如何降低MAX20444应用中PWM相关噪声

本应用笔记描述了MAX20444 4通道背光高亮度LED驱动器工作在一定脉宽调制（PWM）调光频率时可能产生的可闻噪声的根本原因。提出了几种对策来缓解这个问题。

介绍

脉宽调制（PWM）调光是LED背光驱动系统中广泛使用的技术，因为它可以避免LED正向电流变化时发生的光谱偏移。

当通过PWM实现调光时，施加到LED的标称电流以固定频率打开和关闭。这样，RMS和平均电流值随着亮度一起变低，但由于驱动LED的峰值电流始终处于标称值，因此色温保持不变。

本应用笔记重点介绍MAX20444峰值电流模式控制LED驱动器的升压拓扑结构，以及驱动PWM信号可能产生的噪声问题。MAX20444具有以下特性：

四个集成电流输出，每个输出可吸收高达 130mA 的 LED 电流

集成扩频和移相

我2C 控制 PWM 调光和混合调光

400kHz 至 2.2MHz 之间的可编程开关频率

图1.MAX20444典型工作电路（I2C 模式）。

可听噪声的来源

放置在升压LED驱动器输出端的复合滤波电容通常是陶瓷电容（即多层陶瓷电容（MLCC））和电解电容（ECAP）或铝有机聚合物电容（POSCAP和SPCAP）的混合物。输出电容的ESR、ESL和大容量电容会影响总输出电压纹波。与单层MLCC相比，MLCC覆盖了更高的电容值范围，用于降低输出ESR和ESL效应。此外，对于电解电容器和聚合物电容器，MLCC随着时间的推移具有更高的可靠性，在较高频率下具有更低的阻抗和更低的单位成本。

然而，当实现PWM调光时，由于介电材料的压电效应（见图2），脉冲LED电流使它们机械共振，产生的振动被传递到PCB表面。

可听频率的标准范围是20Hz至20kHz，尽管个人可以听到的频率范围受到环境因素的极大影响。虽然没有理论上限，但使用的PWM调光频率不应低于100Hz，以避免视觉闪烁。但是，必须考虑到，随着调光频率的增加，可实现的调光比会降低，并且如果PWM频率在音频范围内，人耳可以感知声音。

图2.MLCC 和 PCB 振动。

在许多汽车应用中，添加不显示压电特性的电解或铝有机聚合物电容器以提供大部分输出大容量电容。在某些情况下，由于成本或尺寸限制以及降噪需求变得至关重要，首选仅使用陶瓷电容器。

声学降噪方法

鉴于总升压输出滤波器电容的陶瓷部分主要负责可听噪声，并且在20Hz至20kHz频率范围内有效，最明显的解决方案是采用上述范围之外的PWM信号，或者仅使用ECAP、POSCAP或SPCAP作为输出电容。当这两种选择都不可行时，可以采取几种对策来缓解此问题。

由低失真介电材料制成的特殊陶瓷电容器，与通用电容器相比变形更小，可从不同制造商处购买（村田制作所的GJ8系列）。其他陶瓷电容器由于安装在中介层基板上（村田制作所的ZRA/ZRB系列），或者通过金属端子（村田制作所的KRM/KCM系列或TDK的CKG系列）“悬浮”在电路板表面，不会将振动传递到电路板上。金属端子电容器在噪声抑制方面提供最佳效果。通常，应该注意的是，噪声抑制还取决于电容器外壳尺寸。较小的外壳尺寸往往比较大的外壳尺寸产生更低的噪音水平。

MLCC往往价格较高，因此无法被终端设备制造商广泛使用。由于噪声的来源是MLCC与PCB的相互作用，因此即使选择标准陶瓷电容器，布局和机械设置调整也可以有效。

将输出陶瓷电容器放置在PCB的边缘可以降低声压级。或者，在PCB的顶部和底部对称地安装成对的相同组件也有助于降低噪声水平，因为两种振动相互抵消，PCB停止共振。

如果陶瓷电容器和PCB之间的机械耦合最小化，则可以进一步降低残余噪声。通过在焊接点旁边的PCB上铣削孔，受刺激的PCB面积显着减少。图3显示了PCB上围绕一个陶瓷电容器的标记孔。

图3.陶瓷电容器周围的PCB切口。

MAX20444评估板上的噪声测量

通常，声学噪声可以通过测量声压级来量化。将要测量的对象设置为消声盒内的工作状态，并使用噪声计使用麦克风测量声压级。此外，可以使用FFT分析仪检查声压级频率特性，以便进行评估和解决方案。

标准MAX20444评估板（EV kit）的输出电容由两个4.7μF陶瓷电容和一个47μF电解电容并联组成。

将一块改进的评估板与另外两块评估板进行比较。在改进的评估板中，电容被10个10μF陶瓷电容和<>个<>μF电解电容并联，以获得大致相同的输出电容值，同时强调噪声效应。另外两块评估板采用以下输出电容配置：

两个 4.7μF 电解电容器与一个 47μF 电解电容器并联。

两个4.7μF低噪声陶瓷电容器与两个22μF低噪声陶瓷电容器并联（均来自村田KRM系列）。

使用1kHz至3kHz范围内的不同PWM频率，并通过将信号的占空比从0%扫描到100来评估三块板产生的噪声。

通过主观分析（即直接聆听）可以证明，在采用替代配置的评估板中，可听噪声水平均有所降低。

结论

如果没有适当的布置，PWM调光和升压LED驱动器输出端的陶瓷电容器引起的噪声在几米外都能清晰地听到。通过限制电容器的移动，通过最小化PCB的谐振面积，以及通过选择特殊的陶瓷电容器，噪声降低到如此低的水平，以至于用户需要尽可能靠近PCB才能听到非常低的残余嗡嗡声。

审核编辑：郭婷