在使用多個(gè) LED 燈串的設(shè)計(jì)中，例如剎車燈、日間行車燈、尾燈和其他汽車照明應(yīng)用，電流平衡電路為所有 LED 燈串提供相等的電流，以防止出現(xiàn)不同的亮度水平。

基于分立晶體管的電流平衡電路由于其電路簡單、元件少而被廣泛使用，但也存在一些性能上的缺點(diǎn)。晶體管基極-發(fā)射極電壓 （V BE ）不匹配、LED 正向壓降和溫度變化會(huì)導(dǎo)致 LED 亮度不匹配。本文比較了基于運(yùn)算放大器 （op amp） 的 LED 電流平衡電路與更常見的基于分立晶體管的解決方案的技術(shù)性能。

圖 1顯示了基于分立晶體管的 LED 電流平衡電路的簡化原理圖。

圖 1這是基于分立晶體管的電流平衡電路的外觀。資料來源：德州儀器

圖 1 中的電路使用固定電壓 （VS1） 和一個(gè)電阻器 （R1） 和配置為二極管的雙極 NPN 晶體管 （T1） 來設(shè)置參考電流 （I REF ）。I REF通過晶體管T2 和T3分別鏡像為I1 LED和I2 LED。公式 1 顯示了通過晶體管的電流。理想情況下，電流I REF、I1 LED和I2 LED相等。

I REF = V REF /R1 = VS1-VT1 BE /R1 （1）

VT1 BE是晶體管 T1 的基極到發(fā)射極電壓。對(duì)于相同的給定電流，該電壓會(huì)隨著工藝和溫度的變化而發(fā)生很大變化。在這個(gè)電路中，有三個(gè)電流腿，其中只有兩個(gè)通過 LED 燈串。電源必須提供T1 汲取的電流以設(shè)置I REF。該電流由 T1 汲取，可能達(dá)到數(shù)毫安，從而導(dǎo)致功率損耗。

圖 2顯示了基于運(yùn)算放大器的 LED 電流平衡電路的簡化原理圖。

圖 2基于運(yùn)算放大器的電流平衡電路使用高側(cè)電壓到電流轉(zhuǎn)換器以通過 LED 提供恒定電流。資料來源：德州儀器

參考電壓 （V REF ） 是通過使用 R1、R1B 和 VS1 的分壓器創(chuàng)建的。通過將檢測(cè)電阻器 R2 和 R3 兩端的電壓反饋回LM2904B-Q1雙路汽車運(yùn)算放大器的反相輸入來調(diào)節(jié)電流。公式 2 計(jì)算通過晶體管 T2 和 T3 的電流：

I1 LED = I2 LED = V REF /R2 = VS1/R2 × R1/（R1+R1B） （2）

其中 R2 等于 R3。

I1 LED1和 I2 LED取決于 R1、R1B、R2 和 R3 的電阻容差和溫度漂移系數(shù)。使用精密電阻（例如 0.1%）將最小化電阻容差和溫度漂移的影響；與基于分立晶體管的解決方案相比，它還將確保在工藝和溫度變化方面具有更好的電流匹配。由于 V REF設(shè)置電流（與基于分立晶體管的電路不同），因此可以通過增加 R1 和 R1B 的值來減少通過 R1 和 R1B 的電流，從而最大限度地減少功率損耗。

NPN V BE失配對(duì) LED 電流的影響

現(xiàn)在讓我們比較兩個(gè)電路之間不匹配組件特性的影響以及對(duì)溫度和電源的影響。

在以下情況下，NPN 晶體管的 V BE 可能與相同電流不匹配：

晶體管因制造批次、發(fā)射極面積或溫度而異。

放置晶體管的 PCB 上存在應(yīng)力。

NPN晶體管的基極電阻和基極電流不同。

V BE 中的不匹配會(huì)影響流經(jīng)每個(gè) LED 電流串的電流。

雙極晶體管的V BE電壓可以漂移–2 mV/°C。除了初始 V BE偏移電壓外，晶體管之間 10°C 的溫差會(huì)在 V BE中產(chǎn)生 20 mV 的差異。圖 3顯示了一個(gè)基于分立晶體管的電流平衡電路，其中包含兩個(gè)包含五個(gè) LED 的燈串。電源電壓 （VS1） 設(shè)置為 12 V。電阻器 R1 和 NPN 晶體管 T1 配置為二極管，在室溫下將 I REF至 T1設(shè)置為 20 mA。向電路添加電壓源 V F和 V BE_OFFSET分別代表 LED 正向壓降和晶體管V BE電壓的差異。優(yōu)選地，這些電壓源將不存在于電路中。

圖 3原理圖突出顯示了基于分立晶體管的電路的 V BE和 V F的影響。資料來源：德州儀器

圖 4說明了圖 3 中電路的 T2 和 T3 之間V BE電壓變化的影響。將 V BE_OFFSET從 –25 mV掃描到 25 mV 會(huì)導(dǎo)致 I2 LED電流分別從 31.5 mA 變化到 11.5 mA。在 V BE_OFFSET為 0 V 時(shí)，I1 LED和 I2 LED之間的失配與 20 mA 的設(shè)定電流有高達(dá) 57.5% 的不匹配。如公式 1 所示，通過 LED 的電流取決于 VT1 BE。因此，V BE中的任何不匹配都會(huì)導(dǎo)致 LED 串電流不匹配，包括初始偏移誤差和溫度變化。

圖 4顯示了基于分立晶體管的電路的 V BE電壓差的影響。資料來源：德州儀器

圖 5顯示了推薦的帶有運(yùn)算放大器和兩串五個(gè) LED 的電流平衡電路。原理圖中顯示的元件值在每條腿上產(chǎn)生 20 mA 的電流。為了公平比較，變量和掃描條件與圖 3 中的示意圖相同。

圖 5顯示了基于運(yùn)算放大器的電路的 V BE效應(yīng)。資料來源：德州儀器

圖 6顯示了圖 5 中電路的 T2 和 T3 之間V BE電壓變化的影響。從 –25 mV 到 25 mV掃描 V BE_OFFSET（T2 和 T3 晶體管的V BE電壓差）導(dǎo)致I2 LED電流的變化分別從 19.92101 mA 到 19.921024 mA。I1 LED和 I2 LED之間的 0.00004% 失配來自 V BE_OFFSET下 19.921017 mA 的設(shè)定電流與基于分立晶體管的電路相比，0 V 是一個(gè)顯著的改進(jìn)。誤差的減少是因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)使用運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路來確保檢測(cè)電阻器兩端的電壓恒定，以產(chǎn)生 20 mA 的電流。

圖 6顯示了基于運(yùn)算放大器的電路的 V BE電壓差的影響。資料來源：德州儀器

自發(fā)熱對(duì) LED 電流的影響

PCB 上的溫差和局部自發(fā)熱對(duì) LED 電流平衡電路有重大影響。用于仿真的分立晶體管和 LED 電路模型沒有模擬自熱效應(yīng)；因此，它的效果在模擬中是不可見的。

由于與熱源的距離不同，T2 和T3 晶體管之間的溫差會(huì)導(dǎo)致V BE的顯著差異。這種差異會(huì)在較熱的 LED 燈串中產(chǎn)生更多電流，從而導(dǎo)致額外的溫度升高（更高的功耗）和正反饋循環(huán)。如果這種熱正反饋不受控制，單個(gè) LED 燈串可能會(huì)消耗電源中的所有電流并損壞晶體管和 LED。如果單個(gè)電源為所有 LED 串供電，則設(shè)計(jì)人員必須考慮自熱。

基于運(yùn)算放大器的電路不受電流不平衡引起的任何自熱的影響，因?yàn)?R2 和 R3 兩端的電壓是經(jīng)過調(diào)節(jié)且恒定的。如果晶體管自熱導(dǎo)致 V BE漂移，則閉環(huán)配置會(huì)改變基極電壓（運(yùn)算放大器輸出）以驅(qū)動(dòng)晶體管并保持電流恒定。I2 和 I3 的漂移很小。但是，如果需要考慮失調(diào)電壓漂移，請(qǐng)考慮使用漂移較低的器件，例如OPA4991-Q1四路汽車運(yùn)算放大器。

電源變化對(duì) LED 電流的影響

圖 7 分別顯示了分立晶體管和基于運(yùn)算放大器的電路的 LED 電源電壓從 12 V 變?yōu)?14 V 的影響。分立晶體管電路的 I REF和運(yùn)算放大器電路的 V REF都取決于電源電壓。電源的變化按比例影響電流。兩種電路都隨著 LED 電源的變化而改變 LED 電流，但基于運(yùn)算放大器的解決方案的變化斜率較低。如果電源變化幅度很大，則基于分立晶體管的解決方案與初始電流的偏差最大。

圖 7比較顯示了兩個(gè)電路中電源變化的影響。資料來源：德州儀器

在圖 2 所示的電路中使用外部電壓基準(zhǔn)設(shè)置 I REF可能需要具有更高輸出電流的 V ref，但可以最大限度地減少電源變化的影響。圖 4 中的電路具有用于設(shè)置 V ref的低電流負(fù)載。

LED 正向壓降對(duì) LED 電流的影響

由于工藝變化或面積或溫度差異，單個(gè) LED 可能具有不同的正向壓降。這些差異將導(dǎo)致 LED 串之間的累積正向壓降差異。

圖 8顯示了仿真結(jié)果，將基于分立晶體管的電路和基于運(yùn)算放大器的電路與從 –1 V 掃描到 1 V的變量 V F進(jìn)行比較。這模擬了 LED 串 1 和 LED 串之間累積正向電壓的差異。 LED 串 2. 結(jié)果顯示，基于分立晶體管的電路中 LED 串電流的變化為 330 μA，而基于運(yùn)算放大器的電路的 LED 串電流保持相對(duì)恒定。

圖 8仿真結(jié)果比較了兩種電路中 LED 正向壓降的影響。資料來源：德州儀器

比較兩個(gè) LED 電流平衡電路——一個(gè)基于分立晶體管的電路和一個(gè)基于運(yùn)算放大器的電路——顯示了組件失配的影響以及對(duì)溫度和電源電壓的影響。如本文所示，基于運(yùn)算放大器的電路可根據(jù)工藝變化和溫度引起的V BE變化進(jìn)行調(diào)整，并且更不受電源和 LED 正向壓降變化的影響。

Sanjeev Manandhar 是德州儀器 （TI） 的系統(tǒng)工程師。

編輯：hfy