基于分立晶體管的電流平衡電路因其電路簡單、元件數(shù)量少而得到廣泛應(yīng)用，但也存在一些性能缺點。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導致 LED 亮度不匹配。本文將基于運算放大器 (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(shù)性能進行了比較。
　　圖 1顯示了基于分立晶體管的 LED 電流平衡電路的簡化原理圖?！　∵\算放大器增強汽車 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。對于相同的給定電流，該電壓可能會隨著工藝和溫度的變化而發(fā)生很大變化。在該電路中，存在三個電流臂，其中只有兩個電流流過 LED 燈串。電源必須提供 T1 汲取的電流來設(shè)置 I REF。 T1 汲取的電流可能達到數(shù)毫安，因此會造成功率損耗。

　　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。
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　　圖 2基于運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。通過將檢測電阻器 R2 和 R3 兩端的電壓反饋回LM2904B-Q1雙汽車運算放大器的反相輸入來調(diào)節(jié)電流。公式 2 計算流過晶體管 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 LED 電流的影響
　　現(xiàn)在讓我們比較兩個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的不匹配會影響流經(jīng)每個 LED 電流串的電流?！　‰p極晶體管的 V BE電壓可能會漂移 –2 mV/°C。除了初始 V BE偏移電壓之外，晶體管之間 10°C 的溫差還會在 V BE中產(chǎn)生 20mV 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(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，這些電壓源不會出現(xiàn)在電路中?！　∵\算放大器增強汽車 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 會導致 I2 LED電流分別從 31.5 mA 變化到 11.5 mA。當 V BE_OFFSET為 0 V 時，I1 LED和 I2 LED與 20 mA 的設(shè)定電流之間存在高達 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。　　運算放大器增強汽車 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，其中包含運算放大器和兩串 5 個 LED。原理圖中顯示的元件值在每個支路中產(chǎn)生 20 mA 的電流。為了進行公平比較，變量和掃描條件與圖 3 中的原理圖相同?！　∵\算放大器增強汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 5顯示了基于運算放大器的電路的 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 會導致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，I1 LED和 I2 LED之間的 0.00004% 失配（設(shè)定電流為 19.921017 mA）是一個顯著的改進。誤差的減少是因為該設(shè)計使用運算放大器的反饋環(huán)路來確保檢測電阻器兩端的電壓恒定，以生成 20 mA 的電流?！　∵\算放大器增強汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 6顯示了基于運算放大器的電路的 V BE電壓差的影響。資料德州儀器
　　自熱對 LED 電流的影響
　　PCB 上的溫差和局部自熱對 LED 電流平衡電路有重大影響。用于仿真的分立晶體管和 LED 電路模型并未對自熱效應(yīng)進行建模；因此，其效果在模擬中不可見。
　　由于距熱源的距離不同而導致 T2 和 T3 晶體管之間的溫差可能導致 V BE出現(xiàn)顯著差異。這種差異將導致較熱的 LED 串中產(chǎn)生更多電流，從而導致額外的溫度升高（更高的功耗）和正反饋周期。如果這種熱正反饋不受控制，單個 LED 燈串可能會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)計人員必須考慮自熱問題。
　　基于運算放大器的電路不會受到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(jīng)過調(diào)節(jié)且恒定的。如果晶體管自熱導致 V BE漂移，閉環(huán)配置會改變基極電壓（運算放大器輸出）以驅(qū)動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，請考慮使用較低漂移的器件，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顯示了 LED 電源電壓從 12V 變化到 14V 分別對分立晶體管和基于運算放大器的電路的影響。分立晶體管電路的I REF和運算放大器電路的 V REF均取決于電源電壓。電源的變化會成比例地影響電流。兩種電路的 LED 電流都會隨 LED 電源的變化而變化，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將最大?！　∵\算放大器增強汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 7比較顯示了兩個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 中的電路有一個低電流負載來設(shè)置 V ref。
　　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，各個 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顯示了將基于分立晶體管的電路和基于運算放大器的電路與變量 V F（從 –1V 掃描到 1V）進行比較的仿真結(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，而在基于運算放大器的電路中，LED 燈串電流保持相對恒定。　　運算放大器增強汽車 LED 燈串電流平衡

　　圖 8仿真結(jié)果比較了兩個電路中 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。