基于LT3791的大功率LED驱动电源的仿真设计

关丛荣，祝天岳，李雅斌，赵伟程

(1.北方工业大学，北京 100144；2.中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094)

引言

大功率LED在传统户外照明、强光手电筒、汽车前灯、手机闪光灯等领域有着不俗的贡献[1]。LED驱动电源是将各种输入形式电能转化为LED所需的高精度电流和电压，是影响LED运行可靠性的重要部件[2]。

LED核心结构是PN结，其伏安特性曲线呈指数关系，故LED两端电压微小变化会引起电流的大幅度变化[3]。相比于恒压驱动，恒流方式能够避免驱动电流超出最大额定值，还能够确保LED达到预期亮度要求，并有效延长其使用寿命[4，5]。

本文介绍基于LT3791的大功率LED驱动电源工作原理，进行关键参数设计，基于LTspice进行仿真研究，根据仿真结果验证驱动电源电路设计是否满足设计需求。

1 工作原理

Linear Technology公司的LT3791芯片具有4.7～60 V的宽范围输入电压，可以满足大部分应用要求。其输出电流精度误差不超过±6%，是非常理想的LED驱动芯片。基于LT3791设计的驱动电源采用四开关单电感结构，其简图如图1所示。它一种改进型BUCK-BOOST结构，允许输入电压高于、低于或等于输出电压。该电路有降压操作、升降压操作和升压操作三种模式。

图1 输出开关简图Fig.1 Simplified diagram of the output switches

降压操作波形如图2所示，在这个模式中开关M4总是导通的，开关M3总是关断的。在每次循环开始时，同步开关M2最先导通，同时开始检测电感电流。在检测到电感电流下降到与成比例的参考电压以下之后，同步开关M2关断，开关M1在剩余的周期内导通。

图2 降压操作(VIN>VOUT)Fig.2 Buck operation (VIN>VOUT)

当VIN接近VOUT时，控制器处于Buck-Boost操作模式。图3和图4显示了此操作中的典型波形。每次循环控制器首先控制开关M2和M4导通，然后开关M1和M4导通，180°后开关M1和M3导通，然后开关M1和M4在余下的周期内导通。

图3 升降压操作(VIN≤VOUT)Fig.3 Buck-boost operation(VIN≤VOUT)

图4 升降压操作(VIN≥VOUT)Fig.4 Buck-boost(VIN≥VOUT)

典型升压操作波形如图5所示，在升压操作过程中，开关M1总是导通的，开关M2总是关断的。在每次循环中开关M3最先导通，同时开始检测电感电流。当检测到的电感电流超过与Vc成比例的参考电压后，开关M3关断，开关M4在余下的周期内导通。

图5 升压操作(VIN

2 关键参数设计

本文驱动电源输入电压为10～60 V，输出电流为4 A，输出电压最大值为28 V。电路中关键参数计算如下。

2.1 开关频率选择

电路开关频率越高对元件尺寸要求就越小，同时频率越高会增加开关损耗和栅极驱动电流，而且可能不支持过高或者过低的占空比操作。反之，开关频率越低系统性能越好，但是对元件尺寸要求就越大[7]。LT3791芯片频率调节引脚为RT，它允许用户通过改变RT与GND之间电阻的阻值来设置开关频率，频率范围在200～700 kHz之间可优化效率、性能或外部元件尺寸。RT引脚所接电阻阻值RT与开关频率的关系如表1所示。

表1 开关频率与RT阻值关系

考虑系统性能，本设计选择开关频率为200 kHz，RT为147 kΩ。

2.2 电感计算

在图1中电感L1的大小对电流纹波有直接影响，而电感值取决于输入和输出电压、输出电流、开关频率以及最大电感电流纹波等因素，具体关系见式(1)和式(2)。

(1)

式中，最低输入电压VIN(MIN)为10 V，最高输入电压VIN(MAX)为60 V，最大输出电压VOUT为28 V，输出电流ILED为4 A，频率f为200 kHz。

电感电流纹波的最大值ΔIL与升、降压占空比有关，其关系如图6所示。

图6 IL与占空比关系Fig.6 The relation of IL and duty cycle

最大升压占空比和最小降压占空比的计算见式(3)和式(4)。

(3)

计算得Dmax为0.46，Dmin为0.53。由图6取降压和升压最大电感电流纹波百分比为120和110代入式(1)和式(2)，计算得LBUCK>8.4 μH、LBOOST>2.4 μH。电感值应大于两者中的最大值，故取标称值10 μH。

2.3 电流采样电阻计算

LT3791的SNSP引脚和SNSN引脚为电流采样引脚，两引脚间所接电阻即为采样电阻RSENSE。采样电阻需要根据输出电流来选择，升压操作和降压操作最大电流采样电阻值计算见式(5)和式(6)。

(5)

计算得升压操作中RSENSE(MAX)为0.0043 Ω，降压操作中RSENSE(MAX)为0.0137 Ω，最终RSENSE应小于二者的最大值，本设计中取RSENSE为0.004 Ω。

2.4 分压电阻计算

通过LT3791芯片的OVLO引脚和EN/UVLO引脚之间的分压电阻可设置输入电压范围，本文输入电压为10～60 V计算分压电阻阻值。分压电阻设置具体电路如图7所示。

图7 分压电阻设置Fig.7 Divider resistance set

低压保护电压UVLO和高压保护电压OVLO分别由图7中R1、R2和R3、R4设定，具体关系见式(7)和式(8)。

(7)

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

2.5 分流电阻计算

LT3791芯片的CTRL引脚为模拟调光引脚，如果不采用模拟调光方式调光，需将该引脚接至高于1.2 V电压来保证LED电流正常输出，即VCTRL应大于1.2 V。当VCTRL高于1.3 V时，输出电流ILED与分流电阻RLED的关系见式(9)。

(9)

本设计中，输出电流ILED为4 A，故RLED为0.025 Ω。

经过上述主要参数的计算，根据LT3791数据手册提供的电路原理图设计出大功率LED驱动电源电路图。

3 驱动电源电路仿真实验

LTspice是Linear Technology公司提供的一款专门用于该公司驱动芯片仿真的高性能软件，非常适合LT3791相关驱动电路设计、仿真及修改[8]。依据LT3791数据手册和主要参数计算在LTspice中搭建驱动电源仿真电路图如图8所示。

图8 驱动电源仿真电路图Fig.8 Driver simulation circuit diagram

3.1 PWM波调光仿真

图9 占空比为0%仿真波形图Fig.9 Simulation wave of duty cycle 0%

为实现恒流驱动，输入PWM波占空比不同对输出电流应该没有影响。图9、图10和图11分别为输入电压为24 V，输入PWM波占空比为0%、50%、100%时仿真波形图。

图10 占空比为50%仿真波形图Fig.10 Simulation wave of duty cycle 50%

图11 占空比100%仿真波形图Fig.11 Simulation wave of duty cycle 100%

仿真波形图中横坐标为时间，左侧纵坐标为电压，右侧纵坐标为电流。从图中看出，驱动电源输入电压保持24 V，改变输入PWM波占空比，可以在保持输出电流峰值4 A的前提下改变输出电流的平均值，因此该驱动电源在调整LED亮度时不会造成LED光衰。

3.2 升降压仿真

本文设计的驱动电源可实现升降压操作，输入PWM波占空比为50%，输入电压为15 V、28 V和40 V时仿真波形分别如图12、图13和图14所示。

图12 输入电压15 V仿真波形图Fig.12 Simulation wave of 15 V input voltage

图13 输入电压28 V仿真波形图Fig.13 Simulation wave of 28 V input voltage

图14 输入电压40 V仿真波形图Fig.14 Simulation wave of 40 V input voltage

从图中可看出，当输入电压分别为15 V、28 V和40 V时，输出电压均为28 V，输出电流均为4 A，说明驱动电源可以很好地完成升降压操作。

3.3 效率测试

当输入电压为24 V，输入PWM波占空比为100%，仿真得到的输入电流以及输出电压、电流如图15所示。

图15 效率测试仿真波形图Fig.15 Simulation wave of efficiency test

由图可知驱动电源输入电压Ui为24 V，输入电流Ii为4.9 A，输出电压Uo为28 V，输出电流Io为4 A，根据式(10)可求得此时驱动电源效率为95.2%。

(10)

输入电压从5～55 V范围内根据仿真电路测得的驱动电源工作效率见表2。

表2 驱动电源效率测试表

由表2可知，在不同输入电压下，驱动电源的工作效率均高于93%，满足设计需求。

4 结论

大功率LED作为新一代光源必将取代传统白炽灯、日光灯成为人们照明用具的主力军，但大功率LED及其驱动电源仍需要不断改进和完善。本文基于LT3791设计了一种支持10～60 V电压输入、4 A电流输出的大功率LED驱动电源电路，并在此基础上基于LTspice仿真软件进行了PWM调光仿真、升降压操作仿真以及工作效率仿真测试。分析仿真结果，该驱动电源为恒流驱动且支持PWM调光控制，工作效率高达93%，满足设计需求。