发光组件整体失效。

图3.12　LED 交叉阵列结构

5.结论

常见LED 排列的串并联方式的优缺点如表3.1所示。

表3.1　LED连接方式比较

通过以上分析可知,LED 驱动器与LED 排列的串并联方式匹配选择是非常重要的。恒流式LED 驱动器不适合采用LED 排列仅为并联方式的电路,稳压式LED 驱动器不适合采用LED 排列仅为串联方式的电路,而两种LED 驱动器对LED 排列的混联方式电路均适用。