凌力尔特LTC3220 LED驱动器解决驱动LED阵列电源和拓扑问题

大量LED，特别是高亮度LED（HB LED），越来越多地用于各种阵列配置，用于显示器背光，区域照明和数字标牌。虽然驱动单个甚至几个LED非常简单，但对于这些较大的阵列而言，这样做会带来整个LED互连拓扑的问题，以及为阵列供电甚至控制阵列的选项。

单个LED需要驱动电流20和60 mA，电压降为1.8至4 V（红色LED标称值为1.8 V，琥珀色升至2.0 V，黄色为2.2 V，绿色为3.5 V，蓝色为3.6 V）白色为4.0 V）。驱动LED意味着设计人员必须将他们的想法从更常见的电压源电源转移到不太常见但同样可行的电流源（恒流）电源或驱动器，并且他们通常不太熟悉这种电源模式及其影响。

LED电源和驱动链在概念上很简单（图1）。自己驱动LED既简单又困难。它很容易，因为它们分别是低/中等电流和电压负载，驱动器可以在有效的DC/DC转换频率下工作，通常在100 kHz和1.5 MHz之间。然而，这很困难，因为驱动器必须充当电流源，而不是更传统的电压源，这对其电路（以及电路设计者）提出了新的，有时甚至是困难的要求。

图1：多LED阵列配置中的LED驱动器是电源供应链的最后一个阶段，从AC线路开始（在大多数情况下），通过可选的低压DC/DC转换阶段，然后提供最终的直流电压/电流转换和LED驱动。

当使用多个LED时，无论是几十个，几百个甚至几千个，设计人员必须首先确定串联，并联和串联/并联拓扑的组合想用（图2）。每种选择都会在驱动器选项，成本，可靠性，故障/故障处理和物理布局选项方面带来权衡，这会加剧不可避免的耗散和随后的热量考虑。

图2：多个LED阵列可以仅作为串联，仅作为并联，或作为串联和并联的组合接线。每种配置都会给LED驱动器带来不同的挑战，并且具有不同的性能影响，设计人员必须将其视为系统级权衡的一部分。

在串行配置中，所有LED均由单个电源轨供电。这意味着通过每个LED的电流是相同的，这有助于确保（但不保证）均匀的输出亮度（它还取决于LED被“装箱”或选择的接近程度）。但是，任何单个LED的开放模式故障，这是最常见的故障模式，意味着整个串行串变暗。为了避免这个问题，一些设计在每个LED周围添加了一个特殊组件，即使LED打开也能保持电流流动，但这会增加成本和物理空间要求。

串行配置的另一个问题是合规电压。驱动器（电源）必须能够提供电流，但其电压应大于所有LED二极管压降的总和。如果串联链中有100个LED，每个LED都有1.5 V的压降，则串上产生的电压为150 V.即使驱动器可以提供适当的20到60 mA的电流，它也无法在150 V，除非它已经相应地设计并且还具有足够高的电源轨。

此外，您还使用更高电压的导轨连接到LED，安全问题可能会影响设计审查（取决于电气规范，国家和其他因素，24至48 V以上的电压通常被认为是潜在危险，需要特别考虑）。

串行方法的替代方案是并联配置。这里，所有二极管并联，并且驱动器仅需要在低顺从电压下工作，稍微多于一个二极管压降。但是，它还必须提供更大量的电流：对于25 mA时的100个二极管，电流为2.5 A.在并联方法中，任何单个二极管的开路故障与其他二极管无关（继续正常运行）和供应。此外，即使发生较不常见的短路故障模式，也可以通过标准输出电流限制技术轻松保护驱动器免受损坏。并联配置的一个问题是管理每个二极管的电流平衡。 LED中不可避免的变化意味着二极管将消耗略微不同的电流量，并且亮度和色调也略有不同。输出强度和色纯度的变化在某些应用中是一个问题，但在其他应用中可能不那么重要。

全并联方法的另一个问题是实现有效的低电压，高电流电源更多难以（并且成本高）比提供更高电压但电流更低的电源更困难。反过来，这会导致更高的运营成本并且具有散热影响，通常会影响系统和机箱级别的设计。

工程折衷提供了许多选择

除非LED的数量适中，否则低两位数，大多数设计师选择串行和并行拓扑的组合。虽然这是一个定义上的妥协，也许可能没有人真正高兴，但它实际上允许设计师完全管理权衡。结果通常是设计“最佳点”，其中所有关注点，合规电压，电流需求和故障影响都得到合理满足，并且没有一个成为极端问题。

设计人员可以选择每个串行集群的LED数量，以平衡他们对特定安装和应用程序的冲突问题。串行LED通常分为并联集群，每个集群有12到24个串联设备，这意味着适中的电流水平和适中的电压水平。当然，任何单个LED的开路模式故障只会影响该集群。

可以从单个公共电源驱动所有集群和LED，但这样做可以回到更高电压/电流的两难境地。在许多情况下，使用较小的LED驱动器更为实用，理想和经济，每个簇有一个驱动器。它们可以靠近它们驱动的集群，如果电流水平很高，这也可以降低电源轨的IR压降（在较低电压时出现问题）。几乎所有标准DC/DC电压输出供应商功率调节器IC和模块认识到LED阵列驱动器提供的巨大机会，因此也提供LED驱动器。至少有25家标准目录LED驱动器供应商，以及更多只能进行定制自有品牌工作的供应商。虽然LED驱动器的核心是电源，但它的设计目的是提供电流调节输出而不是电压调节输出，通常还有LED作为负载所需的其他特性和功能。这些包括处理非线性负载（因为它是二极管，LED是一个困难的负载）和控制单个LED的能力，通常是标牌应用的要求。 LED驱动器供应商可能没有此类负载，驱动器和相关问题的经验或跟踪记录，因此获得一些关键评估非常重要。

用于小型显示器的一个代表性DC/DC LED驱动器是LTC3220凌力尔特公司的高效率，低噪声电荷泵驱动器，可为多达18个通用LED电流源供电（图3）。它为所有通用电流源提供独立的调光，开/关，闪烁和灰度控制，通过I²C串行接口端口进行系统控制。其6位线性DAC支持为每个通用LED电流源独立调节亮度等级。效率高达91％，这是驱动大型阵列的关键因素，因为需要最大限度地降低运营成本和耗散要求。

图3：凌力尔特公司的LTC3220 LED驱动器。设计用于有效驱动各种配置的多个LED，并通过I²C串行接口端口进行控制。系统处理器可以指示设置LED的调光，闪烁或亮度等级。

对于直接从AC线路操作而无需任何其他组件，CUI VLED15系列模块包括大约24个LED驱动器（图4），并提供简单的使用和安装。该6.5至17 W恒流系列的成员可以满足各种电流/电压配对，例如8-12 V/1.25 A和24-48 V/350 mA。此模块方法的另一个好处是，电源具有完全的监管批准和合规性，可直接在90至135 V和176至265 V AC线路上运行。为了帮助工程师完成设计，CUI还在Digi-Key网站上为VLED15系列提供了产品培训模块。

图4：CUI公司的VLED15系列LED驱动器的成员是完整的AC/DC电源，无需额外组件并满足所有法规要求，旨在支持中等尺寸的LED阵列。