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。
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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。
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