基于LT3964的LED驱动电路的仿真与实验研究

易美佳，李逍遥，金 叶，魏 强

(重庆理工大学理学院，重庆 400054)

引言

LED(light emitting diode )灯具与传统照明灯具相比，具有效率高、寿命长、发热少、开启速度快等优点[1]，在人类生产生活中的使用越来越多，我国现已成为全球LED光源最主要的生产大国之一[2]。驱动电源的性能会直接影响LED的使用性能和寿命[3]，因此提高LED驱动电源性能是提高LED普及率的关键因素之一[4]。

亚德诺半导体公司 (Analog Devices, Inc.，简称ADI)推出的LT3964是一款体积小、高性能的双同步降压驱动芯片，是驱动LED的理想选择，但目前关于LT3964的应用资料还很少。本文基于LT3964芯片设计了一款LED驱动电路，对电路工作原理做了详细介绍。在此基础上利用LTspice软件对电路进行了仿真，并利用Altium Designer 软件绘制PCB板及制作了驱动板实物，对仿真结果进行了实验验证。实验结果满足设计需求，可为相关技术人员提供参考。

1 电路设计

基于LT3964的LED驱动电路如图 1所示。

图1 驱动电源仿真电路图Fig.1 Driver simulation circuit diagram

LT3964是亚德诺半导体公司推出的一款双通道同步降压型LED驱动芯片，其电压输入范围为4～60 V，具有两个独立的1.6A/40 V同步降压转换器[5]。本文选择LT3964作为主控芯片，其顶视图如图2所示，芯片采用(5 mm×6 mm)塑料QFN封装，共有37个引脚。LT3964的PWMTG驱动器和PMOS开关可通过控制LED串与输出电容和电流检测电阻之间的断接，实现PWM调光。同时，PMOS开关还可以起到电路保护作用。除此之外，LT3964还具有带保护功能的电压反馈引脚、可与微处理器通信的I2C接口、高调光调色分辨率等优点，是驱动LED的理想选择。为使驱动电路达到最佳工作状态，电路中关键器件需要设置合适的参数。

图2 LT3964 顶视图[6]Fig.2 Top view of LT3964

1.1 分压电阻的选择

EN/UVLO引脚为芯片的欠压保护引脚，外部电压源可通过调节EN/UVLO脚的电压来控制LT3964的电源开关。在本设计中，VIN和EN/UVLO之间需要放置两个分压电阻，可使用以下方程式确定电阻的值：

(1)

(2)

取VIN(FALLING)和VIN(RISING)分别为31 V和33 V，REN2为100 kΩ，代入式(1)和式(2)计算得REN1为3.92 kΩ。

1.2 FB连接电阻的选择

LT3964的FB引脚具有反馈保护功能，根据LT3964技术手册可通过式(3)选择RFB1和RFB2的值：

(3)

取VOUT为28.5V，RFB2为1 000 kΩ，代入式(3)中计算得RFB1为43.2 kΩ。

图3 FB连接电阻Fig.3 Connect resistance of FB

1.3 电感的选择

电路中电感的选择与开关频率、输出电压等有关，如式(4)所示：

(4)

其中，VOUT是输出电压，fSW是开关频率。

3 W的白光LED管其压降将在2.8～3.9 V之间变动[7]，取中间值3.3 V，VOUT为23.1 V，开关频率fSW为2 MHz，代入式(1)计算得电感L值为9.625 μH，取标称值10 μH。

2 电路仿真与分析

Linear Technology公司推出的仿真软件LTspice[8]具有入门简单、容易操作、仿真速度快等优点，非常适合本芯片的仿真。设计好电路之后利用LTspice软件对电路进行PWM调光[9]、降压输出和电路效率测试。

2.1 PWM调光仿真

在输入电压为34 V的情况下，对电路分别进行PWM为100%、50%和0%的仿真测试[10]，测试电路是否可实现PWM调光。

图4 占空比50%仿真波形图Fig.4 Simulation wave of duty cycle 50%

图4为PWM占空比为50%的仿真波形图，纵坐标为电压、横坐标为时间。其中输入电压为34 V，在PWM脉冲为高电平时输出电流为0.94 A，PWM脉冲为低电平时输出电流为0 A。另外在PWM占空比为100%时，仿真结果显示输入电压为34 V，输出电流为0.94 A；PWM占空比为0%时，仿真结果显示输入电压为34 V，输出电流为0 A。

综合以上分析，在保持输入电压为34 V的情况下，不同占空比的PWM输入可以使电路得到不同的输出电流，即电路可以实现PWM调光。

2.2 降压输出及效率测试仿真

该电路可以实现降压操作且具有较高的工作效率，在输入电压为33 V、PWM占空比为100%的情况下对电路进行仿真，其输入电压、电流和输出电压、电流关系如图5所示。

仿真结果显示，输入电压为33.0 V，输入电流取均值为0.67 A，输出电压为25.69 V，输出电流为0.82 A，说明本电路实现了降压输出。

由效率计算式(5)得：

(5)

此时驱动电源电路的效率为95.30%。

图5 效率测试仿真波形图Fig.5 Simulation wave of efficiency test

在此基础上，又分别对输入电压为34 V、35 V和36 V进行仿真，表1为PWM占空比为100%、输入电压为33～36 V的效率测试仿真结果。

表1 电路效率仿真结果

由表1结果显示在不同的电压输入下，本电源电路工作效率不低于94.73%，具有较高的工作效率。

3 实验

利用Altium Designer 15 软件绘制PCB并制作驱动板，搭建好外围电路后，在输入电压为34 V下，利用FPGA(Field Programmable Gate Array)开发板及Quartus II编程软件进行以下几组实验对驱动板进行测试。

3.1 PWM调光实验

分别为电路输入占空比为80%、50%和20%，频率为1 kHz的PWM脉冲信号，脉冲波形及上电测试如图6和图7所示。

图6中显示波形为P-MOS的D级开关波形，示波器显示当PWM占空比为80%时，LED导通占空比为80.8%；当PWM占空比为50%时，LED导通占空比为56.2%；当PWM占空比为20%时，LED导通占空比为25.9%。分析PWM占空比与LED实际导通占空比偏差是由P-MOS开关时间导致。在PWM占空比为100%时，每颗RGBW-LED灯珠中集成的白光LED灯珠、蓝光LED灯珠、绿光LED灯珠和红光LED灯珠工作电压分别为3.3 V、3.3 V、3.3 V和2.3 V，工作电流均为0.5 A，即每颗RGBW-LED灯珠功率为6.1 W，本电路中集成的16颗RGBW-LED灯珠阵列，其功率为97.6 W。

图6 PWM波形图Fig.6 Waveform of PWM

另外，在输入电压为34 V、PWM占空比为100%的情况下利用万用表对白光LED电路进行了效率测试，测试结果显示，输入电压为34.43 V，输入电流为0.79 A，输出电压为26.20 V，输出电流为0.99 A，此时驱动电源电路的效率为95.37%，与相同情况下LTspice软件的仿真结果97.72%相近，效率较高，满足设计需求。

图7为驱动板上电测试图，结果显示，本电路可以驱动16个1.65 W白光LED实现PWM调光。

图7 上电测试图Fig.7 Power on test

3.2 RGBW混光实验

实验使用RGBW四合一灯珠，驱动板通过四个通道独立驱动三原色及白色LED进行混光[11]实验。实验中使用Quartus II编程软件为每个通道设置独立的RGB值，调整三原色的占空比，使RGBW灯组呈现出实验需要的任何颜色。

图8为混光实验图，其中(a)图为银白色(RGB:192,192,192)，(b)图为青色(RGB:0,255,255)，(c)图为黄色(RGB:255,255,0)，结果显示该电路可以实现对RGBW-LED灯组的调色。RGB值为0～255，分辨率为256个等级，而LT3964芯片可编程使调色分辨率达到8192，在调节三原色占空比进行混光实验的过程中可以混合得到更多种类的颜色，非常适用于RGBW-LED灯组的调色。

图8 混光实验图Fig.8 Mixed light experiment

4 结论

本文基于LT3964芯片设计了降压型LED驱动电路，并利用LTspice软件改变占空比实现PWM调光测试、降压测试，并通过改变输入电压实现电路效率测试。仿真结果显示该电路可实现恒流驱动且支持PWM调光，不同输入电压下工作效率不低于94.73%。在仿真基础上，利用Altium Designer 软件设计了PCB电路板并制作驱动电路实物进行实验研究，结果表明，该LED驱动电路可以实现PWM调光调色，在34 V电压输入下白光LED电路工作效率为95.37%，与仿真结果相近。