車載用LEDドライバ設計: EMC準拠を確保するためのグッドプラクティス
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2020年3月 - ますます多くの自動車メーカーがLED照明技術を採用し、ハロゲン電球から離れています。LED 照明システムには、列にあるデバイスの数、必要な電流、調光、およびその他の要因に応じて、さまざまな電源要件があります。従来のリニアレギュレータは、常にこれらのニーズを満たすことはできません。その結果、電子機器のエンジニアは、スイッチモード電源 (SMPS) にますます依存しています。ただし、SMPSは電磁干渉 (EMI) を発生します。
当記事では、コンポーネントの配置とレイアウトを通じてLEDドライバ設計のEMCを改善する効果的な方法と、半導体メーカーが自社製品に追加する機能について説明します。
PCBレイアウト
機械的寸法と拘束 (コネクタの位置や除外領域など) があるので、多くの場合、エンジニアはそれらを回避するよう配置を行なう必要があります。
優れたEMCを確実にする効果的な方法は、DC/DCコンバータをコネクタから遠く離し、両面アセンブリが可能な場合PCBの反対の面に配置することです。これにより、ハーネスへのノイズの結合が最小限に抑えられ、入力フィルタの影響を無くします。入力フィルタブロックは、コネクタの近く、DC/DCから離れた位置に配置して、フィルタインダクタにノイズが発生しないようにする必要があります。
それが不可能な場合、設計者はDC/DCコンバータブロック (コンバータIC、インダクタ、および入力コンデンサ) にローカルシールドを使用する必要があります。シールドは設計にコストを追加しますが、コンポーネントのフィルタリングを節約するのに役立ち、準拠しているデザインと準拠していない設計の違いとなります。
LED照明ソリューションが熱放散用に金属ヒートシンクを必要とする場合は、シールドとして使用できます。次の2つのシナリオが考えられます。
- ヒートシンクには、GNDへの接続ポイントがいくつかあるので、この接続ポイントは、放散を削減し、デバイスを干渉から保護します。
- ヒートシンクのGNDへの接続が悪い (例えば1つの接触点のみ) と、シールドの効果が低く、パッチアンテナとして機能する可能性さえあります。この場合、ヒートシンクとGNDの間の接続ポイントにフェライトビーズを追加して、干渉に対する設計の耐性を向上させます。
LED負荷がドライバボードと同じPCB上にない場合、長い負荷線 (10cm以上) がノイズを多く発生する可能性があります。これを軽減するために、コモンモード・チョークを入力で使用できます。ただし、より簡単なソリューションは、入力電圧ケーブル接続とGNDケーブル接続に2つのフェライトビーズを配置することです(図1を参照)。 両方の負荷ケーブルに出力フィルタを使用すると、放散が50MHz~108MHzの間にある場合の対処に役立ちます。
賢いレイアウトを作る
PCBレイアウトを計画した後、DC/DC 変換スイッチノードの経路指定を検討してください。この記事では、DC/DC ブロックの設計に役立つ方法について説明しています。
図1: リモート負荷を伴うLEDドライバに適した入力フィルタ設計
自動車用照明は安全のために重要であるため、LEDドライバ回路のEMIを低く抑え、干渉に対する感受性を低くすることが重要です。準拠LED設計は、摂動に関係なく、一定レベルの明るさと安定性を維持する必要があります。
ほとんどのLEDドライバICは、常時電流アプローチを使用し、電流検出抵抗を持っています。他の高度なドライバは、ノイズを拾い、潜在的に特性 (例えば、温度感知や調光) を拾うことができるICに入るいくつかの追跡手段を持っています。
可能な限り、ボードの内部層でこれらの追跡を配線し、外部層に銅でシールドします。2層PCBを使用する場合は、上層と下層を交互に短い長さで配線します。この方法は、各追跡の長さを短縮し、高周波干渉に対してボードを免疫化します。また、両方の層のGND平面に長いカットを入れることを避けます。参照GND平面のカットはインピーダンスを追加し、サイズに応じて高周波ノイズを発生させます。
図2: 2層ボードでの長い追跡の配線
コンポーネントが多くのトレースで近接している小さなボードでは、一般的に、配線に貫通孔を使用します (図3参照)。 GND銅面が大きな切り目を避けながら、貫通孔間に配置できる十分なスペースがあることを確認します。大きなカットがDC/DCブロックの近くにある場合は特に危険で、これは多くのレイアウトでよくある間違いです。
半導体メーカーはどのように技術を向上させているか
近年、半導体メーカーは、回路のEMCを改善しながら、DC/DCの電力と効率を向上させる方法を考えています。
周波数スペクトラム拡散 (FSS) 変調はディザリングとも呼ばれ、基本スイッチング周波数のエネルギーをピーク値が低い広いい帯域に広げます。これにより、コンバータはAMバンド内でスイッチング中にEMCテストに合格できます。また、コンバータがAMの上に切り替わるときにFMバンドで放射されるノイズを減少させます。
コンバータのEMIを改善するもう1つの方法は、パッケージ内にデカップリングコンデンサを含めることです。これにより、コンデンサとスイッチ間の寄生インダクタンスを最小限に抑え、BOMコストを削減し、効率的なデカップリングを実現します。
高度なLEDドライバの良い例は、降圧コンバータまたは昇降圧インバータ (BBI) として動作することができるMPSのMPQ7200です。これはAEC-Q100認定デバイスで、最大42Vから、降圧モードで動作する場合は3Aを、BBIモードで動作する場合は1.2Aの電流を供給できます。
図3: 貫通孔を使用した異なるレイヤーの接続
工場でトリミングされたFSS変調オプションにより、このデバイスはEMIパフォーマンスを向上させます。降圧モードでは2.3MHz、BBIモードでは1MHzでスイッチします。シリコン内で低損失電流センシング方式が実装され、外部電流検出抵抗の必要性がなくなります。
一般的な昇降圧トポロジーは4つのMOSFETスイッチで構成され、出力電圧はGNDに対し正の参照を与えられます。MPQ7200のBBIトポロジーは、2台のMOSFETスイッチのみで構成されており、コストとスイッチング・アクションを削減します。この2スイッチのBBIは、インダクタンスの出力側が接地に接続されている降圧トポロジーをエミュレートします。制御ループはMPQ7200の電力リファレンスを負の出力電圧にシフトします。パワーLEDはGNDと負の出力電圧の間で接続することができます。調節可能な電流制御ループ、温度検出、およびデジタル調光との組み合わせで、MPQ7200は、高度な電源LEDドライバです。
図4は、MPQ7200が車載アプリケーションの一般的な動作電圧に対して優れたラインレギュレーションを提供し、入力電圧は15Vから10Vまで変化し、出力電圧と電流は一定のままであることを示しています。
図4: MPQ7200の起動波形
もう一つの興味深いテストは、入力電圧割り込みが光ビームの品質にどのように影響するかを焦点にしています。入力電圧割り込みシーケンスは、14VDCから9.5V、8.5V、7.5V、6.5V、5.5V、4.5Vまでです。低電圧の谷の時間は200msから900msまで上昇します。可視光強度は低い入力電圧までほぼ一定のままで、4.5VパルスでLEDが完全にオフになります。
図5: 電源割り込み試験
結論
LED技術は、運転手が車両と通信するのを助けるためにますます多くのLEDが使用されるため、シグナリングと安全性の革新を可能にします。現代のLED照明の設計は、堅牢なままで大きな柔軟性を提供する必要があります。これは、LEDドライバの機能強化のおかげで可能です。照明ソリューションは、部品数が限られた小さなPCBに配置される傾向があるため、増え続けるEMCの要件を満たすためには、思慮深いコンポーネントの配置とレイアウト設計が必要です。
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