關(guān)叢榮，祝天岳，李雅斌，趙偉程

(1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

引言

大功率LED在傳統(tǒng)戶外照明、強(qiáng)光手電筒、汽車前燈、手機(jī)閃光燈等領(lǐng)域有著不俗的貢獻(xiàn)[1]。LED驅(qū)動(dòng)電源是將各種輸入形式電能轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)ED所需的高精度電流和電壓，是影響LED運(yùn)行可靠性的重要部件[2]。

LED核心結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，其伏安特性曲線呈指數(shù)關(guān)系，故LED兩端電壓微小變化會(huì)引起電流的大幅度變化[3]。相比于恒壓驅(qū)動(dòng)，恒流方式能夠避免驅(qū)動(dòng)電流超出最大額定值，還能夠確保LED達(dá)到預(yù)期亮度要求，并有效延長(zhǎng)其使用壽命[4，5]。

本文介紹基于LT3791的大功率LED驅(qū)動(dòng)電源工作原理，進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，基于LTspice進(jìn)行仿真研究，根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)需求。

1 工作原理

Linear Technology公司的LT3791芯片具有4.7～60 V的寬范圍輸入電壓，可以滿足大部分應(yīng)用要求。其輸出電流精度誤差不超過(guò)±6%，是非常理想的LED驅(qū)動(dòng)芯片?；贚T3791設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源采用四開(kāi)關(guān)單電感結(jié)構(gòu)，其簡(jiǎn)圖如圖1所示。它一種改進(jìn)型BUCK-BOOST結(jié)構(gòu)，允許輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓。該電路有降壓操作、升降壓操作和升壓操作三種模式。

圖1 輸出開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified diagram of the output switches

降壓操作波形如圖2所示，在這個(gè)模式中開(kāi)關(guān)M4總是導(dǎo)通的，開(kāi)關(guān)M3總是關(guān)斷的。在每次循環(huán)開(kāi)始時(shí)，同步開(kāi)關(guān)M2最先導(dǎo)通，同時(shí)開(kāi)始檢測(cè)電感電流。在檢測(cè)到電感電流下降到與成比例的參考電壓以下之后，同步開(kāi)關(guān)M2關(guān)斷，開(kāi)關(guān)M1在剩余的周期內(nèi)導(dǎo)通。

圖2 降壓操作(VIN>VOUT)Fig.2 Buck operation (VIN>VOUT)

當(dāng)VIN接近VOUT時(shí)，控制器處于Buck-Boost操作模式。圖3和圖4顯示了此操作中的典型波形。每次循環(huán)控制器首先控制開(kāi)關(guān)M2和M4導(dǎo)通，然后開(kāi)關(guān)M1和M4導(dǎo)通，180°后開(kāi)關(guān)M1和M3導(dǎo)通，然后開(kāi)關(guān)M1和M4在余下的周期內(nèi)導(dǎo)通。

圖3 升降壓操作(VIN≤VOUT)Fig.3 Buck-boost operation(VIN≤VOUT)

圖4 升降壓操作(VIN≥VOUT)Fig.4 Buck-boost(VIN≥VOUT)

典型升壓操作波形如圖5所示，在升壓操作過(guò)程中，開(kāi)關(guān)M1總是導(dǎo)通的，開(kāi)關(guān)M2總是關(guān)斷的。在每次循環(huán)中開(kāi)關(guān)M3最先導(dǎo)通，同時(shí)開(kāi)始檢測(cè)電感電流。當(dāng)檢測(cè)到的電感電流超過(guò)與Vc成比例的參考電壓后，開(kāi)關(guān)M3關(guān)斷，開(kāi)關(guān)M4在余下的周期內(nèi)導(dǎo)通。

圖5 升壓操作(VIN

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

本文驅(qū)動(dòng)電源輸入電壓為10～60 V，輸出電流為4 A，輸出電壓最大值為28 V。電路中關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算如下。

2.1 開(kāi)關(guān)頻率選擇

電路開(kāi)關(guān)頻率越高對(duì)元件尺寸要求就越小，同時(shí)頻率越高會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗和柵極驅(qū)動(dòng)電流，而且可能不支持過(guò)高或者過(guò)低的占空比操作。反之，開(kāi)關(guān)頻率越低系統(tǒng)性能越好，但是對(duì)元件尺寸要求就越大[7]。LT3791芯片頻率調(diào)節(jié)引腳為RT，它允許用戶通過(guò)改變RT與GND之間電阻的阻值來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，頻率范圍在200～700 kHz之間可優(yōu)化效率、性能或外部元件尺寸。RT引腳所接電阻阻值RT與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)頻率與RT阻值關(guān)系

考慮系統(tǒng)性能，本設(shè)計(jì)選擇開(kāi)關(guān)頻率為200 kHz，RT為147 kΩ。

2.2 電感計(jì)算

在圖1中電感L1的大小對(duì)電流紋波有直接影響，而電感值取決于輸入和輸出電壓、輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率以及最大電感電流紋波等因素，具體關(guān)系見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

式中，最低輸入電壓VIN(MIN)為10 V，最高輸入電壓VIN(MAX)為60 V，最大輸出電壓VOUT為28 V，輸出電流ILED為4 A，頻率f為200 kHz。

電感電流紋波的最大值ΔIL與升、降壓占空比有關(guān)，其關(guān)系如圖6所示。

圖6 IL與占空比關(guān)系Fig.6 The relation of IL and duty cycle

最大升壓占空比和最小降壓占空比的計(jì)算見(jiàn)式(3)和式(4)。

(3)

計(jì)算得Dmax為0.46，Dmin為0.53。由圖6取降壓和升壓最大電感電流紋波百分比為120和110代入式(1)和式(2)，計(jì)算得LBUCK>8.4 μH、LBOOST>2.4 μH。電感值應(yīng)大于兩者中的最大值，故取標(biāo)稱值10 μH。

2.3 電流采樣電阻計(jì)算

LT3791的SNSP引腳和SNSN引腳為電流采樣引腳，兩引腳間所接電阻即為采樣電阻RSENSE。采樣電阻需要根據(jù)輸出電流來(lái)選擇，升壓操作和降壓操作最大電流采樣電阻值計(jì)算見(jiàn)式(5)和式(6)。

(5)

計(jì)算得升壓操作中RSENSE(MAX)為0.0043 Ω，降壓操作中RSENSE(MAX)為0.0137 Ω，最終RSENSE應(yīng)小于二者的最大值，本設(shè)計(jì)中取RSENSE為0.004 Ω。

2.4 分壓電阻計(jì)算

通過(guò)LT3791芯片的OVLO引腳和EN/UVLO引腳之間的分壓電阻可設(shè)置輸入電壓范圍，本文輸入電壓為10～60 V計(jì)算分壓電阻阻值。分壓電阻設(shè)置具體電路如圖7所示。

圖7 分壓電阻設(shè)置Fig.7 Divider resistance set

低壓保護(hù)電壓UVLO和高壓保護(hù)電壓OVLO分別由圖7中R1、R2和R3、R4設(shè)定，具體關(guān)系見(jiàn)式(7)和式(8)。

(7)

取Vin(UVLO)為60 V，Vin(OVLO)為15 V，R1為332 kΩ，R3為449 kΩ，代入式(7)和式(8)，得R2為115 kΩ，R4為27.4 kΩ。

2.5 分流電阻計(jì)算

LT3791芯片的CTRL引腳為模擬調(diào)光引腳，如果不采用模擬調(diào)光方式調(diào)光，需將該引腳接至高于1.2 V電壓來(lái)保證LED電流正常輸出，即VCTRL應(yīng)大于1.2 V。當(dāng)VCTRL高于1.3 V時(shí)，輸出電流ILED與分流電阻RLED的關(guān)系見(jiàn)式(9)。

(9)

本設(shè)計(jì)中，輸出電流ILED為4 A，故RLED為0.025 Ω。

經(jīng)過(guò)上述主要參數(shù)的計(jì)算，根據(jù)LT3791數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的電路原理圖設(shè)計(jì)出大功率LED驅(qū)動(dòng)電源電路圖。

3 驅(qū)動(dòng)電源電路仿真實(shí)驗(yàn)

LTspice是Linear Technology公司提供的一款專門用于該公司驅(qū)動(dòng)芯片仿真的高性能軟件，非常適合LT3791相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、仿真及修改[8]。依據(jù)LT3791數(shù)據(jù)手冊(cè)和主要參數(shù)計(jì)算在LTspice中搭建驅(qū)動(dòng)電源仿真電路圖如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)電源仿真電路圖Fig.8 Driver simulation circuit diagram

3.1 PWM波調(diào)光仿真

圖9 占空比為0%仿真波形圖Fig.9 Simulation wave of duty cycle 0%

為實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)，輸入PWM波占空比不同對(duì)輸出電流應(yīng)該沒(méi)有影響。圖9、圖10和圖11分別為輸入電壓為24 V，輸入PWM波占空比為0%、50%、100%時(shí)仿真波形圖。

圖10 占空比為50%仿真波形圖Fig.10 Simulation wave of duty cycle 50%

圖11 占空比100%仿真波形圖Fig.11 Simulation wave of duty cycle 100%

仿真波形圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，左側(cè)縱坐標(biāo)為電壓，右側(cè)縱坐標(biāo)為電流。從圖中看出，驅(qū)動(dòng)電源輸入電壓保持24 V，改變輸入PWM波占空比，可以在保持輸出電流峰值4 A的前提下改變輸出電流的平均值，因此該驅(qū)動(dòng)電源在調(diào)整LED亮度時(shí)不會(huì)造成LED光衰。

3.2 升降壓仿真

本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源可實(shí)現(xiàn)升降壓操作，輸入PWM波占空比為50%，輸入電壓為15 V、28 V和40 V時(shí)仿真波形分別如圖12、圖13和圖14所示。

圖12 輸入電壓15 V仿真波形圖Fig.12 Simulation wave of 15 V input voltage

圖13 輸入電壓28 V仿真波形圖Fig.13 Simulation wave of 28 V input voltage

圖14 輸入電壓40 V仿真波形圖Fig.14 Simulation wave of 40 V input voltage

從圖中可看出，當(dāng)輸入電壓分別為15 V、28 V和40 V時(shí)，輸出電壓均為28 V，輸出電流均為4 A，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電源可以很好地完成升降壓操作。

3.3 效率測(cè)試

當(dāng)輸入電壓為24 V，輸入PWM波占空比為100%，仿真得到的輸入電流以及輸出電壓、電流如圖15所示。

圖15 效率測(cè)試仿真波形圖Fig.15 Simulation wave of efficiency test

由圖可知驅(qū)動(dòng)電源輸入電壓Ui為24 V，輸入電流Ii為4.9 A，輸出電壓Uo為28 V，輸出電流Io為4 A，根據(jù)式(10)可求得此時(shí)驅(qū)動(dòng)電源效率為95.2%。

(10)

輸入電壓從5～55 V范圍內(nèi)根據(jù)仿真電路測(cè)得的驅(qū)動(dòng)電源工作效率見(jiàn)表2。

表2 驅(qū)動(dòng)電源效率測(cè)試表

由表2可知，在不同輸入電壓下，驅(qū)動(dòng)電源的工作效率均高于93%，滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

大功率LED作為新一代光源必將取代傳統(tǒng)白熾燈、日光燈成為人們照明用具的主力軍，但大功率LED及其驅(qū)動(dòng)電源仍需要不斷改進(jìn)和完善。本文基于LT3791設(shè)計(jì)了一種支持10～60 V電壓輸入、4 A電流輸出的大功率LED驅(qū)動(dòng)電源電路，并在此基礎(chǔ)上基于LTspice仿真軟件進(jìn)行了PWM調(diào)光仿真、升降壓操作仿真以及工作效率仿真測(cè)試。分析仿真結(jié)果，該驅(qū)動(dòng)電源為恒流驅(qū)動(dòng)且支持PWM調(diào)光控制，工作效率高達(dá)93%，滿足設(shè)計(jì)需求。