评估开关电源中寄生共振和电磁干扰的大小。
汽车用白炽灯泡在很大程度上已经被更高效、更可靠、更时尚、甚至更安全的发光二极管(led)所取代。led灯在短时间内就能打开，尤其适用于刹车灯，因为刹车灯的发光时间很短。设计汽车LED灯的挑战在于既要满足政府对光输出的要求，又要具有成本效益。另一个障碍是设计的复杂性，通常需要开关模式电源(SMPS)。SMPS更复杂、更昂贵，而且可能是电磁干扰(EMI)的来源，特别是与通常用于打开白炽灯泡的车身控制模块(BCM)高侧驱动器(HSD)相比。产生足够的光输出通常需要一系列led。因此，升压转换器通常用于从汽车电池中创建LED串合规电压，可以从6V以下变化起止和冷曲柄条件到19V。
boost拓扑使用MOSFET开关和二极管，如图1所示，开关可以在纳秒内打开。如果该开关动作与PCB上的寄生元件发生共振，则会以辐射和传导发射的形式引起EMI。一种用于缓解开关稳压器中的EMI的技术是用MOSFET栅极电阻减缓输入电源电流和电压的转变(di/dt和dv/dt)。但它究竟是做什么的，又该如何选择呢?分析栅极电阻的影响有两种方法。第一种也是更常见的方法是使用SPICE或SIMPLIS之类的电路模拟器。另一种方法是使用2D或3D电磁(EM)模拟器(如ADS)与SPICE进行联合模拟。后者要复杂得多，但同样更全面。它还需要昂贵的软件和熟悉这些工具的用户。另一方面，SPICE更容易被理解并作为免费软件提供。
图1中的仿真电路图是升压变换器功率级的仿真电路图，这里用它来评估栅极电阻对功率级的影响。在这个模拟中，我考虑暂态电压、电流和接通功率的大小作为潜在可靠性和EMI问题的指标;与组件选择相关的问题;还有布局寄生。因此，应该很好地理解MOSFET模型和所有组件模型。事实上，这就是EM模拟的亮点所在，因为它包含了板寄生和耦合机制。无论你采取哪种方法，都要接受……的建议鲍勃·皮斯以及电路分析领域的其他杰出人物，他们建议，如果你要客观地考虑结果，你应该总是大致知道模拟的样子。我发现Vishay和Nexperia汽车MOSFET模型足以用于开关模式电源分析。
几年前，在与一级供应商合作的时候福特野马50th周年后组合灯(RCL)总成，我提出了一种升压成线性的方法来实现LED灯的功能，包括流行的三灯序转。每个灯箱都有11个红色led串联，电流源符合电压约为25V。和我一起工作的工程师现在在Nexperia工作，和他一起工作很有趣。
我在TINA SPICE中为他构建了一个模拟，我们在Altium中回顾了他的布局。我从未见过他，直到野马投产后几年，这是虚拟工程支持的证明，也是我们最近一直在做的事情。如果有一件事可以从这篇文章中得到，那就是我们获得正确设计的秘密是与你喜欢合作的人或团队合作。分析它，回顾布局，并彻底测试它:这是汽车oem通常要求他们的级别!
图1．模拟使用行为块创建可变门驱动i/v强度，具有可编程软启动、频率和占空比。
图1中的模拟使用行为块(OSC_DRV)来创建具有可编程软启动、频率和占空比的可变门驱动器i/v强度。升压转换器非同步输出级显示在OSC_DRV宏旁边。该开环模拟是在TINA中构建的，用于评估寄生行为，并在大约10秒内在1MHz切换时运行2.5ms模拟。我将SPICE的动态时间步算法调整到最大50ns，以帮助确保在MOSFET跃迁期间准确计算电路矩阵。输入设置为14V，在1A处输出为24V。的Vishay SQ3418EV 40V采用MOSFET模型，MOSFET动态输入电容的结果如图2所示，其中栅极信号平台电压持续时间是栅极电阻的函数。典型的寄生被添加到电路中，包括横跨电感的10pF电容，以创建16MHz的电感自谐振频率(SRF);选择输出电感的SRF至少为开关频率的10倍。
在线功率计PM1测量MOSFET Q1的开关和导通损耗。从图2中的波形中注意到，栅极电阻显著地影响峰平均功耗。当然，这影响EMI，正如可以看到它对肖特基二极管，电容器和门电流的影响。野马设计的目标之一就是消除对法拉第屏蔽的需求。通过观察这些波形，很明显，如果元件选择和/或布局不正确，环路电流和MOSFET dv/dt足够高，会导致EMI问题。在寄生电感存在的情况下，甚至栅极驱动回路电流也会成为一个问题，特别是当人们考虑到FET的高跨导时。门上的任何寄生振铃都可能被放大，在电磁兼容室中造成大问题。注意，场效应晶体管的内部栅极电阻也应考虑在内。还要注意外部栅极电阻对输出噪声的影响，这是需要考虑的敏感问题ADAS应用程序，包括司机监控系统(DMS)和雷达/激光雷达。在升压变换器中，输出二极管的反向恢复电荷(Qrr)和/或结电容可能非常重要。确保你了解二极管的寄生，一般来说，不要把它放大，因为Qrr和结电容与尺寸成正比。
图2．开环模拟的MOSFET动态输入电容结果。
总之，SMPS的寄生谐振的大小可以在SPICE中量化，并用栅极电阻衰减。为了更好地理解MOSFET栅极电阻对开关稳压器功率的影响，已经提出了一个简单的SPICE模拟，这与PCB组件布局一起会影响可靠性和EMI。
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