針對短路和開路的LED串聯連接電路設計

針對短路和開路的LED串聯連接電路設計

電子設計 發表於 2019-03-25 08:17:00

在各種室內，室外和汽車固態照明應用中越來越多地使用LED燈串，正在關注確保可靠性和安全性的需求。防止瞬變和過壓/欠壓條件造成的損壞是解決方案的一部分。另一個方面是設計燈具，使得如果一個設備發生故障並打開電路，系統可以補償並保持令人滿意的光輸出。

雖然戶外應用特別容易受到影響，但在汽車領域的電路保護是一個安全關鍵問題。最佳解決方案在很大程度上取決於所選擇的拓撲結構，以及最合適的LED驅動器的選擇，其本身可能取決於應用的性質。

本文將概述一些可用的設備和拓撲選項。它將進一步考慮LED驅動器製造商所做的努力，以結合防止破壞性條件的功能，並確保使用開路和短路LED串繼續安全操作。

將特別參考德州儀器（TI），凌力爾特公司和安森美半導體提供的眾多驅動器。具體部件包括TI的LM3431和LM3466線性電流控制器，Linear的LT3795/6 DC/DC LED驅動器和ON Semi的NCV7680電流控制器，針對汽車和通用照明。最後，本文將重點介紹Littelfuse開放式LED保護設備的最新產品。

易受浪湧影響

固態照明的一個關鍵吸引力在於LED促進了外形尺寸的靈活性，尤其是將多個LED連接成串的能力。 LED燈串廣泛用於各種照明應用領域，從家庭消費者到零售，建築和汽車。雖然與一些替代照明技術相比相對堅固，但LED易受ESD，EMI和閃電引起的浪湧和瞬變的影響。由於LED串聯連接，保護整個設計的需要是至關重要的，以避免一個開路故障LED關閉燈串中所有LED的不可接受的情況。

通常，設計人員選擇恆定電流而不是而不是恆定電壓陣列，因為它更有效，特別是對於串聯連接的LED。無論輸入電壓或LED正向電壓如何，恆流LED串確保沿著串的亮度相同。

在這種情況下，可以指定恆流LED驅動器，其設計僅能夠驅動特定範圍內的電壓。選擇正確的LED驅動器取決於應用的拓撲和要求。

圖1：恆流，基於升壓的電流控制器，如安森美半導體的NCV7680，用於驅動和保護汽車後照燈和其他車載應用中的LED燈串。

如果在規格階段，設計人員不確定燈具需要什麼電壓，通用輸入電壓驅動器可能是解決方案。既不經濟也不高效，這種解決方案提供了靈活性，因為它設計適合高輸入電壓和高輸入電流設計。

對於通常並行連接的多個字符串，需要一個多通道驅動程序。真正的多通道驅動器將獨立於其他輸出調節每個通道（串）。這種設計風格允許每個通道結合其自身的電流調節和/或故障保護。此外，對通道進行分組的能力允許LED開關略微交錯，從而最大限度地減少開關瞬態和EMI。

Boost最佳

在許多應用中，包括汽車設計，提升基於恆定電流的驅動器是優選的，並且防止短路特別重要。越來越多的升壓拓撲結構正在挑戰傳統的SEPIC（單端初級電感轉換器）設計，這種設計既昂貴又複雜。但是，某些設備可以配置為多種模式，從而提供額外的靈活性。高度集成的現代驅動器提供頻率控制和分階段調光等複雜功能，並提供針對惡劣條件的卓越保護。開關模式升壓轉換器可與線性低壓差（LDO）穩壓器結合使用，以精確控制每個LED串。

一個有趣的例子是德州儀器（TI）LM3431 3通道線性電流控制器，結合升壓開關控制器。這款符合Q1標準的汽車級設備非常適合驅動多串LED背光板，例如儀錶板和其他空間至關重要的應用。該器件驅動三個外部NPN電晶體或MOSFET，為三個LED串提供高精度恆定電流。輸出電流可調，以驅動超過200 mA的串。該器件可配置為驅動多達六個LED串。

升壓控制器驅動一個外部NFET開關，用於從5到36 V之間的輸入電壓進行升壓調節。其他保護功能包括LED短路和開路保護，故障延遲/錯誤標記，逐周期IC和LED陣列的電流限制和熱關斷。

對於通用多串LED照明應用，TI的LM3466還支持恆流拓撲。憑藉寬輸入電壓範圍，它可以驅動多個20個LED串，最高可達每串70 V.即使每個串的正向電壓不同，器件也會自動平衡每個有效LED串的電流。如果在運行期間任何LED燈串打開，LM3466會自動平衡通過所有剩餘有效LED燈串的電源電流。因此，即使某些LED燈串在運行期間打開，照明系統的整體亮度也會保持不變。

驅動器集成了70 V 1.5 A N溝道MOSFET，電流限制為2.06 A.模塊化設計意味著只需添加一個電阻和電容即可添加額外的LED燈串。重要的是，該器件具有欠壓鎖定，故障報告，熱閂鎖和熱關斷保護功能。作為純粹的線性器件，EMI被最小化。

多模式

凌力爾特公司是基於升壓的驅動器架構的倡導者，特別是用於汽車設計的串聯LED串，通常標稱電壓為13.8 V或降低。提供強大的短路保護是該公司LT3795升壓型DC/DC LED驅動器的關鍵特性。該器件可配置為升壓，降壓 - 升壓，SEPIC和降壓模式架構。

保護功能包括帶有'OpenLED'標誌的可編程開路LED保護，帶有'ShortLED'標誌的短路保護，以及帶滯後的可編程欠壓鎖定。

該設備實際上可以調節一個常數電流或恆定電壓。它的輸入電壓範圍為4.5至100 V.工作時，器件採用內部穩壓7.7 V電源驅動低端外部N溝道MOSFET。可以激活擴頻調頻以改善EMC。

該系列的另一部分LT3796具有相同的LED電路保護功能，可提供6至100 V的輸入電壓範圍。單獨的高端放大器可通過兩個電阻進行增益配置，並可用於調節第二個電流或電壓。請參見下面的圖2.

圖2：LT3796配置為升壓轉換器，可在寬輸入範圍內驅動34 W LED串。 LED電流在低輸入電壓時降低，以防止外部電源組件過熱。前端電流檢測放大器通過將輸入電流轉換為CSOUT引腳上的電壓信號來監控輸入電流。 FB1引腳上的電阻網絡提供OpenLED保護，可以限制輸出電壓，防止ISP引腳，ISN引腳和多個外部元件超過其最大額定值。

符合汽車標準的

安森美半導體提供各種LED燈串控制器和驅動器。專門針對汽車應用的新器件是符合AEC-Q100標準的NCV7691電流控制器或預驅動器。針對汽車後組合燈，中央高位剎車燈和日間行車燈，它可以驅動多個琴弦，具有PWM和診斷功能，以及電池連接和負溫度係數（NTC）輸入。

開路LED串和短路診斷功能可確保維持運行可靠性。通過將FLTS引腳連接在一起，可以在檢測到錯誤時關閉多個設備。在過壓條件下，回退功率限制會降低驅動電流。該器件使用外部雙極電晶體和反饋電阻來精確調節LED驅動器電流。最多可同時驅動八個LED燈串。

與此同時，NCV7680是該公司現有的LED串驅動器，具有類似的功能，針對相同的應用。它由8個線性可編程恆流源組成，每通道驅動輸出高達75 mA。 PWM是可選的。當不使用外部FET時，該器件對低電流應用非常有用。

NSI45025 45 V，25 mA線性恆流穩壓器也是汽車級認證的，但更簡單，更經濟的解決方案。它基於自偏置電晶體技術，可在很寬的電壓範圍內調節電流，可在短時間內處理高達45 V的電壓。它採用負溫度係數設計，可在極端電壓和電流下保護LED免受熱失控。

恆定電流調節器包含在一個耐熱的封裝中，可立即開啟，僅為0.5 V時調節率為25％。它不需要外部元件，可以設計為高或低旁邊的監管機構。高陽極 - 陰極額定電壓可承受汽車，工業和商業標牌應用中常見的浪湧。此外，還提供更高的輸出電流和更嚴格的電流容差版本。

替代方法

Littelfuse提供了一種在LED串中提供開路保護的替代方法，其PLEDxUx單向串聯開路LED保護器。 PLED設備並聯連接在每個LED上，或者每兩個或三個LED串聯連接。 PLEDxUx系列器件與1 W LED兼容，標稱值為3 V時350 mA。

在工作時，PLED在串中的任何單個LED作為開路故障時提供備用電流路徑。它不是提供對浪湧和瞬態事件的保護，而是減輕單LED故障的影響。它還提供反向電池/電源極性保護，以實現更高的LED可靠性。

用於驅動串的典型恆流源具有最大（開路）輸出特性電壓，稱為「順從電壓」，將出現在串中未能打開的任何LED上。該事件觸發相關的PLED設備打開並保持通過LED串的其餘部分的電流。通過設計合理的LED燈串，單個LED的故障並不重要，甚至很少引人注意。

PLED非常適合要求高可靠性和低維護的戶外應用。典型應用包括街道，地鐵，跑道和隧道照明，以及汽車前燈，路邊警示燈和標牌。

系列中的設備包括9 V（工作電壓），18 V（鉗位電壓）PLED9US單向LED保護器和PLED13US，用於13 V（工作電壓），26 V（鉗位電壓）應用。

結論

串聯的LED越來越受歡迎廣泛的應用，從螢光燈管替換到大屏幕背光，到汽車後組合燈和儀錶板儀錶板。保護這些串不受開路或短路故障的影響至關重要。解決方案取決於拓撲結構。本文介紹了許多使用恆流控制器和基於升壓的LED驅動器以及獨立的分立保護器件的方法。

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