险阻重重的平行驱动:重重险阻 引言 不论是阅读LED的数据表抑或是和其制造商一起工作，照明系统的设计人员全部会很快地回到最基础的概念：LED的光输出量是和流经它的电流量成正比的。伴随LED本身在光输出量和质素上全部取得了巨大的改善，没有一个LED应用能够避免考虑转换成固态照明这一问题，可是，现现在只有少数的LED能够从单一芯片上发出足够的光量，用以替代一个60W的90流明白炽灯泡。大部分应用均需要使用多个LED驱动，而且这些应用均开始倾向采取功率额定为1W到5W的LED，当一个应用从使用单一LED到使用两个或更多LED时，设计方案的复杂度便提升了一倍以上。LED的总数量越多，处理方案便越复杂。今天一个经过设计改善的900流明灯泡可能仅需要10个1W的LED，但未来的一个10000流明街灯则可能动辄需要100个LED。光通量和主波长色温的划分可确保每个LED的光照度均达成一致，但条件是流经每一个LED的电流均需相同。在电气驱动方面的最大挑战，是必需确保流经每个LED的电流均达成一致，和此同时又需在尺寸、电源效率、规例安全标准和成本上作出平衡。串行比较优胜从相同的驱动电流角度去看，把LED串成一行是最好的方法。即使一个设计得很糟的LED驱动器，即使其拥有宽大的平均电流容限，又或拥有宽广或常常改变的纹波电流量，但仍可将电流正确地输送到每一个LED。即使灯泡本身可能出现不稳定的亮度和色温，但总比那些在串头和串尾出现连肉眼全部可辨的亮度和颜色差异的灯串很好。可是，当串在一起的LED数量越来越多时，麻烦便会接踵而来。LED驱动器能够看成是一个可变电压的调整器，它能够调整电压的输出VO直至流经负载的电流量抵达要求的水平。用来驱动一个长LED灯串的直流电压很轻易会超出当今各类电子元件的极限，包含LED驱动器所需的二极管、晶体管和电容器。比如，一个普遍使用在开关转换器的肖特基二极管，现时最多只能达成100VDC。更为复杂的是每个LED全部有一个经典的最高和最低正激电压VF。灯串中的LED数量越多，直流驱动电压的改变幅度便会越大。最终，VF会伴随芯片的温度上升而连续下降，以致所要求的VO范围比原本的大很多。总而言之，假如应用中需要的LED数量越多，那便越应该考虑尝试串并行阵列。串并行驱动只是纸上谈兵?假设现在有一根需要100个LED的10000流明街灯，假如把这100个LED并排成10行，而每行有10个LED的话，那情况会怎样?答案是所得出来的VO会比将100个LED直排成一串所得出的VO低10倍。假设这个例子中的白光LED的经典正激电压VF为，那么原本是350VDC便下降至只有35VDC，这无疑大大提升了安全程度，但所需付出的代价是多少呢?答案取决于LED驱动系统怎样去平衡每行的电流。采取10个LED驱动器来独立控制每一行，这当然是平衡电流的最好方法，能够让电流达成每个LED驱动器所能许可的容限水平。不过，10个LED驱动器就意味着大量的元件，尤其当这些LED驱动器属于开关稳压器的类型。为了控制系统成本和元件数量，大多数设计人员在驱动一个串并行阵列时，全部会图1b采取能提供较大电流的单一驱动器来驱动“n”行的并联灯串。电流平衡较大的输出电流意味较高的输出功率，换言之LED驱动器的负担便更重。另外，输出功率越大，便越须以开关稳压器来取替线性稳压器。再者，元件的尺寸，尤其是感应器和变压器，它们的体积全部会伴随所负载的电流增加而增大。即使这么，一个高功率稳压器通常全部比10个小功率的经济实用，然而问题在于并联LED在均分电流上的表现一向极糟。动态电阻rD的些微失配全部可造成行和行之间的电流严重失衡。LED驱动器只能在有电流流经时才可增加VO，除此之外，这么的驱动器电路根本没有方法去确保每条LED灯串的电流均一致。四个LED属于同一型号但不一样组别，测试的目标是要量度它们之间的VF差异。在25的环境温度下：用相同的试验桌上的直流电源为图中的每一个LED全部施以相同的供电，以确保流经的电流均保持一致。试验人员在施加电源后的5秒内统计读数，以尽可能减低因LED芯片热力所造成的VF漂移。假如四个LED被排成一直行的话，那么照明系统设计人员应该量度到一样的VF值差。另一个试验，其中四个相同的LED被并排成四行，并用一个4A的电流源作电源。像先前一样，试验在25的环境温度下进行，而且在施加电源5秒内进行统计。一旦变成并排后，流经每个LED的电压便相等，但它们不一样的动态电阻则会提取不一样大小的电流。LED2在1A下含有全组最低的VF和rD。这和LED1的情况恰好相反，它在全组中的VF和rD均达成最高。一个表面上很小的差异却会为LED2带来超出3倍的电流。以正激电压来分组LED是以其光通量、颜色及正激电压VF来划分的。大部分LED制造商在一个卷带包装上只提供一个组其余LED。比如，当整条产品线的VF范围是从到时，一个经典的VF组别可能只包含有VF从到的LED。LED间的VF匹配性越高，当采取串并行阵列时，行和行之间的电流容限便越好。可是，要确保每一个购置回来的LED全部属同一个组别是十分困难或说甚至是不可能的。因为假如LED制造商对每一个用户全部作出确保承诺，那么该制造商很快便会发觉很多组其余产品全部出现过剩和过时。在现实环境中，制造商均倾向销售不一样组其余产品，除非接到很大的订单。即使LED能够均分电流，把100个LED全全部以并排方法放置是不切实际的，情况就好比将100个LED排成一串。为此，我们进行另一个比较切合实际的试验，就是把16个LED以44的方法排成一个串并行阵列，然后量度行和行之间的电流匹配性。16个来自同一VF组其余LED被排列完成后，便用一个试验桌上的4A电源来供电。每一行全部加入一个串联的高精度5m电流检测电阻，方便进行部分的电流测量，同时也可把电阻性锁流量减至最小。接着，我们反复试验，但这次所用的16个LED是从四个不一样的VF组别随机抽取的。跟先前一样，试验在25环境下进行，而且在施加电源后的5秒内进行统计。以后，当阵列经过一个长约半小时的通电后，再用手持式IR探针测量其热稳态。即使VF匹配仍不足够在25下，在串并行阵列中采取相同VF的LED可改进电流的平衡性。在VF不相配的串并行阵列中，最坏的情况下行和行之间的电流差异达820mA，而在VF匹配的串并行阵列中，出现的行和行之间的电流最大差异只有240mA。可是，即使LED间的正激电压匹配得很紧密，其程度也是制造商所能提供的最大极限，仍会在行和行之间出现显著的电流差异，大约是1A目标直流电流的25。另外，一旦LED芯片开始出现自行加热，在相配阵列中的电流便会和不相配阵列一样，逐步失去平衡。热过载为了对抗潜在的亮度或颜色失衡，照明系统的设计人员能够把不一样行的LED混合在一起并采取混合光学技术来补救，但这种方法并不能应付因VF下降而产生的正反馈环路问题，因为VF下降是由LED芯片温度上升所引发的。即使每一个LED均来自同一个VF组别，但在阵列中总有一行灯串的VF是最低的，而这行灯串总能提取比其它行更多的电流。由此，更多的电流会造成更大的功耗，并因为该灯串会比其它灯串更热，以致其VF会深入下跌。使问题更为复杂的是，当VF随芯片温度的上升而下降时，没有一个VF组别能够和之匹配，以致每个LED全部展现不一样的AVF/T斜率。25和热稳态之间的电流平衡，只要把二者的数据加以比较便可清楚看到这个现象。在一个采取混合光学技术的大型阵列中，从最热灯串发放出来的光输出量，其差异可能极难凭肉眼觉察，但其寿命和亮度的稳定性则肯定会下降。结论在LED的正激电压分组方面，每组之间的差异可在1mV以内，这能够大大改进它们在25下的电流均分能力，但这也会大幅增加成本。然而，即使LED间的VF很匹配，但一旦出现过热，每行的电流便会因部分不一样的AVF/T斜率而不能再平均分配。即使刻意为每个LED设置相同的散热方法，一旦触及热稳态，串并行阵列中的电流失配全部会使这些方法形同虚设。为处理这个问题，应该在每行灯串上加入一个电流调整器。对于一些应用而言，加入一个锁流电阻器便已足够，但对于一些应用而言，则可能需要加入一个具有线性稳压器的电流井源，为了达成最大的电源效率和灵活性，最好还是采取开关稳压器。