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汽车LED驱动器设计:确保符合EMC标准的优良惯例

【导读】汽车制造商越来越多地采用LED照明技术替代以前的卤素灯泡。LED照明系统有各种不同的电源要求,具体取决于灯串上的设备数量、所需电流、调光方式以及其他因素。由于传统的线性稳压器不能总是满足这些需求,电子工程师现在越来越依赖开关模式电源(SMPS)。然而,SMPS会产生电磁干扰(EMI)。

本文介绍的方法,将通过组件放置和布局以及半导体制造商在其产品中添加一定的功能,最终实现LED驱动器设计EMC性能的有效改善。

PCB布局

工程师的PCB布局工作必须围绕机械尺寸和限制(例如连接器的位置和禁区)来进行。

如果一个PCB允许双面组装,则确保良好EMC性能的有效方法是让DC / DC变换器远离连接器,且放置在PCB的另一面。这样可以最大程度地避免噪声耦合到线束中,从而消除了输入滤波器的影响。输入滤波器模块应放置在靠近连接器且远离DC / DC的位置,以免将噪声引入滤波器电感

如果无法做到这一点,则应采用局部屏蔽罩,遮蔽DC / DC变换器模块(包括变换器IC、电感和输入电容)。添加屏蔽罩会增加设计成本,但可以帮助节省过滤组件,而且通常也用于区分设计是否符合EMC标准。

如果LED照明解决方案需要金属散热片来散热,则可以将其用作屏蔽罩。此时有两种可能的场景:


?散热片具有多个良好的GND连接点,可以减少辐射并保护器件免受干扰。

?散热片与GND之间连接不良(例如仅有一个接触点),所以屏蔽效果较差,甚至可能充当贴片天线。在这种情况下,可以在散热片和GND之间的连接点处添加一个铁氧体磁珠,以提高设计的抗干扰能力。

当LED负载与驱动器板不在PCB的同一面时,较长的负载线(> 10cm)将产生过多的噪声。为了缓解这种状况,可以在输入端使用共模扼流圈。但更简单的解决方案是在VIN线缆连接和GND线缆连接处放置两个铁氧体磁珠(见图1)。当传导发射频率在50MHz至108MHz之间时,在两根负载线缆上都添加输出滤波将有助于降低辐射发射。

巧妙布局

在规划好PCB布局之后,就需要考虑DC / DC变换器开关节点的路由。这篇文章将对如何设计DC/DC模块进行说明。

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图1: 带远程负载的LED驱动器输入滤波器优良设计


汽车照明对安全至关重要,因此保持LED驱动器电路的低EMI和抗干扰性很重要。符合标准的LED设计必须不受干扰地保持一定水平的亮度和稳定性。

大多数LED驱动器IC都采用恒流方法,而且还可能用到电流采样电阻。还有一些先进的驱动器有多条进入IC的走线,这些走线可能吸收噪声并影响性能(例如温度感测或调光)。

将这些走线尽可能布在电路板的内层,并在外层用铜材料屏蔽。如果采用2层PCB板,可以在顶层和底层之间短距离交替走线。这种方法减少了每条走线的长度,使电路板不受高频干扰的影响,也避免了在两层板上都对GND平面做长切口。参考GND平面上的切口会增加阻抗,根据切口尺寸的大小不同会产生高频噪声。

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图2: 2层板上的长距离布线


在小型电路板上,组件之间距离更近,走线更多,因而通常利用通孔进行走线(见图3)。此时需要确保通孔之间有足够的空间可以放置GND铜层,同时避免大的切口。许多板布局都存在这个错误,当大切口靠近DC / DC模块时尤其危险。

半导体制造商通过改进技术来改善EMC

近年来,半导体制造商已经在考虑如何在提高DC / DC功率和效率的同时改善电路的EMC性能。

扩频频率调制技术(FSS)有时也称为抖动,它可以将基本开关频率的能量扩展到具有较低峰值的较宽频带上。 采用这种技术,变换器可以在AM频段内切换,同时通过EMC测试。当变换器在AM频段以上切换时,还可以降低FM频段中辐射的噪声。

改善变换器EMI的另一种方法是在封装内添加一个去耦电容器。这样不仅可以降低BOM成本,同时可以通过最小化电容器和开关之间的寄生电感实现有效去耦。

MPS的MPQ7200是一款先进的LED驱动器,它可以用作降压变换器或降压-升压逆变器(BBI)。该器件符合AEC-Q100认证,在降压模式下工作可提供3A电流,在BBI模式下工作时可在高达42V的电压下提供1.2A电流。

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图3: 通过通孔连接不同板层


MPQ7200具有出厂设置好的FSS调制选项,可改善EMI性能。在降压模式下,其开关频率为2.3MHz;在BBI模式下,开关频率为1MHz。该器件采用了一种低损耗电流采样方法,因此无需外部电流采样电阻。

典型的降压-升压拓扑结构由四个MOSFET开关组成,而且输出电压正参考GND。而MPQ7200的BBI拓扑仅包含两个MOSFET开关,从而降低了成本,减少了开关动作。两开关BBI效仿了降压拓扑,将电感的输出端接地;控制环路将MPQ7200的电源参考切换至负输出电压;功率LED可以连接在GND和负输出电压之间。拥有可调电流控制环路、温度感测和数字调光功能,MPQ7200可称为一款先进的功率LED驱动器。

图4显示了MPQ7200如何在汽车应用的典型工作电压下提供出色的线性调整率。当输入电压在15V至10V之间变化时,其输出电压和电流始终保持恒定。

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图4: MPQ7200的启动波形


另一个有趣的测试是输入电压的中断如何影响光束质量。输入电压中断序列为:14VDC至9.5V,至8.5V,至7.5V,至6.5V,至5.5V和至4.5V。 低压谷时间从200ms上升到900ms。在低输入电压下,可见光强度几乎保持恒定;但在4.5V脉冲下,LED完全关闭。

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图5: 电源干扰测试


结论

随着越来越多的LED被用于驾驶员与其车辆之间的通信,LED技术实现了信号和安全方面的创新。现代LED照明设计要在保持稳健性的同时提供更大的灵活性,关键就在于LED驱动器的功能改进。照明解决方案不断向具有更低BOM的更小PCB发展,只有周密的组件布置和布局设计,才能满足不断增长的EMC要求。



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