Analyse von LED-Serien- und Paralleltreiberschaltungen

In LED-BeleuchtungAufgrund des Designs bestimmt die Wahl der Treiberschaltung direkt die Gleichmäßigkeit der Helligkeit, die Betriebsstabilität und die Gesamtlebensdauer. Reihen- und Parallelkonfigurationen sind die beiden grundlegendsten Ansätze zur Ansteuerung von LEDs. Obwohl ihre Prinzipien einfach erscheinen mögen, bringt jedes einzelne seine eigenen Vorteile und Einschränkungen mit sich. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen LED-Serien und Parallelschaltungen untersuchtTreiberschaltungen aus drei Perspektiven-Arbeitsprinzipien, Schlüsselmerkmale und Designherausforderungen-und bieten Ingenieuren klare Orientierungshilfen für die Auswahl.

1. Konfiguration der LED-Serie

Bei einer Reihenschaltung ist die Anzahl der LEDs durch die maximale Ausgangsspannung des Treibers begrenzt. Wenn die maximale Spannung beispielsweise 40 V beträgt, hängt die Anzahl der LEDs, die in Reihe geschaltet werden können, von der Durchlassspannung jeder weißen LED ab. Dies ermöglicht in der Regel die Ansteuerung von etwa 10 bis 13 weißen LEDs in Reihe.

Der Antriebsstrom liegt im Dauerbetrieb üblicherweise zwischen 10 mA und 350 mA. Ein wesentlicher Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass alle LEDs in der Reihenkette denselben Strom teilen, sodass die gesamte Kette über einen einzigen Strompfad mit Strom versorgt werden kann.

Nachteile

Wenn der Platz auf der Leiterplatte begrenzt ist-besonders bei Hochleistungsdesigns-kann die Stromdichte in den Kupferleiterbahnen zu einem kritischen Problem werden. Fällt zudem eine einzelne weiße LED in einem Reihenstrang aus, erlöschen alle LEDs.

Aus gestalterischer Sicht muss die Versorgungsspannung auf n × VF erhöht werden, wenn n weiße LEDs in Reihe geschaltet sind. Dies erfordert eine Boost-({1}}Up-)Konvertertopologie. Durch die Verwendung einer Induktivität kann der Stromanstieg genau gesteuert werden, was dazu beiträgt, unkontrollierte Übergangsströme zu begrenzen und EMI zu reduzieren. Eine typische Boost-Topologie ist in Abbildung 1 dargestellt.

2. LED-Parallelkonfiguration

In einer Parallelkonfiguration ist die Anzahl der weißen LEDs in einem bestimmten Array durch die Gehäusekapazität des Treibers und die verfügbaren Anschlussstifte begrenzt. Darüber hinaus muss jede LED einzeln stromgesteuert-werden, um eine ordnungsgemäße Stromanpassung im gesamten Array sicherzustellen, was für eine konsistente Leistung in bestimmten Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

In der Praxis kann eine Stromabweichung von mehr als 10 % zwischen zwei weißen LEDs die Bildqualität eines Farb-LCD merklich verschlechtern, wenn die LEDs als Hintergrundbeleuchtungsquelle verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil der Parallelkonfiguration besteht darin, dass sie die Ladungspumpentechnologie nutzen kann. Mittels zweier Keramikkondensatoren kann Energie von der Batterie auf das weiße LED-Array übertragen werden. Ein Blockdiagramm eines LED-Treibers auf Ladungspumpenbasis ist in Abbildung 2 dargestellt. Mit optimiertem Stromquellendesign kann dieser Treibertyp den LED-Strom unabhängig von Schwankungen der Vorwärtsspannung und der Eingangsversorgung regulieren und so eine stabile und gleichmäßige Beleuchtung gewährleisten.

3. Vergleich von LED-Serien- und Paralleltreiberschaltungen

Für das Design von LED-Treibern werden typischerweise zwei Haupttopologien in Betracht gezogen: Aufwärtswandler und Ladungspumpen. Der Schlüssel zur Auswahl liegt in der Bewertung aller relevanten Designfaktoren für eine bestimmte Anwendung.

Ein wichtiger Parameter bei weißen LED-Treibern auf Ladungspumpenbasis ist das Rauschen. Da Kondensatoren kontinuierlich geladen und entladen werden, neigen Ladungspumpen dazu, große Stromspitzen zu erzeugen, die zu Störungen im System führen können. Um diesen Effekt abzuschwächen, ist eine leistungsstarke -Eingabefilterung erforderlich.

Im Gegensatz dazu können induktivitätsbasierte Aufwärtswandler aufgrund des Vorhandenseins von Induktivitäten elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen. In vielen Fällen kann die Anpassung der Schaltfrequenz dazu beitragen, Störungen zu reduzieren, obwohl die optimale Frequenz von den Betriebsbedingungen des Wandlers abhängt.

Abschluss

Es gibt keine absolut „bessere“ Wahl zwischen Serien- und Parallelkonfigurationen-Die optimale Lösung hängt von der spezifischen Anwendung und den Designanforderungen ab.

Serienkonfigurationen zeichnen sich durch Stromkonsistenz und EMI-Kontrollierbarkeit aus und eignen sich daher gut-für Beleuchtungsanwendungen mittlerer{1}} bis hoher-Leistung, die eine hohe Gleichmäßigkeit erfordern. Parallele Konfigurationen hingegen bieten Vorteile wie Niederspannungsbetrieb, bessere Fehlertoleranz und kompakte Größe, wodurch sie besser für Unterhaltungselektronik und tragbare Geräte geeignet sind.

Ein klares Verständnis der Kernmerkmale beider Topologien-in Kombination mit praktischen technischen Einschränkungen-ermöglicht es Designern, qualitativ hochwertige-Produkte zu entwickeln, die das richtige Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten finden.