汽车LED驱动器仿真揭示MOSFET开关行为

汽车白炽灯泡在很大程度上已经让位于更高效、更可靠、更时尚、甚至更安全的发光二极管 （LED）。LED的开启时间仅为加热白炽灯泡灯丝所需时间的一小部分，在几分之一秒很重要的刹车灯中特别有用。设计汽车LED灯的挑战在于满足政府对光输出的要求，同时还要具有成本效益。另一个障碍是设计复杂性，通常需要开关模式电源（SMPS）。SMPS更复杂、更昂贵，并且可能是电磁干扰（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）高边驱动器（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产生LED串顺从电压，该电压在启停和冷启动条件下的6V到19V不等。

升压拓扑使用MOSFET开关和二极管，如图1所示，开关可在纳秒内导通。如果此开关动作与PCB上的寄生元件共振，则可能会以辐射和传导发射的形式引起EMI。用于减轻开关稳压器EMI的一种技术是使用MOSFET栅极电阻器减慢输入电源电流和电压转换（di/dt和dv/dt）。但这究竟是做什么的，应该如何选择呢？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电路模拟器，如SPICE或SIMPLIS。另一种方法是使用ADS等2D或3D电磁（EM）模拟器与SPICE进行协同仿真。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更普遍地被理解并作为免费软件提供。

图1中的仿真电路图是升压转换器功率级的仿真电路图，此处用于评估栅极电阻对功率级的影响。在此仿真中，我将瞬态电压、电流和导通功率的大小视为潜在可靠性和EMI问题的指标;与组件选择相关的问题;和布局寄生效应。因此，应该很好地理解MOSFET模型以及所有组件模型。事实上，这就是EM仿真通过包含电路板寄生效应和耦合机制而大放异彩的地方。无论您采用哪种方法，都要听取Bob Pease和电路分析中其他知名人士的建议，他们建议您如果要客观地考虑结果，则应始终了解仿真的大致情况。我发现Vishay和Nexperia汽车MOSFET型号足以进行开关模式电源分析。

图1.使用行为模块进行仿真，以创建具有可编程软启动、频率和占空比的可变栅极驱动强度。

图1中的仿真使用行为模块（OSC_DRV）来创建具有可编程软启动、频率和占空比的可变栅极驱动I/V强度。升压转换器非同步输出级显示在OSC_DRV宏旁边。该开环仿真内置于TINA中，用于评估寄生行为，并在大约2秒内以5MHz开关运行1.10ms仿真。我将SPICE的动态时间步长算法限制为最大50ns，以帮助确保在MOSFET转换期间准确计算电路矩阵。输入设置为14V，输出设置为24V/1A。使用了 Vishay SQ3418EV 40V 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。电路中增加了典型的寄生效应，包括电感两端的10pF电容，以产生16MHz的电感自谐振频率（SRF）;选择输出电感，使SRF至少为开关频率的10倍。

在线功率计PM1测量MOSFET Q1的开关和传导损耗。从图2中的波形可以看出，栅极电阻会显著影响峰均功耗。当然，这会影响EMI，从它对肖特基二极管、电容和栅极电流的影响可以看出。野马设计的目标之一是消除对法拉第盾牌的需求。通过观察这些波形可以清楚地看出，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。在存在寄生电感的情况下，即使是栅极驱动环路电流也可能是一个问题，特别是考虑到FET的高跨导性时。栅极上的任何寄生振铃都可能被放大，从而在EMC室中引起大问题。请注意，还应考虑FET的内部栅极电阻。还要注意外部栅极电阻对输出噪声的影响，这对于敏感的ADAS应用（包括驱动器监控系统（DMS）和雷达/激光雷达）需要考虑这一点。在升压转换器中，输出二极管的反向恢复电荷（Qrr）和/或结电容可能很大。确保您了解二极管的寄生效应，并且通常不要过大，因为Qrr和结电容与尺寸成正比。

图2.来自开环仿真的MOSFET动态输入电容的结果。

总之，SMPS的寄生谐振幅度可以在SPICE中量化，并用栅极电阻衰减。本文提出了一个简单的SPICE仿真，以更好地理解MOSFET栅极电阻对开关稳压器功率级的影响，这些影响与PCB元件布局共同会影响可靠性和EMI。

审核编辑：郭婷