基于分立晶體管的電流平衡電路因其電路簡(jiǎn)單、元件數(shù)量少而得到廣泛應(yīng)用，但也存在一些性能缺點(diǎn)。晶體管基極-發(fā)射極電壓 (V BE )、LED 正向壓降和溫度變化的不匹配可能會(huì)導(dǎo)致 LED 亮度不匹配。本文將基于運(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)性能進(jìn)行了比較。
　　圖 1顯示了基于分立晶體管的 LED 電流平衡電路的簡(jiǎn)化原理圖。　　運(yùn)算放大器增強(qiáng)汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 1這是基于分立晶體管的電流平衡電路的外觀。資料德州儀器
　　圖 1 中的電路使用固定電壓 (VS1)、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 顯示了流過晶體管的電流。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-發(fā)射極電壓。對(duì)于相同的給定電流，該電壓可能會(huì)隨著工藝和溫度的變化而發(fā)生很大變化。在該電路中，存在三個(gè)電流臂，其中只有兩個(gè)電流流過 LED 燈串。電源必須提供 T1 汲取的電流來設(shè)置 I REF。 T1 汲取的電流可能達(dá)到數(shù)毫安，因此會(huì)造成功率損耗。

　　圖 2顯示了基于運(yùn)算放大器的 LED 電流平衡電路的簡(jiǎn)化原理圖。
　　運(yùn)算放大器增強(qiáng)汽車 LED 燈串電流平衡
　　圖 2基于運(yùn)算放大器的電流平衡電路使用電流轉(zhuǎn)換器的高側(cè)電壓來為 LED 提供恒定電流。資料德州儀器
　　參考電壓 (V REF ) 由使用 R1、R1B 和 VS1 的分壓器創(chuàng)建。通過將檢測(cè)電阻器 R2 和 R3 兩端的電壓反饋回LM2904B-Q1雙汽車運(yùn)算放大器的反相輸入來調(diào)節(jié)電流。公式 2 計(jì)算流過晶體管 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%）將最大限度地減少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，它還可以確保更好的電流匹配工藝和溫度變化。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??減少流過 R1 和 R1B 的電流，從而最大限度地減少功率損耗。
　　NPN V BE不匹配對(duì) LED 電流的影響
　　現(xiàn)在讓我們比較兩個(gè)電路之間不匹配的元件特性的影響以及溫度和電源的影響。
　　如果出現(xiàn)以下情況，相同電流下的 NPN 晶體管 V BE可能會(huì)出現(xiàn)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的不匹配會(huì)影響流經(jīng)每個(gè) LED 電流串的電流?！　‰p極晶體管的 V BE電壓可能會(huì)漂移 –2 mV/°C。除了初始 V BE偏移電壓之外，晶體管之間 10°C 的溫差還會(huì)在 V BE中產(chǎn)生 20mV 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 配置為二極管組 I REF通過 T1 在室溫下為 20 mA。將電壓源 V F和 V BE_OFFSET添加到電路中分別表示 LED 正向壓降和晶體管的V BE電壓的差異。優(yōu)選地，這些電壓源不會(huì)出現(xiàn)在電路中?！　∵\(yùn)算放大器增強(qiáng)汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 3該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。資料德州儀器
　　圖 4說明了圖 3 電路中 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。當(dāng) V BE_OFFSET為 0 V 時(shí)，I1 LED和 I2 LED與 20 mA 的設(shè)定電流之間存在高達(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?！　∵\(yùn)算放大器增強(qiáng)汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 4顯示了基于分立晶體管的電路的 V BE電壓差的影響。資料德州儀器
　　圖 5顯示了推薦的電流平衡電路，其中包含運(yùn)算放大器和兩串 5 個(gè) LED。原理圖中顯示的元件值在每個(gè)支路中產(chǎn)生 20 mA 的電流。為了進(jìn)行公平比較，變量和掃描條件與圖 3 中的原理圖相同?！　∵\(yùn)算放大器增強(qiáng)汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 5顯示了基于運(yùn)算放大器的電路的 V BE影響。資料德州儀器
　　圖 6顯示了圖 5 中電路的 T2 和 T3 之間的V BE電壓變化的影響。將 V BE_OFFSET（即 T2 和 T3 晶體管的 V BE電壓差）從 –25 mV 掃描到 25 mV 會(huì)導(dǎo)致I2 LED電流的變化范圍分別為 19.92101 mA 至 19.921024 mA。與基于分立晶體管的電路相比，在 V BE_OFFSET為 0 V 時(shí)，I1 LED和 I2 LED之間的 0.00004% 失配（設(shè)定電流為 19.921017 mA）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，以生成 20 mA 的電流。　　運(yùn)算放大器增強(qiáng)汽車 LED 燈串電流平衡

　　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。資料德州儀器
　　自熱對(duì) LED 電流的影響
　　PCB 上的溫差和局部自熱對(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 電路模型并未對(duì)自熱效應(yīng)進(jìn)行建模；因此，其效果在模擬中不可見。
　　由于距熱源的距離不同而導(dǎo)致 T2 和 T3 晶體管之間的溫差可能導(dǎo)致 V BE出現(xiàn)顯著差異。這種差異將導(dǎo)致較熱的 LED 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）和正反饋周期。如果這種熱正反饋不受控制，單個(gè) LED 燈串可能會(huì)消耗所有電源電流并損壞晶體管和 LED。如果單一電源為所有 LED 燈串供電，設(shè)計(jì)人員必須考慮自熱問題。
　　基于運(yùn)算放大器的電路不會(huì)受到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，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 的漂移極小。但是，如果需要考慮失調(diào)電壓漂移，請(qǐng)考慮使用較低漂移的器件，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顯示了 LED 電源電壓從 12V 變化到 14V 分別對(duì)分立晶體管和基于運(yùn)算放大器的電路的影響。分立晶體管電路的I REF和運(yùn)算放大器電路的 V REF均取決于電源電壓。電源的變化會(huì)成比例地影響電流。兩種電路的 LED 電流都會(huì)隨 LED 電源的變化而變化，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將最大?！　∵\(yùn)算放大器增強(qiáng)汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 7比較顯示了兩個(gè)電路中電源變化的影響。資料德州儀器
　　在圖 2 所示的電路中使用外部參考電壓來設(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 中的電路有一個(gè)低電流負(fù)載來設(shè)置 V ref。
　　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，各個(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顯示了將基于分立晶體管的電路和基于運(yùn)算放大器的電路與變量 V F（從 –1V 掃描到 1V）進(jìn)行比較的仿真結(jié)果。這模擬了 LED 串 1 和 LED 串 1 之間的累積正向電壓之間的差異。 LED 燈串 2。結(jié)果顯示，在基于分立晶體管的電路中，LED 燈串電流變化為 330μA，而在基于運(yùn)算放大器的電路中，LED 燈串電流保持相對(duì)恒定?！　∵\(yùn)算放大器增強(qiáng)汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 8仿真結(jié)果比較了兩個(gè)電路中 LED 正向壓降的影響。資料德州儀器
　　比較兩種 LED 電流平衡電路（基于分立晶體管的電路和基于運(yùn)算放大器的電路），顯示組件失配的影響以及溫度和電源電壓的影響。如本文所示，基于運(yùn)算放大器的電路可適應(yīng)由工藝變化和溫度引起的 V BE變化，并且更不受電源和 LED 正向壓降變化的影響。