汽車白熾燈泡在很大程度上已經讓位于更高效、更可靠、更時尚、甚至更安全的發光二極管 （LED）。LED的開啟時間僅為加熱白熾燈泡燈絲所需時間的一小部分，在幾分之一秒很重要的剎車燈中特別有用。設計汽車LED燈的挑戰在于滿足政府對光輸出的要求，同時還要具有成本效益。另一個障礙是設計復雜性，通常需要開關模式電源（SMPS）。SMPS更復雜、更昂貴，并且可能是電磁干擾（EMI）的來源，特別是與通常用于打開白熾燈泡的車身控制模塊（BCM）高邊驅動器（HSD）相比。產生足夠的光輸出通常需要一系列 LED。因此，升壓轉換器通常用于從汽車電池產生LED串順從電壓，該電壓在啟停和冷啟動條件下的6V到19V不等。

升壓拓撲使用MOSFET開關和二極管，如圖1所示，開關可在納秒內導通。如果此開關動作與PCB上的寄生元件共振，則可能會以輻射和傳導發射的形式引起EMI。用于減輕開關穩壓器EMI的一種技術是使用MOSFET柵極電阻器減慢輸入電源電流和電壓轉換（di/dt和dv/dt）。但這究竟是做什么的，應該如何選擇呢？分析柵極電阻的影響有兩種方法。第一種也是更常見的方法是使用電路模擬器，如SPICE或SIMPLIS。另一種方法是使用ADS等2D或3D電磁（EM）模擬器與SPICE進行協同仿真。后者要復雜得多，但同樣更全面。它還需要昂貴的軟件和熟悉這些工具的用戶。另一方面，SPICE更普遍地被理解并作為免費軟件提供。

圖1中的仿真電路圖是升壓轉換器功率級的仿真電路圖，此處用于評估柵極電阻對功率級的影響。在此仿真中，我將瞬態電壓、電流和導通功率的大小視為潛在可靠性和EMI問題的指標;與組件選擇相關的問題;和布局寄生效應。因此，應該很好地理解MOSFET模型以及所有組件模型。事實上，這就是EM仿真通過包含電路板寄生效應和耦合機制而大放異彩的地方。無論您采用哪種方法，都要聽取Bob Pease和電路分析中其他知名人士的建議，他們建議您如果要客觀地考慮結果，則應始終了解仿真的大致情況。我發現Vishay和Nexperia汽車MOSFET型號足以進行開關模式電源分析。

圖1.使用行為模塊進行仿真，以創建具有可編程軟啟動、頻率和占空比的可變柵極驅動強度。

圖1中的仿真使用行為模塊（OSC_DRV）來創建具有可編程軟啟動、頻率和占空比的可變柵極驅動I/V強度。升壓轉換器非同步輸出級顯示在OSC_DRV宏旁邊。該開環仿真內置于TINA中，用于評估寄生行為，并在大約2秒內以5MHz開關運行1.10ms仿真。我將SPICE的動態時間步長算法限制為最大50ns，以幫助確保在MOSFET轉換期間準確計算電路矩陣。輸入設置為14V，輸出設置為24V/1A。使用了 Vishay SQ3418EV 40V MOSFET 模型，MOSFET 動態輸入電容的結果如圖 2 所示，其中柵極信號平臺電壓持續時間是柵極電阻的函數。電路中增加了典型的寄生效應，包括電感兩端的10pF電容，以產生16MHz的電感自諧振頻率（SRF）;選擇輸出電感，使SRF至少為開關頻率的10倍。

在線功率計PM1測量MOSFET Q1的開關和傳導損耗。從圖2中的波形可以看出，柵極電阻會顯著影響峰均功耗。當然，這會影響EMI，從它對肖特基二極管、電容和柵極電流的影響可以看出。野馬設計的目標之一是消除對法拉第盾牌的需求。通過觀察這些波形可以清楚地看出，如果元件選擇和/或布局不正確，環路電流和MOSFET dv/dt足夠高，會導致EMI問題。在存在寄生電感的情況下，即使是柵極驅動環路電流也可能是一個問題，特別是考慮到FET的高跨導性時。柵極上的任何寄生振鈴都可能被放大，從而在EMC室中引起大問題。請注意，還應考慮FET的內部柵極電阻。還要注意外部柵極電阻對輸出噪聲的影響，這對于敏感的ADAS應用（包括驅動器監控系統（DMS）和雷達/激光雷達）需要考慮這一點。在升壓轉換器中，輸出二極管的反向恢復電荷（Qrr）和/或結電容可能很大。確保您了解二極管的寄生效應，并且通常不要過大，因為Qrr和結電容與尺寸成正比。

圖2.來自開環仿真的MOSFET動態輸入電容的結果。

總之，SMPS的寄生諧振幅度可以在SPICE中量化，并用柵極電阻衰減。本文提出了一個簡單的SPICE仿真，以更好地理解MOSFET柵極電阻對開關穩壓器功率級的影響，這些影響與PCB元件布局共同會影響可靠性和EMI。

審核編輯：郭婷