LED串联并联设计及不同拓扑结构的优劣比较

在设计LED电路时，经常会遇到需要同时点亮许多个LED的情况。由于成本以及条件的限制，往往需要一个驱动电源来驱动好多个LED。本文主要讲解LED串联并联设计，以及不同拓扑结构的优劣比较。

串联LED

最简单的LED串联电路：使用恒流源作为电源。如图1，四个LED串联在一个150mA的恒流源上。选择恒流源而非恒压源的原因，请参看文章《还嫌LED驱动设计套路深？那就来看看这篇文章吧》。这种方案的优点是：LED电流精准， LED发光相对比较均匀。其缺点是：驱动的LED数量有限。一个LED驱动器驱动一串LED是比较可靠安全的连接方式。任何一个LED短路，其余LED的电流依旧保持不变。任何一个LED断路，整个回路断路。

图1，LED串联

并联LED

如图2，八个LED分两串并联在300mA的恒流源上。该方案优点：可驱动的LED数量增多。其缺点：每条支路的电流不平衡。当LED失效时，并联LED的方式存在着安全隐患。如果任何一个LED断路，那么本应流经该支路的150mA电流将被分到其他支路上去。图2所示的两条支路的情况下，一条支路断路，另一条支路将要承受两倍的电流。这会使另一条支路因过大的电流迅速失效。如果任何一个LED短路。这会导致每条LED的电流分配不均匀。电流会流向LED少的那条支路，随后发生的多米偌骨牌效应最终会使整个LED装置失效。

图2，LED并联（理想情况）

刚刚分析了短路、断路的故障情况。实际上并联LED正常使用时也存在着电流不平衡的问题。图2为理想的情况下的电流分配。实际应用上不同LED灯前向电压或多或少存在着差异。LED驱动器提供的电压相当于每条LED支路上前向电压总和的平均值。这个电压可能对某些支路太高，同时对另一些支路太少。每条支路电压需求的差异最终导致实际分配到每条支路的电流不一致。电流会倾向于流向LED前向电压总和比较低的支路。

图3，LED并联（实际情况）

有多种方法可以解决电流不对称问题。可以多加几个LED驱动器退回到串联模式，也可以多加一些外部电路来保持电流平衡。这里举一个使用镜像电流源的方法来使两条支路的电流平衡相等。

图4，镜像电流源平均分配电流

如图4，当某个LED短路时，因为两条支路的电流是镜像的，两条支路电流依旧平衡。当下面支路有LED断路时该支路电流为0，上面支路受到镜像电流源的保护电流也为0。当然当上面支路发生断路时，就没法实现保护了。解决方案可以在该支路上加一些限流保护的措施。

网络阵列

网络阵列的容错率相对较高，但由此同时也会带来LED发光不均匀的问题。如图5，当某一个LED灯短路时，同一行的LED灯不会失效，同一列的LED不再发光。当某一个LED断路时，同一行的LED不失效，同一列的LED面临过载的压力。网络阵列中的每个LED的电压相当于各列LED前向电压的平均值。每个LED承受的电压不一致导致整个LED组发光不是很均匀，个别LED可能会过热缩短寿命。

图5，LED网络阵列

LED设计实例

下面是一个简单的LED设计实例，使用的是两串LED并联的结构，并使用镜像电流源使两条支路电流平衡。前置一个AC/DC把220V转换成低压直流。选用Recom LIGHTLINE RCD-24系列作为LED驱动器。镜像电流源加1欧姆电阻接地，有利于减小两个三极管Vbe的差异对两条LED支流电流的影响。

图6，LED设计实例

总结

下表对各种拓扑结构LED电路的比较，借此做一个总结。了解了这些拓扑结构各自的优劣，你就可以通过设计优化，让最终的应用方案日趋“完美”。

参考文献

1. RECOM DC/DC转换器知识手册及实用技巧及用户实用技巧，Recom Steve Roberts

2. 驱动led阵列的电源及拓扑解决方案，Bill Schweber