凌力爾特LTC3220 LED驅(qū)動器解決驅(qū)動LED陣列電源和拓撲問題

大量LED，特別是高亮度LED（HB LED），越來越多地用于各種陣列配置，用于顯示器背光，區(qū)域照明和數(shù)字標牌。雖然驅(qū)動單個甚至幾個LED非常簡單，但對于這些較大的陣列而言，這樣做會帶來整個LED互連拓撲的問題，以及為陣列供電甚至控制陣列的選項。

單個LED需要驅(qū)動電流20和60 mA，電壓降為1.8至4 V（紅色LED標稱值為1.8 V，琥珀色升至2.0 V，黃色為2.2 V，綠色為3.5 V，藍色為3.6 V）白色為4.0 V）。驅(qū)動LED意味著設(shè)計人員必須將他們的想法從更常見的電壓源電源轉(zhuǎn)移到不太常見但同樣可行的電流源（恒流）電源或驅(qū)動器，并且他們通常不太熟悉這種電源模式及其影響。

LED電源和驅(qū)動鏈在概念上很簡單（圖1）。自己驅(qū)動LED既簡單又困難。它很容易，因為它們分別是低/中等電流和電壓負載，驅(qū)動器可以在有效的DC/DC轉(zhuǎn)換頻率下工作，通常在100 kHz和1.5 MHz之間。然而，這很困難，因為驅(qū)動器必須充當(dāng)電流源，而不是更傳統(tǒng)的電壓源，這對其電路（以及電路設(shè)計者）提出了新的，有時甚至是困難的要求。

圖1：多LED陣列配置中的LED驅(qū)動器是電源供應(yīng)鏈的最后一個階段，從AC線路開始（在大多數(shù)情況下），通過可選的低壓DC/DC轉(zhuǎn)換階段，然后提供最終的直流電壓/電流轉(zhuǎn)換和LED驅(qū)動。

當(dāng)使用多個LED時，無論是幾十個，幾百個甚至幾千個，設(shè)計人員必須首先確定串聯(lián)，并聯(lián)和串聯(lián)/并聯(lián)拓撲的組合想用（圖2）。每種選擇都會在驅(qū)動器選項，成本，可靠性，故障/故障處理和物理布局選項方面帶來權(quán)衡，這會加劇不可避免的耗散和隨后的熱量考慮。

圖2：多個LED陣列可以僅作為串聯(lián)，僅作為并聯(lián)，或作為串聯(lián)和并聯(lián)的組合接線。每種配置都會給LED驅(qū)動器帶來不同的挑戰(zhàn)，并且具有不同的性能影響，設(shè)計人員必須將其視為系統(tǒng)級權(quán)衡的一部分。

在串行配置中，所有LED均由單個電源軌供電。這意味著通過每個LED的電流是相同的，這有助于確保（但不保證）均勻的輸出亮度（它還取決于LED被“裝箱”或選擇的接近程度）。但是，任何單個LED的開放模式故障，這是最常見的故障模式，意味著整個串行串變暗。為了避免這個問題，一些設(shè)計在每個LED周圍添加了一個特殊組件，即使LED打開也能保持電流流動，但這會增加成本和物理空間要求。

串行配置的另一個問題是合規(guī)電壓。驅(qū)動器（電源）必須能夠提供電流，但其電壓應(yīng)大于所有LED二極管壓降的總和。如果串聯(lián)鏈中有100個LED，每個LED都有1.5 V的壓降，則串上產(chǎn)生的電壓為150 V.即使驅(qū)動器可以提供適當(dāng)?shù)?0到60 mA的電流，它也無法在150 V，除非它已經(jīng)相應(yīng)地設(shè)計并且還具有足夠高的電源軌。

此外，您還使用更高電壓的導(dǎo)軌連接到LED，安全問題可能會影響設(shè)計審查（取決于電氣規(guī)范，國家和其他因素，24至48 V以上的電壓通常被認為是潛在危險，需要特別考慮）。

串行方法的替代方案是并聯(lián)配置。這里，所有二極管并聯(lián)，并且驅(qū)動器僅需要在低順從電壓下工作，稍微多于一個二極管壓降。但是，它還必須提供更大量的電流：對于25 mA時的100個二極管，電流為2.5 A.在并聯(lián)方法中，任何單個二極管的開路故障與其他二極管無關(guān)（繼續(xù)正常運行）和供應(yīng)。此外，即使發(fā)生較不常見的短路故障模式，也可以通過標準輸出電流限制技術(shù)輕松保護驅(qū)動器免受損壞。并聯(lián)配置的一個問題是管理每個二極管的電流平衡。 LED中不可避免的變化意味著二極管將消耗略微不同的電流量，并且亮度和色調(diào)也略有不同。輸出強度和色純度的變化在某些應(yīng)用中是一個問題，但在其他應(yīng)用中可能不那么重要。

全并聯(lián)方法的另一個問題是實現(xiàn)有效的低電壓，高電流電源更多難以（并且成本高）比提供更高電壓但電流更低的電源更困難。反過來，這會導(dǎo)致更高的運營成本并且具有散熱影響，通常會影響系統(tǒng)和機箱級別的設(shè)計。

工程折衷提供了許多選擇

除非LED的數(shù)量適中，否則低兩位數(shù)，大多數(shù)設(shè)計師選擇串行和并行拓撲的組合。雖然這是一個定義上的妥協(xié)，也許可能沒有人真正高興，但它實際上允許設(shè)計師完全管理權(quán)衡。結(jié)果通常是設(shè)計“最佳點”，其中所有關(guān)注點，合規(guī)電壓，電流需求和故障影響都得到合理滿足，并且沒有一個成為極端問題。

設(shè)計人員可以選擇每個串行集群的LED數(shù)量，以平衡他們對特定安裝和應(yīng)用程序的沖突問題。串行LED通常分為并聯(lián)集群，每個集群有12到24個串聯(lián)設(shè)備，這意味著適中的電流水平和適中的電壓水平。當(dāng)然，任何單個LED的開路模式故障只會影響該集群。

可以從單個公共電源驅(qū)動所有集群和LED，但這樣做可以回到更高電壓/電流的兩難境地。在許多情況下，使用較小的LED驅(qū)動器更為實用，理想和經(jīng)濟，每個簇有一個驅(qū)動器。它們可以靠近它們驅(qū)動的集群，如果電流水平很高，這也可以降低電源軌的IR壓降（在較低電壓時出現(xiàn)問題）。幾乎所有標準DC/DC電壓輸出供應(yīng)商功率調(diào)節(jié)器IC和模塊認識到LED陣列驅(qū)動器提供的巨大機會，因此也提供LED驅(qū)動器。至少有25家標準目錄LED驅(qū)動器供應(yīng)商，以及更多只能進行定制自有品牌工作的供應(yīng)商。雖然LED驅(qū)動器的核心是電源，但它的設(shè)計目的是提供電流調(diào)節(jié)輸出而不是電壓調(diào)節(jié)輸出，通常還有LED作為負載所需的其他特性和功能。這些包括處理非線性負載（因為它是二極管，LED是一個困難的負載）和控制單個LED的能力，通常是標牌應(yīng)用的要求。 LED驅(qū)動器供應(yīng)商可能沒有此類負載，驅(qū)動器和相關(guān)問題的經(jīng)驗或跟蹤記錄，因此獲得一些關(guān)鍵評估非常重要。

用于小型顯示器的一個代表性DC/DC LED驅(qū)動器是LTC3220凌力爾特公司的高效率，低噪聲電荷泵驅(qū)動器，可為多達18個通用LED電流源供電（圖3）。它為所有通用電流源提供獨立的調(diào)光，開/關(guān)，閃爍和灰度控制，通過I2C串行接口端口進行系統(tǒng)控制。其6位線性DAC支持為每個通用LED電流源獨立調(diào)節(jié)亮度等級。效率高達91％，這是驅(qū)動大型陣列的關(guān)鍵因素，因為需要最大限度地降低運營成本和耗散要求。

圖3：凌力爾特公司的LTC3220 LED驅(qū)動器。設(shè)計用于有效驅(qū)動各種配置的多個LED，并通過I2C串行接口端口進行控制。系統(tǒng)處理器可以指示設(shè)置LED的調(diào)光，閃爍或亮度等級。

對于直接從AC線路操作而無需任何其他組件，CUI VLED15系列模塊包括大約24個LED驅(qū)動器（圖4），并提供簡單的使用和安裝。該6.5至17 W恒流系列的成員可以滿足各種電流/電壓配對，例如8-12 V/1.25 A和24-48 V/350 mA。此模塊方法的另一個好處是，電源具有完全的監(jiān)管批準和合規(guī)性，可直接在90至135 V和176至265 V AC線路上運行。為了幫助工程師完成設(shè)計，CUI還在Digi-Key網(wǎng)站上為VLED15系列提供了產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

圖4：CUI公司的VLED15系列LED驅(qū)動器的成員是完整的AC/DC電源，無需額外組件并滿足所有法規(guī)要求，旨在支持中等尺寸的LED陣列。