險阻重重的平行驅動(dòng)

The Perils of Parallel
Assessing the Pros and Cons of Driving High-Power LEDs in Series-Parallel Arrays

引言

　　無(wú)論是閱讀LED的數據表抑或是與其制造商一起工作，照明系統的設計人員都會(huì )很快地回到最基本的概念：LED的光輸出量是與流經(jīng)它的電流量成正比的。隨著(zhù)LED本身在光輸出量和質(zhì)素上都獲得了巨大的改進(jìn)，沒(méi)有一種LED應用可以避免考慮轉換成固態(tài)照明這一問(wèn)題，可是，現如今只有少數的LED能夠從單一芯片上發(fā)出足夠的光量，用以取代一個(gè)60W的90流明白熾燈泡。大部分應用均需要使用多個(gè)LED驅動(dòng)，并且這些應用均開(kāi)始傾向采用功率額定為1W到5W的LED，當一個(gè)應用從使用單一LED到使用兩個(gè)或更多LED時(shí)，設計方案的復雜度便提升了一倍以上。LED的總數量越多，解決方案便越復雜。今天一個(gè)經(jīng)過(guò)設計改進(jìn)的900流明燈泡可能僅需要10個(gè)1W的LED，但未來(lái)的一個(gè)10000流明街燈則可能動(dòng)輒需要100個(gè)LED。光通量和主波長(cháng)/色溫的劃分可確保每個(gè)LED的光照度均達到一致，但條件是流經(jīng)每一個(gè)LED的電流均需相同(注意：LED芯片溫度的一致性與驅動(dòng)電流同樣重要，這個(gè)課題值得寫(xiě)一篇獨立文章去討論)。在電氣驅動(dòng)方面的最大挑戰，是必須確保流經(jīng)每個(gè)LED的電流均達到一致，與此同時(shí)又需在尺寸、電源效率、規例/安全標準和成本上作出平衡。

串行比較優(yōu)勝

　　從相同的驅動(dòng)電流角度去看，把LED如圖1般串成一行是最佳的方法。即使一個(gè)設計得很糟的LED驅動(dòng)器，雖然其擁有寬大的平均電流容限，又或擁有寬闊或經(jīng)常變化的紋波電流量，但仍可將電流正確地輸送到每一個(gè)LED。雖然燈泡本身可能出現不穩定的亮度和色溫，但總比那些在串頭和串尾出現連肉眼都可辨的亮度和顏色差別的燈串較好?？墒?，當串在一起的LED數量越來(lái)越多時(shí)，麻煩便會(huì )接踵而來(lái)。LED驅動(dòng)器可以看成是一個(gè)可變電壓的調節器，它可以調節電壓的輸出VO直至流經(jīng)負載(即LED)的電流量到達要求的水平。用來(lái)驅動(dòng)一個(gè)長(cháng)LED燈串的直流電壓很容易會(huì )超出當今各類(lèi)電子元件的極限，包括LED驅動(dòng)器所需的二極管、晶體管和電容器。例如，一個(gè)普遍使用在開(kāi)關(guān)轉換器的肖特基二極管，現時(shí)最多只能達到100VDC。更為復雜的是每個(gè)LED都有一個(gè)典型的最高和最低正激電壓VF。燈串中的LED數量越多，直流驅動(dòng)電壓的變化幅度便會(huì )越大。最后，VF會(huì )隨著(zhù)芯片的溫度上升(ΔVF/ΔT)而持續下降，以致所要求的VO范圍比原本的大很多?？偠灾?，如果應用中需要的LED數量越多，那便越應該考慮嘗試串并行陣列(series-parallel array)。


a: 串行陣列　　　　　　　　　　　　　　b: 串并行陣列
圖 1   LED驅動(dòng)器、串行1、串行2、串行3

串并行驅動(dòng)只是紙上談兵？

　　假設現在有一根需要100個(gè)LED的10000流明街燈，如果把這100個(gè)LED并排成10行，而每行有10個(gè)LED的話(huà)，那情況會(huì )如何?答案是所得出來(lái)的VO會(huì )比將100個(gè)LED直排成一串所得出的VO低10倍。假設這個(gè)例子中的白光LED的典型正激電壓VF為3.5V，那么原本是350VDC便下降至只有35VDC，這無(wú)疑大大提高了安全程度，但所需付出的代價(jià)是多少呢？答案取決于LED驅動(dòng)系統如何去平衡每行的電流。采用10個(gè)LED驅動(dòng)器來(lái)獨立控制每一行，這當然是平衡電流的最佳方法，可以讓電流達到每個(gè)LED驅動(dòng)器所能允許的容限水平。不過(guò)，10個(gè)LED驅動(dòng)器就意味著(zhù)大量的元件，尤其當這些LED驅動(dòng)器屬于開(kāi)關(guān)穩壓器的類(lèi)型。為了控制系統成本和元件數量，大多數設計人員在驅動(dòng)一個(gè)串并行陣列時(shí)，都會(huì )如圖1b采用能提供較大電流的單一驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng) “n” 行的并聯(lián)燈串。


圖 2a: 獨立的電流源　　　　　　圖 2b: 一個(gè)大電流源

電流平衡

　　較大的輸出電流意味較高的輸出功率，換言之LED驅動(dòng)器的負擔便更重。此外，輸出功率越大，便越須以開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)取替線(xiàn)性穩壓器。再者，元件的尺寸，尤其是感應器和變壓器，它們的體積都會(huì )隨著(zhù)所負載的電流增加而增大。即使這樣，一個(gè)高功率穩壓器通常都比10個(gè)小功率的經(jīng)濟實(shí)用，然而問(wèn)題在于并聯(lián)LED在均分電流上的表現一向極糟。動(dòng)態(tài)電阻rD的些微失配都可導致行與行之間的電流嚴重失衡。正如圖1b所示，LED驅動(dòng)器只能在有電流流經(jīng)時(shí)才可增加VO，除此之外，這樣的驅動(dòng)器電路根本沒(méi)有方法去保證每條LED燈串的電流均一致。

　　圖2a中的四個(gè)LED屬于同一型號但不同組別，測試的目標是要量度它們之間的VF差別。在25℃的環(huán)境溫度下，用相同的實(shí)驗桌上的直流電源為圖中的每一個(gè)LED都施以相同的供電，以確保流經(jīng)的電流均保持一致。實(shí)驗人員在施加電源后的5秒內記錄讀數，以盡量減低因LED芯片熱力所導致的VF漂移。假如四個(gè)LED被排成一直行的話(huà)，那么照明系統設計人員應該量度到一樣的VF值差。圖2b為另一個(gè)實(shí)驗，其中四個(gè)相同的LED被并排成四行，并用一個(gè)4A的電流源作電源。像先前一樣，實(shí)驗在25℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行，并且在施加電源5秒內進(jìn)行記錄。


表 1  不同的動(dòng)態(tài)電阻則會(huì )提取不同大小的電流

　　一旦變成并排后，流經(jīng)每個(gè)LED的電壓便相等，但它們不同的動(dòng)態(tài)電阻則會(huì )提取不同大小的電流。正如表1所見(jiàn)，LED2在1A下具有全組最低的VF和rD。這與LED1的情況恰好相反，它在全組中的VF和rD均達到最高。一個(gè)表面上很小的0.42V差別卻會(huì )為L(cháng)ED2帶來(lái)超過(guò)3倍的電流。

以正激電壓來(lái)分組

　　LED是以其光通量、顏色(或色溫)及正激電壓VF來(lái)劃分的。大部份LED制造商在一個(gè)卷帶包裝上只提供一個(gè)組別的LED。例如，當整條產(chǎn)品線(xiàn)的VF范圍是從2.8V到4.2V時(shí)，一個(gè)典型的VF組別可能只包含有VF從3.27V到3.51V(在 25℃下)的LED。正如表1所見(jiàn)，LED間的VF匹配性越高，當采用串并行陣列時(shí)，行與行之間的電流容限便越好?？墒?，要保證每一個(gè)購買(mǎi)回來(lái)的LED都屬同一個(gè)組別是十分困難或者說(shuō)甚至是不可能的。因為假如LED制造商對每一個(gè)客戶(hù)都作出保證承諾，那么該制造商很快便會(huì )發(fā)現很多組別的產(chǎn)品都出現過(guò)剩和過(guò)時(shí)。在現實(shí)環(huán)境中，制造商均傾向銷(xiāo)售不同組別的產(chǎn)品，除非接到很大的訂單。


表 2  手持式IR探針測試結果

　　即使LED可以均分電流，把100個(gè)LED全都以并排方式放置是不切實(shí)際的，情況就好比將100個(gè)LED排成一串。為此，我們進(jìn)行另一個(gè)比較切合實(shí)際的實(shí)驗，就是把16個(gè)LED以4 X 4 的方式排成一個(gè)串并行陣列，然后量度行與行之間的電流匹配性。16個(gè)來(lái)自同一VF組別的LED被排列完成后，便用一個(gè)實(shí)驗桌上的4A電源來(lái)供電。每一行都加入一個(gè)串聯(lián)的高精度5mW電流檢測電阻，以便進(jìn)行個(gè)別的電流測量，同時(shí)也可把電阻性鎖流量減至最小。接著(zhù)，我們重復實(shí)驗，但這次所用的16個(gè)LED是從四個(gè)不同的VF組別隨機抽取的。跟先前一樣，實(shí)驗在25℃環(huán)境下進(jìn)行，并且在施加電源后的5秒內進(jìn)行記錄。之后，當陣列經(jīng)過(guò)一個(gè)長(cháng)約半小時(shí)的通電后，再用手持式IR探針測量其熱穩態(tài)。圖3所示為實(shí)驗電路，表2則表示其測量結果。


圖3  測試一個(gè)串并行陣列

即使VF 匹配仍不足夠

　　表2的結果表明：在25℃下，在串并行陣列中采用相同VF的LED可改善電流的平衡性。在VF不相配的串并行陣列中，最壞的情況下行與行之間的電流差別達820mA，而在VF匹配的串并行陣列中，出現的行與行之間的電流最大差別只有240mA?？墒?，即使LED間的正激電壓匹配得很緊密，其程度也是制造商所能提供的最大極限，仍會(huì )在行與行之間出現明顯的電流差別，大約是1A目標直流電流的25%。此外，一旦LED芯片開(kāi)始出現自行加熱，在相配陣列中的電流便會(huì )與不相配陣列一樣，逐漸失去平衡。

熱過(guò)載

　　為了對抗潛在的亮度或顏色失衡，照明系統的設計人員可以把不同行的LED混合在一起并采用混合光學(xué)技術(shù)(blending optics)來(lái)補救，但這種方法并不能應付因VF下降而產(chǎn)生的正反饋環(huán)路問(wèn)題，因為VF下降是由LED芯片溫度上升所引起的。即使每一個(gè)LED均來(lái)自同一個(gè)VF組別，但在陣列中總有一行燈串的VF是最低的，而這行燈串總能提取比其他行更多的電流。由此，更多的電流會(huì )導致更大的功耗，并由于該燈串會(huì )比其他燈串更熱，以致其VF會(huì )進(jìn)一步下跌。使問(wèn)題更為復雜的是，當VF隨芯片溫度的上升而下降時(shí)，沒(méi)有一個(gè)VF組別可以與之匹配，以致每個(gè)LED都呈現不同的DVF/DT斜率。表2顯示出25℃和熱穩態(tài)之間的電流平衡，只要把兩者的數據加以比較便可清楚看到這個(gè)現象。在一個(gè)采用混合光學(xué)技術(shù)的大型陣列中，從最熱燈串發(fā)放出來(lái)的光輸出量，其差別可能很難憑肉眼察覺(jué)，但其壽命和亮度的穩定性則必定會(huì )下降。

結論

　　在LED的正激電壓分組方面，每組之間的差別可在1mV以?xún)?，這可以大大改善它們在25℃下的電流均分能力，但這也會(huì )大幅增加成本。然而，即使LED間的VF非常匹配，但一旦出現過(guò)熱，每行的電流便會(huì )因個(gè)別不同的DVF/DT斜率而不能再平均分配。即使刻意為每個(gè)LED設置相同的散熱措施，一旦觸及熱穩態(tài)，串并行陣列中的電流失配都會(huì )使這些措施形同虛設。為解決這個(gè)問(wèn)題，應該在每行燈串上加入一個(gè)電流調節器。對于某些應用而言，加入一個(gè)鎖流電阻器便已足夠，但對于某些應用而言，則可能需要加入一個(gè)具備線(xiàn)性穩壓器的電流井/源，為了達到最大的電源效率和靈活性，最好還是采用開(kāi)關(guān)穩壓器。