如何改善汽车电子LED驱动器设计的EMC

作者：FRANCESCESTRAGUÉS和拉尔夫OHMBERGER

越来越多的汽车制造商不再使用卤素灯泡，而是采用LED技术。但是，LED照明系统具有不同的电源要求，具体取决于串上存在的设备数量，所需电流，调光以及其他因素。传统的线性稳压器无法始终满足这些需求，因此设计人员越来越依赖开关模式电源（SMPS）。这些会产生电磁兼容性（EMC）合规性问题，需要解决。

幸运的是，有许多有效的方法可以通过组件放置和布局来改善LED驱动器设计的EMC，以及半导体制造商正在为其产品添加的有用功能。让我们看看其中的一些。

PCB布局

在PCB的设计中，机械尺寸和放置限制（例如连接器位置和保留区域）通常会使SMPS PCB布局复杂化。即便如此，工程师还是可以采取一些措施来减少EMC问题。确保良好EMC的一种有效方法是，如果可能进行双面组装，则将DC / DC转换器放置在远离连接器的位置，并在PCB的另一侧。这样可以最大程度地减少耦合到线束中的噪声，从而消除了输入滤波器的影响。同时，应将输入滤波器模块放置在靠近连接器且远离DC / DC的位置，以免对滤波器电感器产生任何噪声。

如果无法进行此类放置，则设计人员应为DC / DC转换器模块（转换器IC，电感器和输入电容器）使用局部屏蔽。屏蔽层会增加设计成本，但可以帮助节省过滤组件，通常这取决于设计是否兼容。

如果LED照明解决方案需要金属散热片来散热，则该散热片可以充当屏蔽层。有两种可能的情况：

散热器具有多个良好的GND连接点，以减少辐射并保护器件免受干扰。

散热器与GND的连接不良（例如，只有一个接触点），因此屏蔽效果较差，甚至可能充当贴片天线。在这种情况下，在散热器和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同一PCB上时，较长的负载线（> 10 cm）会产生过多的噪声。为了减轻这种情况，请在输入端使用共模扼流圈。甚至更简单的解决方案是在VIN电缆连接和GND电缆连接处放置两个铁氧体磁珠，如图1所示。当传导发射很高，在50 MHz至108 MHz之间时，在两根负载电缆上都使用输出滤波器有助于辐射发射。

图1用于具有远程负载的LED驱动器的良好输入滤波器设计在电缆连接处包括铁氧体磁珠。

PCB布线

在规划PCB布局之后，请考虑将DC / DC转换开关节点路由到何处。在EDN文章“PCB设计，低EMI DC-DC转换器”提供了关于如何设计的DC / DC模块有用的指示。

由于汽车照明对于安全至关重要，因此LED设计必须保持一定的亮度水平和稳定性，而不受干扰的影响。因此，重要的是保持LED驱动器电路产生的低电磁干扰（EMI）以及低的干扰敏感性。

大多数LED驱动器IC使用恒定电流方法，并且可能具有电流感应电阻器。其他高级驱动器具有进入IC的多条迹线，这些迹线会吸收噪声并可能影响性能（例如，温度感应或调光）。将这些走线尽可能在电路板的内层布线，并在外层用铜屏蔽它们。

当使用2层PCB时，请避免通过布线较长的走线来切割GND平面。这样的大切口是许多布局中的常见错误，当大切口靠近DC / DC模块时，这尤其危险，因为参考GND平面中的切口会增加阻抗，并根据尺寸而产生高频噪声。而是通过在顶层和底层之间交替较短的距离来布线走线，如图2所示。这种方法减少了每条走线的长度，从而使电路板更不受高频干扰的影响。

图2在2层电路板设计中，为了避免产生高频噪声的可能性最小，请在两层电路板设计中通过交替排列较短的长度来避免长时间的走线。

还要注意通过放置。在元件附近有许多走线的小板上，通常使用过孔进行布线。但是，如图3所示，紧密堆积的通孔也会导致金属层的长切口。确保过孔之间有足够的空间，以便可以在它们之间放置GND铜层，以避免大的切口。

图3如果过孔之间的距离太近，连接过孔会在接地平面上产生不希望的长切口。

半导体EMC改进

在过去的几年中，半导体制造商已经想出了几种方法来提高DC / DC功率和效率，同时还改善电路的EMC。一种方法是使用频率扩展频谱（FSS）调制（有时称为抖动）将基本开关频率的能量扩展到具有较低峰值的较宽频带。这种方法允许转换器在AM波段（535 kHz至1605 kHz）内切换时通过EMC测试。当转换器切换到高于AM频段的频率时，它还可以降低FM频段（88 MHz至108 MHz）中辐射的噪声。

制造商改善转换器EMI的另一种方法是包括一个封装内的去耦电容器。这通过最小化电容器和开关之间的寄生电感来提供有效的去耦，并且还降低了PCB BOM成本。

MPS的MPQ7200是高级LED驱动器的一个很好的例子。借助工厂调整的FSS调制选项以提高EMI性能，该器件在降压模式下以2.3 MHz切换，在降压-升压逆变器（BBI）模式下以1 MHz切换。在硅中实现了一种低损耗电流检测方法，从而无需外部电流检测电阻器及其相关走线。

随着越来越多的LED用于帮助驾驶员与其车辆通信，LED技术实现了信号和安全性方面的创新。现代LED照明设计需要提供出色的灵活性，同时保持坚固性并消除EMC问题。照明解决方案通常在BOM数量有限的小型PCB中使用，因此有必要进行周密的组件布置和布局设计，以满足日益增长的EMC要求。LED驱动器芯片的功能改进也有助于解决此问题。

FrancescEstragués是Monolithic Power Systems的一名应用工程师，Ralf Ohmberger是一名高级应用工程师。

编辑：hfy