針對(duì)短路和開路的LED串聯(lián)連接電路設(shè)計(jì)

在各種室內(nèi)，室外和汽車固態(tài)照明應(yīng)用中越來(lái)越多地使用LED燈串，正在關(guān)注確保可靠性和安全性的需求。防止瞬變和過(guò)壓/欠壓條件造成的損壞是解決方案的一部分。另一個(gè)方面是設(shè)計(jì)燈具，使得如果一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障并打開電路，系統(tǒng)可以補(bǔ)償并保持令人滿意的光輸出。

雖然戶外應(yīng)用特別容易受到影響，但在汽車領(lǐng)域的電路保護(hù)是一個(gè)安全關(guān)鍵問(wèn)題。最佳解決方案在很大程度上取決于所選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及最合適的LED驅(qū)動(dòng)器的選擇，其本身可能取決于應(yīng)用的性質(zhì)。

本文將概述一些可用的設(shè)備和拓?fù)溥x項(xiàng)。它將進(jìn)一步考慮LED驅(qū)動(dòng)器制造商所做的努力，以結(jié)合防止破壞性條件的功能，并確保使用開路和短路LED串繼續(xù)安全操作。

將特別參考德州儀器（TI），凌力爾特公司和安森美半導(dǎo)體提供的眾多驅(qū)動(dòng)器。具體部件包括TI的LM3431和LM3466線性電流控制器，Linear的LT3795/6 DC/DC LED驅(qū)動(dòng)器和ON Semi的NCV7680電流控制器，針對(duì)汽車和通用照明。最后，本文將重點(diǎn)介紹Littelfuse開放式LED保護(hù)設(shè)備的最新產(chǎn)品。

易受浪涌影響

固態(tài)照明的一個(gè)關(guān)鍵吸引力在于LED促進(jìn)了外形尺寸的靈活性，尤其是將多個(gè)LED連接成串的能力。 LED燈串廣泛用于各種照明應(yīng)用領(lǐng)域，從家庭消費(fèi)者到零售，建筑和汽車。雖然與一些替代照明技術(shù)相比相對(duì)堅(jiān)固，但LED易受ESD，EMI和閃電引起的浪涌和瞬變的影響。由于LED串聯(lián)連接，保護(hù)整個(gè)設(shè)計(jì)的需要是至關(guān)重要的，以避免一個(gè)開路故障LED關(guān)閉燈串中所有LED的不可接受的情況。

通常，設(shè)計(jì)人員選擇恒定電流而不是而不是恒定電壓陣列，因?yàn)樗行?，特別是對(duì)于串聯(lián)連接的LED。無(wú)論輸入電壓或LED正向電壓如何，恒流LED串確保沿著串的亮度相同。

在這種情況下，可以指定恒流LED驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)僅能夠驅(qū)動(dòng)特定范圍內(nèi)的電壓。選擇正確的LED驅(qū)動(dòng)器取決于應(yīng)用的拓?fù)浜鸵蟆?/p>

圖1：恒流，基于升壓的電流控制器，如安森美半導(dǎo)體的NCV7680，用于驅(qū)動(dòng)和保護(hù)汽車后照燈和其他車載應(yīng)用中的LED燈串。

如果在規(guī)格階段，設(shè)計(jì)人員不確定燈具需要什么電壓，通用輸入電壓驅(qū)動(dòng)器可能是解決方案。既不經(jīng)濟(jì)也不高效，這種解決方案提供了靈活性，因?yàn)樗O(shè)計(jì)適合高輸入電壓和高輸入電流設(shè)計(jì)。

對(duì)于通常并行連接的多個(gè)字符串，需要一個(gè)多通道驅(qū)動(dòng)程序。真正的多通道驅(qū)動(dòng)器將獨(dú)立于其他輸出調(diào)節(jié)每個(gè)通道（串）。這種設(shè)計(jì)風(fēng)格允許每個(gè)通道結(jié)合其自身的電流調(diào)節(jié)和/或故障保護(hù)。此外，對(duì)通道進(jìn)行分組的能力允許LED開關(guān)略微交錯(cuò)，從而最大限度地減少開關(guān)瞬態(tài)和EMI。

Boost最佳

在許多應(yīng)用中，包括汽車設(shè)計(jì)，提升基于恒定電流的驅(qū)動(dòng)器是優(yōu)選的，并且防止短路特別重要。越來(lái)越多的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的SEPIC（單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器）設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)既昂貴又復(fù)雜。但是，某些設(shè)備可以配置為多種模式，從而提供額外的靈活性。高度集成的現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)器提供頻率控制和分階段調(diào)光等復(fù)雜功能，并提供針對(duì)惡劣條件的卓越保護(hù)。開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器可與線性低壓差（LDO）穩(wěn)壓器結(jié)合使用，以精確控制每個(gè)LED串。

一個(gè)有趣的例子是德州儀器（TI）LM3431 3通道線性電流控制器，結(jié)合升壓開關(guān)控制器。這款符合Q1標(biāo)準(zhǔn)的汽車級(jí)設(shè)備非常適合驅(qū)動(dòng)多串LED背光板，例如儀表板和其他空間至關(guān)重要的應(yīng)用。該器件驅(qū)動(dòng)三個(gè)外部NPN晶體管或MOSFET，為三個(gè)LED串提供高精度恒定電流。輸出電流可調(diào)，以驅(qū)動(dòng)超過(guò)200 mA的串。該器件可配置為驅(qū)動(dòng)多達(dá)六個(gè)LED串。

升壓控制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部NFET開關(guān)，用于從5到36 V之間的輸入電壓進(jìn)行升壓調(diào)節(jié)。其他保護(hù)功能包括LED短路和開路保護(hù)，故障延遲/錯(cuò)誤標(biāo)記，逐周期IC和LED陣列的電流限制和熱關(guān)斷。

對(duì)于通用多串LED照明應(yīng)用，TI的LM3466還支持恒流拓?fù)洹{借寬輸入電壓范圍，它可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)20個(gè)LED串，最高可達(dá)每串70 V.即使每個(gè)串的正向電壓不同，器件也會(huì)自動(dòng)平衡每個(gè)有效LED串的電流。如果在運(yùn)行期間任何LED燈串打開，LM3466會(huì)自動(dòng)平衡通過(guò)所有剩余有效LED燈串的電源電流。因此，即使某些LED燈串在運(yùn)行期間打開，照明系統(tǒng)的整體亮度也會(huì)保持不變。

驅(qū)動(dòng)器集成了70 V 1.5 A N溝道MOSFET，電流限制為2.06 A.模塊化設(shè)計(jì)意味著只需添加一個(gè)電阻和電容即可添加額外的LED燈串。重要的是，該器件具有欠壓鎖定，故障報(bào)告，熱閂鎖和熱關(guān)斷保護(hù)功能。作為純粹的線性器件，EMI被最小化。

多模式

凌力爾特公司是基于升壓的驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)的倡導(dǎo)者，特別是用于汽車設(shè)計(jì)的串聯(lián)LED串，通常標(biāo)稱電壓為13.8 V或降低。提供強(qiáng)大的短路保護(hù)是該公司LT3795升壓型DC/DC LED驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵特性。該器件可配置為升壓，降壓 - 升壓，SEPIC和降壓模式架構(gòu)。

保護(hù)功能包括帶有'OpenLED'標(biāo)志的可編程開路LED保護(hù)，帶有'ShortLED'標(biāo)志的短路保護(hù)，以及帶滯后的可編程欠壓鎖定。

該設(shè)備實(shí)際上可以調(diào)節(jié)一個(gè)常數(shù)電流或恒定電壓。它的輸入電壓范圍為4.5至100 V.工作時(shí)，器件采用內(nèi)部穩(wěn)壓7.7 V電源驅(qū)動(dòng)低端外部N溝道MOSFET。可以激活擴(kuò)頻調(diào)頻以改善EMC。

該系列的另一部分LT3796具有相同的LED電路保護(hù)功能，可提供6至100 V的輸入電壓范圍。單獨(dú)的高端放大器可通過(guò)兩個(gè)電阻進(jìn)行增益配置，并可用于調(diào)節(jié)第二個(gè)電流或電壓。請(qǐng)參見(jiàn)下面的圖2.

圖2：LT3796配置為升壓轉(zhuǎn)換器，可在寬輸入范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)34 W LED串。 LED電流在低輸入電壓時(shí)降低，以防止外部電源組件過(guò)熱。前端電流檢測(cè)放大器通過(guò)將輸入電流轉(zhuǎn)換為CSOUT引腳上的電壓信號(hào)來(lái)監(jiān)控輸入電流。 FB1引腳上的電阻網(wǎng)絡(luò)提供OpenLED保護(hù)，可以限制輸出電壓，防止ISP引腳，ISN引腳和多個(gè)外部元件超過(guò)其最大額定值。

符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的

安森美半導(dǎo)體提供各種LED燈串控制器和驅(qū)動(dòng)器。專門針對(duì)汽車應(yīng)用的新器件是符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的NCV7691電流控制器或預(yù)驅(qū)動(dòng)器。針對(duì)汽車后組合燈，中央高位剎車燈和日間行車燈，它可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)琴弦，具有PWM和診斷功能，以及電池連接和負(fù)溫度系數(shù)（NTC）輸入。

開路LED串和短路診斷功能可確保維持運(yùn)行可靠性。通過(guò)將FLTS引腳連接在一起，可以在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)關(guān)閉多個(gè)設(shè)備。在過(guò)壓條件下，回退功率限制會(huì)降低驅(qū)動(dòng)電流。該器件使用外部雙極晶體管和反饋電阻來(lái)精確調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器電流。最多可同時(shí)驅(qū)動(dòng)八個(gè)LED燈串。

與此同時(shí)，NCV7680是該公司現(xiàn)有的LED串驅(qū)動(dòng)器，具有類似的功能，針對(duì)相同的應(yīng)用。它由8個(gè)線性可編程恒流源組成，每通道驅(qū)動(dòng)輸出高達(dá)75 mA。 PWM是可選的。當(dāng)不使用外部FET時(shí)，該器件對(duì)低電流應(yīng)用非常有用。

NSI45025 45 V，25 mA線性恒流穩(wěn)壓器也是汽車級(jí)認(rèn)證的，但更簡(jiǎn)單，更經(jīng)濟(jì)的解決方案。它基于自偏置晶體管技術(shù)，可在很寬的電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電流，可在短時(shí)間內(nèi)處理高達(dá)45 V的電壓。它采用負(fù)溫度系數(shù)設(shè)計(jì)，可在極端電壓和電流下保護(hù)LED免受熱失控。

恒定電流調(diào)節(jié)器包含在一個(gè)耐熱的封裝中，可立即開啟，僅為0.5 V時(shí)調(diào)節(jié)率為25％。它不需要外部元件，可以設(shè)計(jì)為高或低旁邊的監(jiān)管機(jī)構(gòu)。高陽(yáng)極 - 陰極額定電壓可承受汽車，工業(yè)和商業(yè)標(biāo)牌應(yīng)用中常見(jiàn)的浪涌。此外，還提供更高的輸出電流和更嚴(yán)格的電流容差版本。

替代方法

Littelfuse提供了一種在LED串中提供開路保護(hù)的替代方法，其PLEDxUx單向串聯(lián)開路LED保護(hù)器。 PLED設(shè)備并聯(lián)連接在每個(gè)LED上，或者每?jī)蓚€(gè)或三個(gè)LED串聯(lián)連接。 PLEDxUx系列器件與1 W LED兼容，標(biāo)稱值為3 V時(shí)350 mA。

在工作時(shí)，PLED在串中的任何單個(gè)LED作為開路故障時(shí)提供備用電流路徑。它不是提供對(duì)浪涌和瞬態(tài)事件的保護(hù)，而是減輕單LED故障的影響。它還提供反向電池/電源極性保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)更高的LED可靠性。

用于驅(qū)動(dòng)串的典型恒流源具有最大（開路）輸出特性電壓，稱為“順從電壓”，將出現(xiàn)在串中未能打開的任何LED上。該事件觸發(fā)相關(guān)的PLED設(shè)備打開并保持通過(guò)LED串的其余部分的電流。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的LED燈串，單個(gè)LED的故障并不重要，甚至很少引人注意。

PLED非常適合要求高可靠性和低維護(hù)的戶外應(yīng)用。典型應(yīng)用包括街道，地鐵，跑道和隧道照明，以及汽車前燈，路邊警示燈和標(biāo)牌。

系列中的設(shè)備包括9 V（工作電壓），18 V（鉗位電壓）PLED9US單向LED保護(hù)器和PLED13US，用于13 V（工作電壓），26 V（鉗位電壓）應(yīng)用。

結(jié)論

串聯(lián)的LED越來(lái)越受歡迎廣泛的應(yīng)用，從熒光燈管替換到大屏幕背光，到汽車后組合燈和儀表板儀表板。保護(hù)這些串不受開路或短路故障的影響至關(guān)重要。解決方案取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文介紹了許多使用恒流控制器和基于升壓的LED驅(qū)動(dòng)器以及獨(dú)立的分立保護(hù)器件的方法。