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LED电路连接方式 - LED及其驱动电路设计基础
来源：英飞凌科技（中国）
作者：李杰华日 10:59
[导读] LED串并联或LED矩阵的连接方式随着光通量要求的不断提高和光学设计的多样化需求在LED灯中广泛应用。
　　LED 串并联混合连接方式
　　LED串并联或LED矩阵的连接方式随着光通量要求的不断提高和光学设计的多样化需求在LED灯中广泛应用。在同样流明输出的情况下（特别是对于较高流明输出的LED灯的电路设计），这种串并联混合的连接方式既避免了多颗LED串联导通压降比较高的问题，又可以兼具LED并联连接方式的优点，即可以用多个较低功率的LED和较低LED驱动电压的方式来实现更高的光通量输出。但是由于LED正向导通压降的不同（特别是在LED不同电压Bin的情况下），串并联混合连接电路中不均流问题仍然存在。
　　LED 串并联混合连接方式，当某颗或某串LED损坏，在其它LED未过流驱动的情况下，未损坏的LED仍然可以点亮工作。
　　LED串并联混合连接如下图13所示：
　　图13 LED串并联电路
　　LED矩阵如下图14所示：
　　图14 LED矩阵
　　LED 驱动器的主要实现方式
　　恒流驱动
　　恒流驱动电路输出的电流是基本恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化的驱动电路。恒流驱动是比较理想的LED驱动方式。
　　常用的恒流驱动电路可分为线性LED恒流驱动电路和开关模式LED恒流驱动电路。
　　对于线性恒流LED恒流驱动电路，其具备电路简单，成本较低的特点。由于不需要电感，高频变压器，电解电容等元件，大大降低了电路成本和提高了EMI特性，延长了LED驱动器的使用寿命。
　　基于BCR420U的线性恒流LED驱动电路如下图15所示：
　　图15 基于BCR420U的线性恒流LED驱动电路
　　开关模式LED恒流驱动电路，比较起线性恒流驱动电路，具有高效率，高恒流精度的特点。根据不同输入输出条件可灵活选择升压，降压，升降压等拓朴结构。开关模式LED恒流驱动电路应用领域广泛。但开关模式的LED恒流驱动电路相对复杂，成本较高。
　　基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驱动电路如下图16所示：
　　图16 基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驱动电路
　　恒压驱动
　　恒压LED驱动电路，是输出电压基本恒定的。常用的恒压驱动电路可分为线性LED恒压驱动电路和开关模式LED恒流驱动电路。线性恒压LED驱动电路比较简单，成本低，适合驱动低功率LED，但电路效率比较低；开关模式恒压LED电路，比较起线性恒压电路效率比较高，可靠性好。由于LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，如果用恒压源直接驱动，LED电流会随着LED负载电压的微小变化而发生急剧变化，甚至会烧毁LED。因此在实际应用中， 恒压驱动电源一般会在LED负载前接入电阻限流或恒流LED驱动电路。图17所示为基于TDA4863-2G的恒压电路+BCR450线性恒流电路的LED驱动解决方案。
　　图17基于TDA4863-2G的恒压+BCR450线性恒流的LED驱动解决方案
　　恒功率驱动
　　恒功率驱动电路输出功率基本恒定。比较起恒压驱动，在同样的LED负载电压变化情况下，恒功率LED驱动有较好的恒流精度。
　　恒功率驱动电路主要以开关电源的拓扑结构为基础，应用于LED驱动电路中，其优点是可以减小由于LED结温升高造成的光衰。如图7所示，在LED灯点亮后结温升高，特别是在LED结温比较高的情况下，如果采用恒流驱动光通量输出将随着结温的升高而下降，也就是光衰现象。在恒功率驱动的情况下，随着LED结温的升高，负载LED的压降会降低，LED的驱动电流会有所增加，如图4所示，由于驱动电流的增加LED光通量输出将增加，因此弥补了由于LED结温升高造成的光通量减少现象，从而减小了LED 灯的光衰现象。
　　交流驱动
　　随着LED材料技术，封装技术的不断进步，AC LED已经问世并不断改进和发展。AC LED是指交流电直接驱动LED。一般来讲， AC LED为了得到高电压而使用多个LED芯片串联，并将两路LED反向并联，或者连同一些整流桥，电阻等其它电子元件封装在一起的模组。这种AC LED虽然操作简便（可直接交流电驱动）但频闪、总谐波失真以及LED灯珠的使用率等方面有待提高。
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.All Rights Reserved线性LED驱动器IC为何必然替代偏压电阻器-模拟/电源-与非网
　&&& 利用简单的电阻器限制LED串中的电流看似最为经济和简便，那么为何还要费尽心思地使用线性驱动器IC？
　　实际上，线性驱动器所带来的益处很多，具体包括：
&&&&&&& 避免使用复杂、昂贵的器件（补偿不断变化的正向电压需要不同型号的电阻器）。通过脉宽调制（PWM）方式调节亮度。
&&&&&&& 由于可采用不稳定的系统电源，降低了系统成本。
&&&&&&& 减少了所需的板卡空间。
&&&&&&& 使用更多的LED，提高了系统效率。
&&&&&&& 理想的LED偏置和保护功能，最大限度延长使用寿命。
&&&&&&& 在许多应用中，例如标志牌、彩虹管、广告牌、建筑照明灯、汽车照明灯、飞机照明灯等，线性驱动器都可满足相关应用的需求。
　　除上述优势外，对于采用电池供电且需要对电源电压进行升压的移动设备，线性驱动器也有其局限性。
　　下文将介绍该线性LED驱动器的优势，并为LED驱动器的部署提供建议。
　　恒流优势
　　由于具备二极管特性，LED需要恒定电流源，而不是恒定电压源。利用串联电阻器使LED电流保持恒定需要很大的电阻器压降，因此会降低系统效率。另一方面，如果系统电压或LED正向电压发生变化，串联电阻器的小电压降会导致所需的LED电流出现较大偏差。
　　维持恒定的LED电流，可防止因系统电压或LED正向电压变化产生的过流所导致的过热使LED受损。根据不同的LED正向电压调整串联电阻器，这种方法已经过时。LED驱动器有助于提高整个系统的亮度精确度，同时最大程度减少发光质量的降低。
　　图1显示采用三个标称正向电流为350mA的LED的汽车应用。选择串联电阻器困难很大：在低电池电压条件下，正向电流较低，LED亮度不足。如果出现瞬变（负载突降、双电池），LED很可能受损。在低电池电压条件下，恒流源可防止LED受损，提供更强的亮度。
图1 串联电阻器LED驱动vs恒流LED驱动器TLE4242
　　极低压降提高系统效率
　　LED串中的最大LED数量主要取决于电阻器或LED驱动器的压降。如果采用电阻器，要想获得最恒定的电流需要较大的压降。然而，这就意味着要产生热量而不是光。线性LED驱动器可以较低的压降，提供恒定电流，这样就可以在LED串中使用更多的LED，提高整个系统的效率。TLE42xx系列的典型压降为0.5V，最大压降为0.7V，BCR4xx系列的典型压降为1.2V，最大压降为 1.5V。
　　无须无源滤波组件
　　与通过升至高压为长LED链路供电的开关模式转换器不同，并联LED串独具优势：由于线性驱动器不发光，因此无须采用无源滤波组件。
　　用作高侧开关
　　TLE4241和TLE4242 LED驱动器在关断模式下，静态电流不足1&A，这使得它们适合用作高侧开关。
　　通过PWM调节亮度
　　采取两种途径调节LED的亮度：调节LED的正向电流水平或对预定义正向电流进行PWM调节。鉴于以下两点原因，建议不要采用调节正向电流的方法。首先，LED在亮度范围内，并没有在最佳效率点工作。其次，正向电流不同于标称LED电流可能会导致输出的灯光颜色改变。PWM亮度调节通过低频PWM信号调节LED输入，可解决上述两个问题。LED在单电流驱动电平条件下导通，其亮度可通过改变LED导通的平均时间进行调节。根据负载周期，该频率不应低于200Hz；通常情况下，500Hz～1kHz足以使用。PWM控制装置集成至TLE4241、TLE4242或BCR450等单芯片解决方案。BCR40x LED驱动器系列允许通过外部数字晶体管完成PWM亮度调节。
　　LED诊断
　　为了识别故障LED，TLE42xx系列可在状态输出条件下，指示开路负载情况。它还可直接与采用至VCC的上拉电阻器的微处理器连接。图2和图3为采用英飞凌LED驱动器的不同应用。
图2 与外部功率级一并使用的低成本BCR450线性LED驱动器
图3 TLE4241 LED驱动器具备PWM控制和开路负载检测功能
　　保护与安全
　　LED通常具备正温度系数，即LED正向电压随着LED温度的升高而降低，导致LED随着温度上升而消耗更大的电流。这将潜在地导致热量失控和LED损毁。因此，需要对二极管电流进行控制，使其保持恒定。
　　TLE4xxx与BCR4xx线性恒流LED驱动器适用于恶劣的环境，例如交通照明、建筑物照明、铁路、交通或汽车应用。该产品允许瞬变电压高达45V（由型号决定），可在高达150℃的结温下工作，可承受很高的发热温度。如果系统出现故障，过流与过温保护功能可保护IC及其应用。TLE4xxx系列能够承受反向连接电源电压。
　　散热与传热
　　在系统电压不断变化的条件下，为了最大限度减少热量，获得恒定亮度，LED正向电压最大值应接近（但等于或低于）供电电压减去LED驱动器压降。当LED正向电压为最小值，输入电压为最大值时，LED驱动器的损耗最大。
　　有几种散热和防止PCB出现温度梯度的方式：&
&&&&&&& 并联使用几个小型且经济实惠的封装，但需使其在PCB上各自分离。
&&&&&&& 使驱动器电路与功率晶体管分离。该原理也可使功率晶体管适应实际所需的二极管电流。
&&&&&&& 采用高性能TAB封装（如小型SCT595或大型TO263封装），实现与PCB良好的热接触，将热阻降至最低。
　　利用线性恒流LED驱动器驱动LED是最经济有效的方法。它的灵活性以及技术优势可提高效率，优化系统成本，促进LED应用的普及。
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