險阻重重的平行驅動

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

引言

　　無論是閱讀LED的數據表抑或是與其制造商一起工作，照明系統(tǒng)的設計人員都會很快地回到最基本的概念：LED的光輸出量是與流經它的電流量成正比的。隨著LED本身在光輸出量和質素上都獲得了巨大的改進，沒有一種LED應用可以避免考慮轉換成固態(tài)照明這一問題，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60W的90流明白熾燈泡。大部分應用均需要使用多個LED驅動，并且這些應用均開始傾向采用功率額定為1W到5W的LED，當一個應用從使用單一LED到使用兩個或更多LED時，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。今天一個經過設計改進的900流明燈泡可能僅需要10個1W的LED，但未來的一個10000流明街燈則可能動輒需要100個LED。光通量和主波長/色溫的劃分可確保每個LED的光照度均達到一致，但條件是流經每一個LED的電流均需相同(注意：LED芯片溫度的一致性與驅動電流同樣重要，這個課題值得寫一篇獨立文章去討論)。在電氣驅動方面的最大挑戰(zhàn)，是必須確保流經每個LED的電流均達到一致，與此同時又需在尺寸、電源效率、規(guī)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。即使一個設計得很糟的LED驅動器，雖然其擁有寬大的平均電流容限，又或擁有寬闊或經常變化的紋波電流量，但仍可將電流正確地輸送到每一個LED。雖然燈泡本身可能出現不穩(wěn)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數量越來越多時，麻煩便會接踵而來。LED驅動器可以看成是一個可變電壓的調節(jié)器，它可以調節(jié)電壓的輸出VO直至流經負載(即LED)的電流量到達要求的水平。用來驅動一個長LED燈串的直流電壓很容易會超出當今各類電子元件的極限，包括LED驅動器所需的二極管、晶體管和電容器。例如，一個普遍使用在開關轉換器的肖特基二極管，現時最多只能達到100VDC。更為復雜的是每個LED都有一個典型的最高和最低正激電壓VF。燈串中的LED數量越多，直流驅動電壓的變化幅度便會越大。最后，VF會隨著芯片的溫度上升(ΔVF/ΔT)而持續(xù)下降，以致所要求的VO范圍比原本的大很多。總而言之，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驅動器、串行1、串行2、串行3

串并行驅動只是紙上談兵？

　　假設現在有一根需要100個LED的10000流明街燈，如果把這100個LED并排成10行，而每行有10個LED的話，那情況會如何?答案是所得出來的VO會比將100個LED直排成一串所得出的VO低10倍。假設這個例子中的白光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，這無疑大大提高了安全程度，但所需付出的代價是多少呢？答案取決于LED驅動系統(tǒng)如何去平衡每行的電流。采用10個LED驅動器來獨立控制每一行，這當然是平衡電流的最佳方法，可以讓電流達到每個LED驅動器所能允許的容限水平。不過，10個LED驅動器就意味著大量的元件，尤其當這些LED驅動器屬于開關穩(wěn)壓器的類型。為了控制系統(tǒng)成本和元件數量，大多數設計人員在驅動一個串并行陣列時，都會如圖1b采用能提供較大電流的單一驅動器來驅動 “n” 行的并聯燈串。


圖 2a: 獨立的電流源　　　　　　圖 2b: 一個大電流源

電流平衡

　　較大的輸出電流意味較高的輸出功率，換言之LED驅動器的負擔便更重。此外，輸出功率越大，便越須以開關穩(wěn)壓器來取替線性穩(wěn)壓器。再者，元件的尺寸，尤其是感應器和變壓器，它們的體積都會隨著所負載的電流增加而增大。即使這樣，一個高功率穩(wěn)壓器通常都比10個小功率的經濟實用，然而問題在于并聯LED在均分電流上的表現一向極糟。動態(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驅動器只能在有電流流經時才可增加VO，除此之外，這樣的驅動器電路根本沒有方法去保證每條LED燈串的電流均一致。

　　圖2a中的四個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，用相同的實驗桌上的直流電源為圖中的每一個LED都施以相同的供電，以確保流經的電流均保持一致。實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LED被排成一直行的話，那么照明系統(tǒng)設計人員應該量度到一樣的VF值差。圖2b為另一個實驗，其中四個相同的LED被并排成四行，并用一個4A的電流源作電源。像先前一樣，實驗在25℃的環(huán)境溫度下進行，并且在施加電源5秒內進行記錄。


表 1  不同的動態(tài)電阻則會提取不同大小的電流

　　一旦變成并排后，流經每個LED的電壓便相等，但它們不同的動態(tài)電阻則會提取不同大小的電流。正如表1所見，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。一個表面上很小的0.42V差別卻會為LED2帶來超過3倍的電流。

以正激電壓來分組

　　LED是以其光通量、顏色(或色溫)及正激電壓VF來劃分的。大部份LED制造商在一個卷帶包裝上只提供一個組別的LED。例如，當整條產品線的VF范圍是從2.8V到4.2V時，一個典型的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，LED間的VF匹配性越高，當采用串并行陣列時，行與行之間的電流容限便越好?？墒牵ＷC每一個購買回來的LED都屬同一個組別是十分困難或者說甚至是不可能的。因為假如LED制造商對每一個客戶都作出保證承諾，那么該制造商很快便會發(fā)現很多組別的產品都出現過剩和過時。在現實環(huán)境中，制造商均傾向銷售不同組別的產品，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LED全都以并排方式放置是不切實際的，情況就好比將100個LED排成一串。為此，我們進行另一個比較切合實際的實驗，就是把16個LED以4 X 4 的方式排成一個串并行陣列，然后量度行與行之間的電流匹配性。16個來自同一VF組別的LED被排列完成后，便用一個實驗桌上的4A電源來供電。每一行都加入一個串聯的高精度5mW電流檢測電阻，以便進行個別的電流測量，同時也可把電阻性鎖流量減至最小。接著，我們重復實驗，但這次所用的16個LED是從四個不同的VF組別隨機抽取的。跟先前一樣，實驗在25℃環(huán)境下進行，并且在施加電源后的5秒內進行記錄。之后，當陣列經過一個長約半小時的通電后，再用手持式IR探針測量其熱穩(wěn)態(tài)。圖3所示為實驗電路，表2則表示其測量結果。


圖3  測試一個串并行陣列

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?？墒牵词筁ED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芯片開始出現自行加熱，在相配陣列中的電流便會與不相配陣列一樣，逐漸失去平衡。

熱過載

　　為了對抗?jié)撛诘牧炼然蝾伾Ш猓彰飨到y(tǒng)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技術(blending optics)來補救，但這種方法并不能應付因VF下降而產生的正反饋環(huán)路問題，因為VF下降是由LED芯片溫度上升所引起的。即使每一個LED均來自同一個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，更多的電流會導致更大的功耗，并由于該燈串會比其他燈串更熱，以致其VF會進一步下跌。使問題更為復雜的是，當VF隨芯片溫度的上升而下降時，沒有一個VF組別可以與之匹配，以致每個LED都呈現不同的DVF/DT斜率。表2顯示出25℃和熱穩(wěn)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現象。在一個采用混合光學技術的大型陣列中，從最熱燈串發(fā)放出來的光輸出量，其差別可能很難憑肉眼察覺，但其壽命和亮度的穩(wěn)定性則必定會下降。

結論

　　在LED的正激電壓分組方面，每組之間的差別可在1mV以內，這可以大大改善它們在25℃下的電流均分能力，但這也會大幅增加成本。然而，即使LED間的VF非常匹配，但一旦出現過熱，每行的電流便會因個別不同的DVF/DT斜率而不能再平均分配。即使刻意為每個LED設置相同的散熱措施，一旦觸及熱穩(wěn)態(tài)，串并行陣列中的電流失配都會使這些措施形同虛設。為解決這個問題，應該在每行燈串上加入一個電流調節(jié)器。對于某些應用而言，加入一個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具備線性穩(wěn)壓器的電流井/源，為了達到最大的電源效率和靈活性，最好還是采用開關穩(wěn)壓器。