在使用多個 LED 燈串的設計中，例如剎車燈、日間行車燈、尾燈和其他汽車照明應用，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。晶體管基極-發射極電壓 （V BE ）不匹配、LED 正向壓降和溫度變化會導致 LED 亮度不匹配。本文比較了基于運算放大器 （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） 和一個電阻器 （R1） 和配置為二極管的雙極 NPN 晶體管 （T1） 來設置參考電流 （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 的基極到發射極電壓。對于相同的給定電流，該電壓會隨著工藝和溫度的變化而發生很大變化。在這個電路中，有三個電流腿，其中只有兩個通過 LED 燈串。電源必須提供T1 汲取的電流以設置I REF。該電流由 T1 汲取，可能達到數毫安，從而導致功率損耗。

圖 2顯示了基于運算放大器的 LED 電流平衡電路的簡化原理圖。

圖 2基于運算放大器的電流平衡電路使用高側電壓到電流轉換器以通過 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 的分壓器創建的。通過將檢測電阻器 R2 和 R3 兩端的電壓反饋回LM2904B-Q1雙路汽車運算放大器的反相輸入來調節電流。公式 2 計算通過晶體管 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。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 LED 電流的影響

現在讓我們比較兩個電路之間不匹配組件特性的影響以及對溫度和電源的影響。

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、發射極面積或溫度而異。

放置晶體管的 PCB 上存在應力。

NPN晶體管的基極電阻和基極電流不同。

V BE 中的不匹配會影響流經每個 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 的溫差會在 V BE中產生 20 mV 的差異。圖 3顯示了一個基于分立晶體管的電流平衡電路，其中包含兩個包含五個 LED 的燈串。電源電壓 （VS1） 設置為 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 會導致 I2 LED電流分別從 31.5 mA 變化到 11.5 mA。在 V BE_OFFSET為 0 V 時，I1 LED和 I2 LED之間的失配與 20 mA 的設定電流有高達 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導致 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算放大器和兩串五個 LED 的電流平衡電路。原理圖中顯示的元件值在每條腿上產生 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顯示了基于運算放大器的電路的 V BE效應。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 的設定電流與基于分立晶體管的電路相比，0 V 是一個顯著的改進。誤差的減少是因為該設計使用運算放大器的反饋環路來確保檢測電阻器兩端的電壓恒定，以產生 20 mA 的電流。

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

自發熱對 LED 電流的影響

PCB 上的溫差和局部自發熱對 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；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導致V BE的顯著差異。這種差異會在較熱的 LED 燈串中產生更多電流，從而導致額外的溫度升高（更高的功耗）和正反饋循環。如果這種熱正反饋不受控制，單個 LED 燈串可能會消耗電源中的所有電流并損壞晶體管和 LED。如果單個電源為所有 LED 串供電，則設計人員必須考慮自熱。

基于運算放大器的電路不受電流不平衡引起的任何自熱的影響，因為 R2 和 R3 兩端的電壓是經過調節且恒定的。如果晶體管自熱導致 V BE漂移，則閉環配置會改變基極電壓（運算放大器輸出）以驅動晶體管并保持電流恒定。I2 和 I3 的漂移很小。但是，如果需要考慮失調電壓漂移，請考慮使用漂移較低的器件，例如OPA4991-Q1四路汽車運算放大器。

電源變化對 LED 電流的影響

圖 7 分別顯示了分立晶體管和基于運算放大器的電路的 LED 電源電壓從 12 V 變為 14 V 的影響。分立晶體管電路的 I REF和運算放大器電路的 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設置 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置 V ref的低電流負載。

LED 正向壓降對 LED 電流的影響

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

圖 8顯示了仿真結果，將基于分立晶體管的電路和基于運算放大器的電路與從 –1 V 掃描到 1 V的變量 V F進行比較。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，而基于運算放大器的電路的 LED 串電流保持相對恒定。

圖 8仿真結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 LED 電流平衡電路——一個基于分立晶體管的電路和一個基于運算放大器的電路——顯示了組件失配的影響以及對溫度和電源電壓的影響。如本文所示，基于運算放大器的電路可根據工藝變化和溫度引起的V BE變化進行調整，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） 的系統工程師。

編輯：hfy