芻議多路LED電流平衡電路的設計與運用

摘 要：LED是一種新型的照明光源，相比于傳統光源具有長壽命、低功耗等優點。目前，多路LED被廣泛應用，市場上已有的LED驅動芯片大多只具有單路LED恒流功能，多路恒流驅動芯片的輸出電流也只有幾十毫安級別，遠不能滿足家用照明的需求。本文針對多路LED電路平衡電路進行了設計與應用。

關鍵詞：LED；多路平衡電路

中圖分類號：TM923.34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-02

一、LED與多路LED電流平衡電路

LED是一種利用固體半導體材料作為發光材料，通過導電，使得其中的半導體發生載流子的復合變化，從而釋放出能量，引發光子發光的裝置。LED的中文全稱為發光二極管，是當前應用最為廣泛的照明設施之一。LED之所以能夠成為當前世界上應用最廣泛的照明設施之一，在于其多方面的優勢。

其一，LED的照明高校節能。相較于普通的白熾燈（60W），一個LED燈管（10W）連續運行100個小時，所消耗的電能是白熾燈（60W）運行17個小時所消耗的電能。而二者在照明的效果上是一樣的。由此可見LED照明效率之高，能耗之低。其二，LED的壽命非常高。由于采用了半導體材料，加之其結構簡單，無燈絲，無玻璃泡等裝置，因此使用壽命可以高達50000個小時。相較于LED，普通的白熾燈的使用壽命只有短短1000個小時。其三，LED照明效果良好，環保健康。LED可以將9成以上的電能轉換成光能，并且由于是直流驅動，所以不存在頻閃的問題，因此照明效果很好。不僅如此，由于LED發出的光不含有紫外線和紅外線，因此光線健康。以上特性，使得LED的應用得以迅速拓展。

LED是由恒流驅動電路構成，那么在恒流驅動電路的設計的時候，需要充分考慮到一系列的因素。第一，恒流驅動電流可以通過單一的外界電阻來設定；第二，需要嚴格控制恒流工作電壓，將其電壓保持在最低限度；第三，在恒流電流輸出的時候，可以采用數字信號進行控制，從而滿足LED供電驅動對反應速度的要求。因此，在LED供電電路的設計中，需要考慮到上述因素。本文通過分析比較三種供電電路的優劣點，嘗試性的進行了多路LED電流平衡電路設計和運用。

二、LED恒流供電電路比較

對于LED電源來說，要求其實就是恒流限壓。在某種程度上，LED燈的壽命和可靠性，其實是有LED的驅動電源決定的。如果沒有恒流限壓的驅動電源，就不能夠保證LED等發光的均勻性和長期性。不僅如此，由于LED需要長期滿載行工作，因此就需要較高的供電效率。當前，對于LED電流平衡電路的設計，有很多的方法。下面就當前比較流行的TL431，來對一些簡單的LED電流平衡電路的設計進行介紹：

（一）單個TL431恒流電路

圖1 單個TL431恒流電路設計示意圖

從圖1中我們可以看到，單個TL431恒流電路設計，其實就是利用了單個的TL431恒流系統。這是一個比較簡單的電路設計，其恒流是以431的2.495V為基礎的。同時，此電路設計也同樣限制了LED上面的壓降。這一設計的最大的有點在于其簡潔性。電路設計非常簡單，所需要的電子元件也很少，因而成本低廉。不僅如此，由于采用了TL431的基準電壓，保證了其高精度。同時R12，T13只要采高精度電阻，恒流精度比較高。但是，這一電路設計同樣存在著一系列的缺點與問題。由于TL431是2.5V基準，故恒流取樣電路的損耗極大，不適合做輸出電流過大的電源。不進如此，此電路設計的最大缺陷，也是最致命的缺陷在于，不能進行空載。因此，這一電路設計只適合內置，不能作為外置式的LED電源進行運用。

（二）單個TL431恒流改進型電路

圖2 單個TL431恒流電路改進型設計示意圖

如圖2所示，對單個TL431恒流電路設計進行進一步的改進，可以得到一個新的恒流電路設計。與單個TL431恒流電路設計一樣的是，這一電路設計也是基于相同的基準來實現恒流（TL431的2.495V）。但是，這一電路設計與上面的電路設計存在一定程度的差別，這一改進型的電路設計減少了電流取樣電路的電壓，只要合計設計R12，R13，R14的值，可以限制LED上面的壓降。因此，這一點路與上述電路一樣，最大的有點在于其簡潔性，因而電路設計簡單，所適用的電子元器件較少，成本較低。相較于前面的電路設計，該電路設計可以實現空載。但是，需要注意的是，該電路設計中空載依然是其軟肋。當輸出空載時，輸出電壓會有上升，上升幅度由電流取樣電路電阻與R12，R13的比值決定。

（三）兩個TL431恒流電路

相較于上述單個TL431橫流電路的電路設計，雙TL431恒流電路，包括了兩個TL431。在此電路設計中，使用兩個TL431加少數外圍元件即可組成恒流電路，相對于線路較復雜、采用外圍元器件較多的恒流檢測控制電路，不僅成本大大降低，更能滿足LED照明技術越來越小型化的要求。

三、多路電流平衡控制電路設計

要實現LED電路多路電流平衡控制，主要有兩種實現方法。一種方法是每路恒壓后搭配限流電阻，另外一種方法每一路LED串都用一個恒流轉換電路來控制。

前者的做法恰如圖4所示，在同一個電路支路上，進行多個LED的串連。這樣的做法，一方面可以提高電路供電的效率，同時也可以在整體上實現能耗的降低。該電路設計的優點在于其平衡性，但是該電路的電阻選取需要基于LED的個數。當LED的數量發生變化后，電阻就需要重新極端。因此，降低了整體的效率。

后者的做法恰如圖5所示，在電路設計中，每一路LED串都用一個恒流轉換電路來控制。在這一設計之中，最大的有點在于可以不需要電阻，因此就可以不考慮LED串之間的正向特性不一致狀況。因此，本系統具有易于維護的特點。但是，其缺點也是比較明顯的，最顯著的特點就是在于其復雜性。

在綜合比較了兩個多路LED電流平衡電路的設計方案后，本文選擇設計方案二作為多路LED電流平衡電路的設計。該設計其實就是每個支路LED串的獨立恒流驅動方式。在之前設計的單路恒流電路的基礎上，加入多路控制電路和升降壓自動切換電路，就構成了一個完整的低成本多路控制器。

四、結束語

本文基于CSMC0.5μm DPTMCMOS工藝庫芯片設計了一個多路LED電流平衡電路，在原有的單路恒流電路設計基礎上，實現多路控制與升降壓自動控制，從而是設計出一個完整的低成本多路控制器。本設計工藝簡單，成本低廉，并且具有高精度性與電流平衡能力，可以有效的支撐中小功率LED照明系統。

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[作者簡介]謝海瑞（1964.11-），男，漢，福建武平人，本科，實驗師，從事應用電子實驗工作。