LED汽车前照灯驱动电路设计与仿真

2 驱动主电路设计

2．1 电路组成

该电路主要由LTC3783，MOSFET管M1、M2，电感L1，续流二极管D9，检测电阻R9，输出电容C4大功率LED串组成的升压型电感式电流控制模式驱动电路。主电路如图2所示，LTC3783是凌特公司推出的电流模式多拓扑转换器PWM调光范围的大功率LED驱动器，应用范围包括电信、汽车和工业控制系统中的高压LED阵列、背光照明以及稳压器。

通过改变芯片FREQ引脚外接电阻的大小来决定芯片的高频控制信号频率f，GATE引脚输出一个峰值为7 V的脉冲信号，它是PWMIN引脚接收的PWM控制脉冲和芯片LTC3783高频控制输出脉冲的与。GATE引脚驱动MOSFET管M1，控制功率MOSFET管M1的通断，引起流过电感L1电流的变化，产生一个压降，它与输入电压的和为输出电压。PWMOUT引脚输出一个与PWMIN引脚相同的PWM控制脉冲信号，驱动MOSFET管M2，PWM脉冲的占空比决定LED串电流的占空比，进而控制LED串的亮度。FBN引脚接受检测电阻R9反馈的电压信号，当输出电流因输入电压发生变化时，调整电路占空比，保持输出电流恒定。

2．2 主要参数的计算

2．2．1 开关频率f的选取

PWM控制脉冲信号与芯片高频开关控制信号如图3所示，可以看出两者有如下关系：

采用PWM控制LED亮度时，一般为了避免让人觉察，控制脉冲的频率选择fPWM=120 Hz。每个控制脉冲高电平至少要包含2个芯片高频开关脉冲，即N>2。为了达到数字化实现DPWM为1：3 000的调光比，选择芯片频率f为1 MHz。而芯片开关频率是由连接在芯片FREQ上的电阻R2决定的。f与R2的关系如图4所示，该设计中选择R2=6 kΩ。

2．2．2 计算电路占空比D

电路最大占空比计算公式为；

式中：VOUT为输出电压；VIN(MIN)为最小输入电压；VD为二极管D4的正向压降V。最小输入电压为10 V，输出电压为28．6 V，二极管正向压降为0．4 V，由式(3)计算得到最大占空比为59％。LTC3783允许的最大占空比可以达到90 ％。

2．2．3 计算最大输入电流

计算最大输入电流的目的是为了计算其他元件的额定值，输入电流计算公式为：

式中：χ／2表示纹波电流与平均电流的比值。这里取χ=Iout×20％=700 mA；DMAX为59％；算得最大输入电流为1．8 A。

2．2．4 输入电感L1的计算

经过电感L1的纹波电流为：

算得L=12μH。

2．2．5 输出电容C4的计算

输出电容主要是减少输出电流的纹波。LED上流过电流的纹波对LED的光效和光衰有重要影响，在一定的平均电流下，纹波越大，则有效值越大，转化成的热量越多，光效越低，光衰越厉害，寿命越短。所以对LED来说，较好的驱动电流是纹波很小的直流电流。

假设纹波电压不超过输出电压的1％，有：

电容越大纹波电流越小，考虑成本因素，取式(7)计算得到的输出电容最小值为5 μF。为防止产生过多的热量，输出电容应选取低ESR值，高耐压的陶瓷电容。

3 MOSFET管、续流二极管的选取

MOSFET管漏端电压为输出电压等于28．6 V，假设用高于额定电压的30 ％来计算漏极峰值电压，那么MOSFET管漏极的最大电压为38 V。流过MOSFET管M1的最大电流IIN(MAX)为1．8 A，M2的最大电流为700 mA左右，一般选取实际电流的3倍为MOSFET管的额定电流。所以选取耐压值为60 V，最大正向电流为7．5 A，内阻为11 mΩ的N沟道MOSFET管，型号为SI4470EY。

D9的电压与MOSFET管M1的电压相同，最大电压为38 V，流过D9的电流等于负载输出电流700 mA，所以选择耐压值为40 V，最大正向电流为1．16 A的肖特基二极管，型号为ZETEX ZLLS1000。

4 仿真结果

用LTspiceIV软件对电路进行仿真。图5是输入电压分别为10 V，12 V，14 V，无PWM调光时负载LED随时间变化的输出电流值。图5可以看出，随着输入电压发生变化，电路的占空比发生变化，输出电流基本不变。电流稳定后测得电流在705～715 mA之间变化，即驱动电路输出一个均值为710 mA，有0．7％纹波的电流。电流精度为：

式中IOUT(MAX)为实际输出电流最大值；IP为设定的输出电流。

图6为PWM调光时，PWM波形和MOSFET漏极电压波形图，可以看出功率管MOSFET的输入信号是PWM输出信号和LTC3783高频开关控制输出信号的与，两个信号的占空比都可以调节输出电流的大小。

图7为PWM调光时控制脉冲占空比分别为20％，50％，80％时实际的输出电流。实际输出电流与PWM脉冲的占空比相同，进而实现LED亮度的调节。

为计算电路的转换效率，测得驱动电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流的值如图8所示。可以看出输入电压VIN为12 V，输入电流IIN为1．86 A，输出电压VOUT为28．6 V，输出电流IOUT为710 mA，因此电路转换效率为：


5 结语

本文基于凌特公司的LTC3783芯片，设计了用于汽车前照灯的8个大功率白色LED串驱动电路。仿真结果表明，在输入电压在10～14 V时，输出电流为一个均值，大小710 mA，有0．7％纹波的电流，电流精度为2．1％，输出电压为28．6 V，输出功率为20 W，电路转换效率为91％。驱动电路同时具有PWM调光的功能，输出一个与PWM信号占空比相同的电流。本文设计的LED驱动电路具有恒流精度高，输出功率大，转换效率高，亮度可调的特点。