如何改善汽車電子LED驅(qū)動器設(shè)計的EMC

作者：FRANCESCESTRAGUéS和拉爾夫OHMBERGER

越來越多的汽車制造商不再使用鹵素燈泡，而是采用LED技術(shù)。但是，LED照明系統(tǒng)具有不同的電源要求，具體取決于串上存在的設(shè)備數(shù)量，所需電流，調(diào)光以及其他因素。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器無法始終滿足這些需求，因此設(shè)計人員越來越依賴開關(guān)模式電源（SMPS）。這些會產(chǎn)生電磁兼容性（EMC）合規(guī)性問題，需要解決。

幸運的是，有許多有效的方法可以通過組件放置和布局來改善LED驅(qū)動器設(shè)計的EMC，以及半導(dǎo)體制造商正在為其產(chǎn)品添加的有用功能。讓我們看看其中的一些。

PCB布局

在PCB的設(shè)計中，機械尺寸和放置限制（例如連接器位置和保留區(qū)域）通常會使SMPS PCB布局復(fù)雜化。即便如此，工程師還是可以采取一些措施來減少EMC問題。確保良好EMC的一種有效方法是，如果可能進行雙面組裝，則將DC / DC轉(zhuǎn)換器放置在遠離連接器的位置，并在PCB的另一側(cè)。這樣可以最大程度地減少耦合到線束中的噪聲，從而消除了輸入濾波器的影響。同時，應(yīng)將輸入濾波器模塊放置在靠近連接器且遠離DC / DC的位置，以免對濾波器電感器產(chǎn)生任何噪聲。

如果無法進行此類放置，則設(shè)計人員應(yīng)為DC / DC轉(zhuǎn)換器模塊（轉(zhuǎn)換器IC，電感器和輸入電容器）使用局部屏蔽。屏蔽層會增加設(shè)計成本，但可以幫助節(jié)省過濾組件，通常這取決于設(shè)計是否兼容。

如果LED照明解決方案需要金屬散熱片來散熱，則該散熱片可以充當屏蔽層。有兩種可能的情況：

散熱器具有多個良好的GND連接點，以減少輻射并保護器件免受干擾。

散熱器與GND的連接不良（例如，只有一個接觸點），因此屏蔽效果較差，甚至可能充當貼片天線。在這種情況下，在散熱器和GND之間的連接點處添加一個鐵氧體磁珠，以提高設(shè)計的抗干擾能力。

當LED負載與驅(qū)動器板不在同一PCB上時，較長的負載線（> 10 cm）會產(chǎn)生過多的噪聲。為了減輕這種情況，請在輸入端使用共模扼流圈。甚至更簡單的解決方案是在VIN電纜連接和GND電纜連接處放置兩個鐵氧體磁珠，如圖1所示。當傳導(dǎo)發(fā)射很高，在50 MHz至108 MHz之間時，在兩根負載電纜上都使用輸出濾波器有助于輻射發(fā)射。

圖1用于具有遠程負載的LED驅(qū)動器的良好輸入濾波器設(shè)計在電纜連接處包括鐵氧體磁珠。

PCB布線

在規(guī)劃PCB布局之后，請考慮將DC / DC轉(zhuǎn)換開關(guān)節(jié)點路由到何處。在EDN文章“PCB設(shè)計，低EMI DC-DC轉(zhuǎn)換器”提供了關(guān)于如何設(shè)計的DC / DC模塊有用的指示。

由于汽車照明對于安全至關(guān)重要，因此LED設(shè)計必須保持一定的亮度水平和穩(wěn)定性，而不受干擾的影響。因此，重要的是保持LED驅(qū)動器電路產(chǎn)生的低電磁干擾（EMI）以及低的干擾敏感性。

大多數(shù)LED驅(qū)動器IC使用恒定電流方法，并且可能具有電流感應(yīng)電阻器。其他高級驅(qū)動器具有進入IC的多條跡線，這些跡線會吸收噪聲并可能影響性能（例如，溫度感應(yīng)或調(diào)光）。將這些走線盡可能在電路板的內(nèi)層布線，并在外層用銅屏蔽它們。

當使用2層PCB時，請避免通過布線較長的走線來切割GND平面。這樣的大切口是許多布局中的常見錯誤，當大切口靠近DC / DC模塊時，這尤其危險，因為參考GND平面中的切口會增加阻抗，并根據(jù)尺寸而產(chǎn)生高頻噪聲。而是通過在頂層和底層之間交替較短的距離來布線走線，如圖2所示。這種方法減少了每條走線的長度，從而使電路板更不受高頻干擾的影響。

圖2在2層電路板設(shè)計中，為了避免產(chǎn)生高頻噪聲的可能性最小，請在兩層電路板設(shè)計中通過交替排列較短的長度來避免長時間的走線。

還要注意通過放置。在元件附近有許多走線的小板上，通常使用過孔進行布線。但是，如圖3所示，緊密堆積的通孔也會導(dǎo)致金屬層的長切口。確保過孔之間有足夠的空間，以便可以在它們之間放置GND銅層，以避免大的切口。

圖3如果過孔之間的距離太近，連接過孔會在接地平面上產(chǎn)生不希望的長切口。

半導(dǎo)體EMC改進

在過去的幾年中，半導(dǎo)體制造商已經(jīng)想出了幾種方法來提高DC / DC功率和效率，同時還改善電路的EMC。一種方法是使用頻率擴展頻譜（FSS）調(diào)制（有時稱為抖動）將基本開關(guān)頻率的能量擴展到具有較低峰值的較寬頻帶。這種方法允許轉(zhuǎn)換器在AM波段（535 kHz至1605 kHz）內(nèi)切換時通過EMC測試。當轉(zhuǎn)換器切換到高于AM頻段的頻率時，它還可以降低FM頻段（88 MHz至108 MHz）中輻射的噪聲。

制造商改善轉(zhuǎn)換器EMI的另一種方法是包括一個封裝內(nèi)的去耦電容器。這通過最小化電容器和開關(guān)之間的寄生電感來提供有效的去耦，并且還降低了PCB BOM成本。

MPS的MPQ7200是高級LED驅(qū)動器的一個很好的例子。借助工廠調(diào)整的FSS調(diào)制選項以提高EMI性能，該器件在降壓模式下以2.3 MHz切換，在降壓-升壓逆變器（BBI）模式下以1 MHz切換。在硅中實現(xiàn)了一種低損耗電流檢測方法，從而無需外部電流檢測電阻器及其相關(guān)走線。

隨著越來越多的LED用于幫助駕駛員與其車輛通信，LED技術(shù)實現(xiàn)了信號和安全性方面的創(chuàng)新?，F(xiàn)代LED照明設(shè)計需要提供出色的靈活性，同時保持堅固性并消除EMC問題。照明解決方案通常在BOM數(shù)量有限的小型PCB中使用，因此有必要進行周密的組件布置和布局設(shè)計，以滿足日益增長的EMC要求。LED驅(qū)動器芯片的功能改進也有助于解決此問題。

FrancescEstragués是Monolithic Power Systems的一名應(yīng)用工程師，Ralf Ohmberger是一名高級應(yīng)用工程師。

編輯：hfy