基于LT3964的LED驅動電路的仿真與實驗研究

易美佳，李逍遙，金 葉，魏 強

(重慶理工大學理學院，重慶 400054)

引言

LED(light emitting diode )燈具與傳統照明燈具相比，具有效率高、壽命長、發熱少、開啟速度快等優點[1]，在人類生產生活中的使用越來越多，我國現已成為全球LED光源最主要的生產大國之一[2]。驅動電源的性能會直接影響LED的使用性能和壽命[3]，因此提高LED驅動電源性能是提高LED普及率的關鍵因素之一[4]。

亞德諾半導體公司 (Analog Devices, Inc.，簡稱ADI)推出的LT3964是一款體積小、高性能的雙同步降壓驅動芯片，是驅動LED的理想選擇，但目前關于LT3964的應用資料還很少。本文基于LT3964芯片設計了一款LED驅動電路，對電路工作原理做了詳細介紹。在此基礎上利用LTspice軟件對電路進行了仿真，并利用Altium Designer 軟件繪制PCB板及制作了驅動板實物，對仿真結果進行了實驗驗證。實驗結果滿足設計需求，可為相關技術人員提供參考。

1 電路設計

基于LT3964的LED驅動電路如圖 1所示。

圖1 驅動電源仿真電路圖Fig.1 Driver simulation circuit diagram

LT3964是亞德諾半導體公司推出的一款雙通道同步降壓型LED驅動芯片，其電壓輸入范圍為4～60 V，具有兩個獨立的1.6A/40 V同步降壓轉換器[5]。本文選擇LT3964作為主控芯片，其頂視圖如圖2所示，芯片采用(5 mm×6 mm)塑料QFN封裝，共有37個引腳。LT3964的PWMTG驅動器和PMOS開關可通過控制LED串與輸出電容和電流檢測電阻之間的斷接，實現PWM調光。同時，PMOS開關還可以起到電路保護作用。除此之外，LT3964還具有帶保護功能的電壓反饋引腳、可與微處理器通信的I2C接口、高調光調色分辨率等優點，是驅動LED的理想選擇。為使驅動電路達到最佳工作狀態，電路中關鍵器件需要設置合適的參數。

圖2 LT3964 頂視圖[6]Fig.2 Top view of LT3964

1.1 分壓電阻的選擇

EN/UVLO引腳為芯片的欠壓保護引腳，外部電壓源可通過調節EN/UVLO腳的電壓來控制LT3964的電源開關。在本設計中，VIN和EN/UVLO之間需要放置兩個分壓電阻，可使用以下方程式確定電阻的值：

(1)

(2)

取VIN(FALLING)和VIN(RISING)分別為31 V和33 V，REN2為100 kΩ，代入式(1)和式(2)計算得REN1為3.92 kΩ。

1.2 FB連接電阻的選擇

LT3964的FB引腳具有反饋保護功能，根據LT3964技術手冊可通過式(3)選擇RFB1和RFB2的值：

(3)

取VOUT為28.5V，RFB2為1 000 kΩ，代入式(3)中計算得RFB1為43.2 kΩ。

圖3 FB連接電阻Fig.3 Connect resistance of FB

1.3 電感的選擇

電路中電感的選擇與開關頻率、輸出電壓等有關，如式(4)所示：

(4)

其中，VOUT是輸出電壓，fSW是開關頻率。

3 W的白光LED管其壓降將在2.8～3.9 V之間變動[7]，取中間值3.3 V，VOUT為23.1 V，開關頻率fSW為2 MHz，代入式(1)計算得電感L值為9.625 μH，取標稱值10 μH。

2 電路仿真與分析

Linear Technology公司推出的仿真軟件LTspice[8]具有入門簡單、容易操作、仿真速度快等優點，非常適合本芯片的仿真。設計好電路之后利用LTspice軟件對電路進行PWM調光[9]、降壓輸出和電路效率測試。

2.1 PWM調光仿真

在輸入電壓為34 V的情況下，對電路分別進行PWM為100%、50%和0%的仿真測試[10]，測試電路是否可實現PWM調光。

圖4 占空比50%仿真波形圖Fig.4 Simulation wave of duty cycle 50%

圖4為PWM占空比為50%的仿真波形圖，縱坐標為電壓、橫坐標為時間。其中輸入電壓為34 V，在PWM脈沖為高電平時輸出電流為0.94 A，PWM脈沖為低電平時輸出電流為0 A。另外在PWM占空比為100%時，仿真結果顯示輸入電壓為34 V，輸出電流為0.94 A；PWM占空比為0%時，仿真結果顯示輸入電壓為34 V，輸出電流為0 A。

綜合以上分析，在保持輸入電壓為34 V的情況下，不同占空比的PWM輸入可以使電路得到不同的輸出電流，即電路可以實現PWM調光。

2.2 降壓輸出及效率測試仿真

該電路可以實現降壓操作且具有較高的工作效率，在輸入電壓為33 V、PWM占空比為100%的情況下對電路進行仿真，其輸入電壓、電流和輸出電壓、電流關系如圖5所示。

仿真結果顯示，輸入電壓為33.0 V，輸入電流取均值為0.67 A，輸出電壓為25.69 V，輸出電流為0.82 A，說明本電路實現了降壓輸出。

由效率計算式(5)得：

(5)

此時驅動電源電路的效率為95.30%。

圖5 效率測試仿真波形圖Fig.5 Simulation wave of efficiency test

在此基礎上，又分別對輸入電壓為34 V、35 V和36 V進行仿真，表1為PWM占空比為100%、輸入電壓為33～36 V的效率測試仿真結果。

表1 電路效率仿真結果

由表1結果顯示在不同的電壓輸入下，本電源電路工作效率不低于94.73%，具有較高的工作效率。

3 實驗

利用Altium Designer 15 軟件繪制PCB并制作驅動板，搭建好外圍電路后，在輸入電壓為34 V下，利用FPGA(Field Programmable Gate Array)開發板及Quartus II編程軟件進行以下幾組實驗對驅動板進行測試。

3.1 PWM調光實驗

分別為電路輸入占空比為80%、50%和20%，頻率為1 kHz的PWM脈沖信號，脈沖波形及上電測試如圖6和圖7所示。

圖6中顯示波形為P-MOS的D級開關波形，示波器顯示當PWM占空比為80%時，LED導通占空比為80.8%；當PWM占空比為50%時，LED導通占空比為56.2%；當PWM占空比為20%時，LED導通占空比為25.9%。分析PWM占空比與LED實際導通占空比偏差是由P-MOS開關時間導致。在PWM占空比為100%時，每顆RGBW-LED燈珠中集成的白光LED燈珠、藍光LED燈珠、綠光LED燈珠和紅光LED燈珠工作電壓分別為3.3 V、3.3 V、3.3 V和2.3 V，工作電流均為0.5 A，即每顆RGBW-LED燈珠功率為6.1 W，本電路中集成的16顆RGBW-LED燈珠陣列，其功率為97.6 W。

圖6 PWM波形圖Fig.6 Waveform of PWM

另外，在輸入電壓為34 V、PWM占空比為100%的情況下利用萬用表對白光LED電路進行了效率測試，測試結果顯示，輸入電壓為34.43 V，輸入電流為0.79 A，輸出電壓為26.20 V，輸出電流為0.99 A，此時驅動電源電路的效率為95.37%，與相同情況下LTspice軟件的仿真結果97.72%相近，效率較高，滿足設計需求。

圖7為驅動板上電測試圖，結果顯示，本電路可以驅動16個1.65 W白光LED實現PWM調光。

圖7 上電測試圖Fig.7 Power on test

3.2 RGBW混光實驗

實驗使用RGBW四合一燈珠，驅動板通過四個通道獨立驅動三原色及白色LED進行混光[11]實驗。實驗中使用Quartus II編程軟件為每個通道設置獨立的RGB值，調整三原色的占空比，使RGBW燈組呈現出實驗需要的任何顏色。

圖8為混光實驗圖，其中(a)圖為銀白色(RGB:192,192,192)，(b)圖為青色(RGB:0,255,255)，(c)圖為黃色(RGB:255,255,0)，結果顯示該電路可以實現對RGBW-LED燈組的調色。RGB值為0～255，分辨率為256個等級，而LT3964芯片可編程使調色分辨率達到8192，在調節三原色占空比進行混光實驗的過程中可以混合得到更多種類的顏色，非常適用于RGBW-LED燈組的調色。

圖8 混光實驗圖Fig.8 Mixed light experiment

4 結論

本文基于LT3964芯片設計了降壓型LED驅動電路，并利用LTspice軟件改變占空比實現PWM調光測試、降壓測試，并通過改變輸入電壓實現電路效率測試。仿真結果顯示該電路可實現恒流驅動且支持PWM調光，不同輸入電壓下工作效率不低于94.73%。在仿真基礎上，利用Altium Designer 軟件設計了PCB電路板并制作驅動電路實物進行實驗研究，結果表明，該LED驅動電路可以實現PWM調光調色，在34 V電壓輸入下白光LED電路工作效率為95.37%，與仿真結果相近。