关丛荣;祝天岳;李雅斌;赵伟程
www.123ctCT【摘 要】大功率LED若要正常工作,必须配有可以驱使其在最佳状态下工作的驱动电源.研发高效、可靠的驱动电源是LED照明大规模推广急需解决的技术难题.本文基于LT3791采用改进型BUCK-BOOST拓扑结构设计大功率LED驱动电源电路,并基于LTspice进行仿真研究.该电路采用恒流驱动方式,可外接PWM输入进行LED调光控制,输入电压范围10～60 V,输出电流4A,输出功率可达110W,效率达到93％. 【期刊名称】《照明工程学报》
【年(卷),期】2018(029)005
【总页数】6页(P109-114)
【关键词】大功率LED;驱动电源;LT3791;LTspice
【作 者】关丛荣;祝天岳;李雅斌;赵伟程
【作者单位】北方工业大学,北京100144;中国船舶工业系统工程研究院,北京100094;北方工业大学,北京100144;北方工业大学,北京100144
可剥胶【正文语种】中 文
【中图分类】TM921
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。
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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M
1和M3导通，然后开关M1和M4在余下的周期内导通。软母排
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<VOUT)Fig.5 Boost operation (VIN<VOUT)
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Table 1 The relation of switching frequency and RT开关频率/kHzRT/kΩ20014730084.540059.050045.360035.770029.4
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)
(2)
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)
(4)
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)
(6)
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)
(8)
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。
升降柱cncame
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
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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%
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