针对短路和开路的LED串联连接电路设计

在各种室内，室外和汽车固态照明应用中越来越多地使用LED灯串，正在关注确保可靠性和安全性的需求。防止瞬变和过压/欠压条件造成的损坏是解决方案的一部分。另一个方面是设计灯具，使得如果一个设备发生故障并打开电路，系统可以补偿并保持令人满意的光输出。

虽然户外应用特别容易受到影响，但在汽车领域的电路保护是一个安全关键问题。最佳解决方案在很大程度上取决于所选择的拓扑结构，以及最合适的LED驱动器的选择，其本身可能取决于应用的性质。

本文将概述一些可用的设备和拓扑选项。它将进一步考虑LED驱动器制造商所做的努力，以结合防止破坏性条件的功能，并确保使用开路和短路LED串继续安全操作。

将特别参考德州仪器（TI），凌力尔特公司和安森美半导体提供的众多驱动器。具体部件包括TI的LM3431和LM3466线性电流控制器，Linear的LT3795/6 DC/DC LED驱动器和ON Semi的NCV7680电流控制器，针对汽车和通用照明。最后，本文将重点介绍Littelfuse开放式LED保护设备的最新产品。

易受浪涌影响

固态照明的一个关键吸引力在于LED促进了外形尺寸的灵活性，尤其是将多个LED连接成串的能力。 LED灯串广泛用于各种照明应用领域，从家庭消费者到零售，建筑和汽车。虽然与一些替代照明技术相比相对坚固，但LED易受ESD，EMI和闪电引起的浪涌和瞬变的影响。由于LED串联连接，保护整个设计的需要是至关重要的，以避免一个开路故障LED关闭灯串中所有LED的不可接受的情况。

通常，设计人员选择恒定电流而不是而不是恒定电压阵列，因为它更有效，特别是对于串联连接的LED。无论输入电压或LED正向电压如何，恒流LED串确保沿着串的亮度相同。

在这种情况下，可以指定恒流LED驱动器，其设计仅能够驱动特定范围内的电压。选择正确的LED驱动器取决于应用的拓扑和要求。

图1：恒流，基于升压的电流控制器，如安森美半导体的NCV7680，用于驱动和保护汽车后照灯和其他车载应用中的LED灯串。

如果在规格阶段，设计人员不确定灯具需要什么电压，通用输入电压驱动器可能是解决方案。既不经济也不高效，这种解决方案提供了灵活性，因为它设计适合高输入电压和高输入电流设计。

对于通常并行连接的多个字符串，需要一个多通道驱动程序。真正的多通道驱动器将独立于其他输出调节每个通道（串）。这种设计风格允许每个通道结合其自身的电流调节和/或故障保护。此外，对通道进行分组的能力允许LED开关略微交错，从而最大限度地减少开关瞬态和EMI。

Boost最佳

在许多应用中，包括汽车设计，提升基于恒定电流的驱动器是优选的，并且防止短路特别重要。越来越多的升压拓扑结构正在挑战传统的SEPIC（单端初级电感转换器）设计，这种设计既昂贵又复杂。但是，某些设备可以配置为多种模式，从而提供额外的灵活性。高度集成的现代驱动器提供频率控制和分阶段调光等复杂功能，并提供针对恶劣条件的卓越保护。开关模式升压转换器可与线性低压差（LDO）稳压器结合使用，以精确控制每个LED串。

一个有趣的例子是德州仪器（TI）LM3431 3通道线性电流控制器，结合升压开关控制器。这款符合Q1标准的汽车级设备非常适合驱动多串LED背光板，例如仪表板和其他空间至关重要的应用。该器件驱动三个外部NPN晶体管或MOSFET，为三个LED串提供高精度恒定电流。输出电流可调，以驱动超过200 mA的串。该器件可配置为驱动多达六个LED串。

升压控制器驱动一个外部NFET开关，用于从5到36 V之间的输入电压进行升压调节。其他保护功能包括LED短路和开路保护，故障延迟/错误标记，逐周期IC和LED阵列的电流限制和热关断。

对于通用多串LED照明应用，TI的LM3466还支持恒流拓扑。凭借宽输入电压范围，它可以驱动多个20个LED串，最高可达每串70 V.即使每个串的正向电压不同，器件也会自动平衡每个有效LED串的电流。如果在运行期间任何LED灯串打开，LM3466会自动平衡通过所有剩余有效LED灯串的电源电流。因此，即使某些LED灯串在运行期间打开，照明系统的整体亮度也会保持不变。

驱动器集成了70 V 1.5 A N沟道MOSFET，电流限制为2.06 A.模块化设计意味着只需添加一个电阻和电容即可添加额外的LED灯串。重要的是，该器件具有欠压锁定，故障报告，热闩锁和热关断保护功能。作为纯粹的线性器件，EMI被最小化。

多模式

凌力尔特公司是基于升压的驱动器架构的倡导者，特别是用于汽车设计的串联LED串，通常标称电压为13.8 V或降低。提供强大的短路保护是该公司LT3795升压型DC/DC LED驱动器的关键特性。该器件可配置为升压，降压 - 升压，SEPIC和降压模式架构。

保护功能包括带有'OpenLED'标志的可编程开路LED保护，带有'ShortLED'标志的短路保护，以及带滞后的可编程欠压锁定。

该设备实际上可以调节一个常数电流或恒定电压。它的输入电压范围为4.5至100 V.工作时，器件采用内部稳压7.7 V电源驱动低端外部N沟道MOSFET。可以激活扩频调频以改善EMC。

该系列的另一部分LT3796具有相同的LED电路保护功能，可提供6至100 V的输入电压范围。单独的高端放大器可通过两个电阻进行增益配置，并可用于调节第二个电流或电压。请参见下面的图2.

图2：LT3796配置为升压转换器，可在宽输入范围内驱动34 W LED串。 LED电流在低输入电压时降低，以防止外部电源组件过热。前端电流检测放大器通过将输入电流转换为CSOUT引脚上的电压信号来监控输入电流。 FB1引脚上的电阻网络提供OpenLED保护，可以限制输出电压，防止ISP引脚，ISN引脚和多个外部元件超过其最大额定值。

符合汽车标准的

安森美半导体提供各种LED灯串控制器和驱动器。专门针对汽车应用的新器件是符合AEC-Q100标准的NCV7691电流控制器或预驱动器。针对汽车后组合灯，中央高位刹车灯和日间行车灯，它可以驱动多个琴弦，具有PWM和诊断功能，以及电池连接和负温度系数（NTC）输入。

开路LED串和短路诊断功能可确保维持运行可靠性。通过将FLTS引脚连接在一起，可以在检测到错误时关闭多个设备。在过压条件下，回退功率限制会降低驱动电流。该器件使用外部双极晶体管和反馈电阻来精确调节LED驱动器电流。最多可同时驱动八个LED灯串。

与此同时，NCV7680是该公司现有的LED串驱动器，具有类似的功能，针对相同的应用。它由8个线性可编程恒流源组成，每通道驱动输出高达75 mA。 PWM是可选的。当不使用外部FET时，该器件对低电流应用非常有用。

NSI45025 45 V，25 mA线性恒流稳压器也是汽车级认证的，但更简单，更经济的解决方案。它基于自偏置晶体管技术，可在很宽的电压范围内调节电流，可在短时间内处理高达45 V的电压。它采用负温度系数设计，可在极端电压和电流下保护LED免受热失控。

恒定电流调节器包含在一个耐热的封装中，可立即开启，仅为0.5 V时调节率为25％。它不需要外部元件，可以设计为高或低旁边的监管机构。高阳极 - 阴极额定电压可承受汽车，工业和商业标牌应用中常见的浪涌。此外，还提供更高的输出电流和更严格的电流容差版本。

替代方法

Littelfuse提供了一种在LED串中提供开路保护的替代方法，其PLEDxUx单向串联开路LED保护器。 PLED设备并联连接在每个LED上，或者每两个或三个LED串联连接。 PLEDxUx系列器件与1 W LED兼容，标称值为3 V时350 mA。

在工作时，PLED在串中的任何单个LED作为开路故障时提供备用电流路径。它不是提供对浪涌和瞬态事件的保护，而是减轻单LED故障的影响。它还提供反向电池/电源极性保护，以实现更高的LED可靠性。

用于驱动串的典型恒流源具有最大（开路）输出特性电压，称为“顺从电压”，将出现在串中未能打开的任何LED上。该事件触发相关的PLED设备打开并保持通过LED串的其余部分的电流。通过设计合理的LED灯串，单个LED的故障并不重要，甚至很少引人注意。

PLED非常适合要求高可靠性和低维护的户外应用。典型应用包括街道，地铁，跑道和隧道照明，以及汽车前灯，路边警示灯和标牌。

系列中的设备包括9 V（工作电压），18 V（钳位电压）PLED9US单向LED保护器和PLED13US，用于13 V（工作电压），26 V（钳位电压）应用。

结论

串联的LED越来越受欢迎广泛的应用，从荧光灯管替换到大屏幕背光，到汽车后组合灯和仪表板仪表板。保护这些串不受开路或短路故障的影响至关重要。解决方案取决于拓扑结构。本文介绍了许多使用恒流控制器和基于升压的LED驱动器以及独立的分立保护器件的方法。