汽車LED驅(qū)動(dòng)器仿真揭示MOSFET開(kāi)關(guān)行為

汽車白熾燈泡在很大程度上已經(jīng)讓位于更高效、更可靠、更時(shí)尚、甚至更安全的發(fā)光二極管 （LED）。LED的開(kāi)啟時(shí)間僅為加熱白熾燈泡燈絲所需時(shí)間的一小部分，在幾分之一秒很重要的剎車燈中特別有用。設(shè)計(jì)汽車LED燈的挑戰(zhàn)在于滿足政府對(duì)光輸出的要求，同時(shí)還要具有成本效益。另一個(gè)障礙是設(shè)計(jì)復(fù)雜性，通常需要開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）。SMPS更復(fù)雜、更昂貴，并且可能是電磁干擾（EMI）的來(lái)源，特別是與通常用于打開(kāi)白熾燈泡的車身控制模塊（BCM）高邊驅(qū)動(dòng)器（HSD）相比。產(chǎn)生足夠的光輸出通常需要一系列 LED。因此，升壓轉(zhuǎn)換器通常用于從汽車電池產(chǎn)生LED串順從電壓，該電壓在啟停和冷啟動(dòng)條件下的6V到19V不等。

升壓拓?fù)涫褂?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET開(kāi)關(guān)和二極管，如圖1所示，開(kāi)關(guān)可在納秒內(nèi)導(dǎo)通。如果此開(kāi)關(guān)動(dòng)作與PCB上的寄生元件共振，則可能會(huì)以輻射和傳導(dǎo)發(fā)射的形式引起EMI。用于減輕開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器EMI的一種技術(shù)是使用MOSFET柵極電阻器減慢輸入電源電流和電壓轉(zhuǎn)換（di/dt和dv/dt）。但這究竟是做什么的，應(yīng)該如何選擇呢？分析柵極電阻的影響有兩種方法。第一種也是更常見(jiàn)的方法是使用電路模擬器，如SPICE或SIMPLIS。另一種方法是使用ADS等2D或3D電磁（EM）模擬器與SPICE進(jìn)行協(xié)同仿真。后者要復(fù)雜得多，但同樣更全面。它還需要昂貴的軟件和熟悉這些工具的用戶。另一方面，SPICE更普遍地被理解并作為免費(fèi)軟件提供。

圖1中的仿真電路圖是升壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的仿真電路圖，此處用于評(píng)估柵極電阻對(duì)功率級(jí)的影響。在此仿真中，我將瞬態(tài)電壓、電流和導(dǎo)通功率的大小視為潛在可靠性和EMI問(wèn)題的指標(biāo);與組件選擇相關(guān)的問(wèn)題;和布局寄生效應(yīng)。因此，應(yīng)該很好地理解MOSFET模型以及所有組件模型。事實(shí)上，這就是EM仿真通過(guò)包含電路板寄生效應(yīng)和耦合機(jī)制而大放異彩的地方。無(wú)論您采用哪種方法，都要聽(tīng)取Bob Pease和電路分析中其他知名人士的建議，他們建議您如果要客觀地考慮結(jié)果，則應(yīng)始終了解仿真的大致情況。我發(fā)現(xiàn)Vishay和Nexperia汽車MOSFET型號(hào)足以進(jìn)行開(kāi)關(guān)模式電源分析。

圖1.使用行為模塊進(jìn)行仿真，以創(chuàng)建具有可編程軟啟動(dòng)、頻率和占空比的可變柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。

圖1中的仿真使用行為模塊（OSC_DRV）來(lái)創(chuàng)建具有可編程軟啟動(dòng)、頻率和占空比的可變柵極驅(qū)動(dòng)I/V強(qiáng)度。升壓轉(zhuǎn)換器非同步輸出級(jí)顯示在OSC_DRV宏旁邊。該開(kāi)環(huán)仿真內(nèi)置于TINA中，用于評(píng)估寄生行為，并在大約2秒內(nèi)以5MHz開(kāi)關(guān)運(yùn)行1.10ms仿真。我將SPICE的動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)算法限制為最大50ns，以幫助確保在MOSFET轉(zhuǎn)換期間準(zhǔn)確計(jì)算電路矩陣。輸入設(shè)置為14V，輸出設(shè)置為24V/1A。使用了 Vishay SQ3418EV 40V MOSFET 模型，MOSFET 動(dòng)態(tài)輸入電容的結(jié)果如圖 2 所示，其中柵極信號(hào)平臺(tái)電壓持續(xù)時(shí)間是柵極電阻的函數(shù)。電路中增加了典型的寄生效應(yīng)，包括電感兩端的10pF電容，以產(chǎn)生16MHz的電感自諧振頻率（SRF）;選擇輸出電感，使SRF至少為開(kāi)關(guān)頻率的10倍。

在線功率計(jì)PM1測(cè)量MOSFET Q1的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗。從圖2中的波形可以看出，柵極電阻會(huì)顯著影響峰均功耗。當(dāng)然，這會(huì)影響EMI，從它對(duì)肖特基二極管、電容和柵極電流的影響可以看出。野馬設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一是消除對(duì)法拉第盾牌的需求。通過(guò)觀察這些波形可以清楚地看出，如果元件選擇和/或布局不正確，環(huán)路電流和MOSFET dv/dt足夠高，會(huì)導(dǎo)致EMI問(wèn)題。在存在寄生電感的情況下，即使是柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電流也可能是一個(gè)問(wèn)題，特別是考慮到FET的高跨導(dǎo)性時(shí)。柵極上的任何寄生振鈴都可能被放大，從而在EMC室中引起大問(wèn)題。請(qǐng)注意，還應(yīng)考慮FET的內(nèi)部柵極電阻。還要注意外部柵極電阻對(duì)輸出噪聲的影響，這對(duì)于敏感的ADAS應(yīng)用（包括驅(qū)動(dòng)器監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）和雷達(dá)/激光雷達(dá)）需要考慮這一點(diǎn)。在升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出二極管的反向恢復(fù)電荷（Qrr）和/或結(jié)電容可能很大。確保您了解二極管的寄生效應(yīng)，并且通常不要過(guò)大，因?yàn)镼rr和結(jié)電容與尺寸成正比。

圖2.來(lái)自開(kāi)環(huán)仿真的MOSFET動(dòng)態(tài)輸入電容的結(jié)果。

總之，SMPS的寄生諧振幅度可以在SPICE中量化，并用柵極電阻衰減。本文提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的SPICE仿真，以更好地理解MOSFET柵極電阻對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器功率級(jí)的影響，這些影響與PCB元件布局共同會(huì)影響可靠性和EMI。

審核編輯：郭婷