MPQ3910A参考设计-用于激光雷达应用中APD的高压升压变换器

每月为您发送最具参考价值的行业文章
我们会保障您的隐私
1. 概述
1.1 描述
自动驾驶汽车近年来一直是个热门话题,而且它正逐渐变为现实。为了实现更加高度的自主性,新型车辆将各种环境检测方法组合在一起,例如摄像头、雷达和激光雷达(LiDAR)。
激光雷达是一种类似于雷达的测距设备,只是用光波代替了RF波。它通过激光二极管发出光脉冲,用雪崩光电二极管(APD)感应物体的反射,以确定飞行时间,进而确定与反射物体之间的距离。
激光雷达系统需要通过高压电源来偏置APD传感器,根据这种光电二极管的尺寸不同,可能需要高达300V的电压,这对电源设计是个极大的挑战。电源必须具备成本效益,且通过汽车行业的EMC法规。
本参考设计采用MPQ3910A来控制工作于非连续导通模式(DCM)的升压变换器。它允许采用经济的小型组件,并克服了超高占空比带来的限制。通过电荷泵,电压被有效加倍升压,实现了大于 350V的输出能力;同时仍可使用额定电压较低的半导体来实现,比同类高压产品更小、更便宜,且性能更好。
1.2 特性
- 符合AEC-Q100规范
- 符合CISPR-25 等级5标准
- 5V至35V宽工作输入电压范围
- 具有12V/1A能力的单N沟道MOSFET栅极驱动器
- 可调频率范围:30kHz至400kHz
- 外部同步时钟范围:80kHz至400kHz
- 可调软启动(SS)
- 过流保护(OCP)
- 输出过压保护(OVP)
- 短路保护(SCP)
- 具有外部电源选项的内部LDO
- 轻载时的跳脉冲操作
- 采用MSOP-10封装

图1: 评估板
1.3 应用
汽车激光雷达APD 电源
2 参考设计
2.1 简化原理图
具有12V标称输入、300V/15mA输出能力以及EMI滤波器和极性保护的升压变换器。

图2: 功能框图
2.2 相关解决方案
本参考设计基于以下MPS解决方案:
MPS 集成电路 | 描述 |
MPQ3910A | 5V至35V输入,峰值电流模式,异步升压控制器,符合AEC-Q100规范 |
2.3 系统规格
参数 | 规格 |
输入电压范围 | 3VDC to 35VDC |
输出电压 | 300VDC |
最大输出电流 | 15mA |
开关频率 | 375kHz |
板尺寸 | 89mmx63mmx5mm |
峰值效率 | 83% |
300V输出纹波 | 200mVp-p |
3 设计
3.1 原理图

图3:原理图
3.2 BOM
标识 | 数量 | 值 | 封装 | 生产商 | 产品型号 |
C1, C3, C16 | 3 | 0.1µF 250V | 0805 | TDK | CGA4J3X7T2E104K125AE |
C2, C4 | 2 | 0.47µF 250V | 1812 | Murata | GCJ43DR72E474KXJ1L |
C5 | 1 | 15nF 50V | 0603 | Murata | GCM188R72A153KA37D |
C6, C8, C9 | 3 | 4.7µF 50V | 0805 | TDK | CGA4J3X5R1H475M125AB |
C7 | 1 | 47µF 50V | 6x6 | Panasonic | EEE-FT1H470AP |
C10 | 1 | 0.47µF 450V | 1812 | TDK | C4532X7T2W474M230KE |
C11 | 1 | 1µF 50V | 0805 | Murata | GCM21BR71H105KA03L |
C12 | 1 | 4.7µF 25V | 0805 | TDK | CGA4J1X7R1E475K125AC |
C13 | 1 | 0.47µF 16V | 0603 | Murata | GCM188R71C474KA55D |
C15 | 1 | 6.8nF 16V | 0603 | Murata | GCM188R72A682KA37D |
D1, D2, D3 | 3 | BAS21 | SOD-323 | Rohm | BAS21VMFHTE-17 |
D4 | 1 | NRVTS245ESFT3G | SOD-123 | ON Semiconductor | NRVTS245ESFT3G |
D5 | 1 | SMBJ30CA-E3/52 | SMB | Comchip | ATV06B240JB-HF |
D6 | 1 | PMEG6010CEJ | SOD-323 | Nexperia | PMEG6010CEJ,115 |
L1 | 1 | 12µH 1.75A | 6235 | Coilcraft | LPS6235-123MRB |
L2 | 1 | 4.7µH 0.6A | 0805 | Murata | LQM21PZ4R7NGRD |
L3, L4 | 2 | 1µH 1.3A | 0805 | Murata | LQM21PZ1R0NGRD |
Q1 | 1 | SQJ454EP | SO-8FL | Vishay | SQJ454EP-T1_GE3 |
R1, R3, R13 | 3 | 0Ω 5% | 0603 | Vishay Dale | CRCW06030000Z0EB |
R2, R7, R8, R9, R10 | 5 | 100kΩ 1% | 0603 | Vishay | CRCW0603100KFKEA |
R4 | 1 | 6.2kΩ 1% | 0603 | Panasonic | ERJ-3EKF6201V |
R5 | 1 | 50mΩ 1% | 1206 | Panasonic | ERJ-8CWFR050V |
R6 | 1 | 7.5kΩ 5% | 0603 | Vishay | CRCW06037K50FKEA |
R11 | 1 | 82kΩ 1% | 0603 | Vishay | CRCW060382K0FKEA |
R12 | 1 | 2kΩ 1% | 0603 | Vishay | CRCW06032K00FKEA |
U1 | 1 | MPQ3910 | MSOP-10 | MPS | MPQ3910GK-AEC1 |
3.3 PCB 布局

图4: 第一层PCB

图4: 第二层PCB

图4: 第三层PCB

图4: 第四层PCB
测试结果
4.1 效率和调整率

图8: 效率与负载电流

图9: 线性调整率

图10:负载调整率
4.2 时域波形
VIN = 12V, VOUT = 300V, L = 12µH, FSW = 375kHz, TA = 25ºC
图11: 稳态- 图12: 稳态
图13: 通过VIN启动- 图14: 通过VIN启动
图15:通过VIN关断 - 图16:通过 VIN关断
图17:通过EN启动-图18:通过EN启动
图17:通过EN关断-图18:通过EN关断
图21:单负载阶跃-图22:单负载阶跃
图23:重复负载阶跃5kHz-图24:重复负载阶跃10kHz
图25:重复负载阶跃20kHz-图26:重复负载阶跃50kHz
4.3 散热测量
VIN = 12V, VOUT = 300V, L = 12µH, FSW = 375kHz, TA = 25ºC, 2h run time

图27: 散热图
4.4 EMC 测量
该电路的开关节点具有非常强的方波信号,而且由于约150V的电压摆幅,具有较高的dV/dt。高dV/dt会产生强电场,会将噪声耦合到系统中的其他电路和线束中。为减轻这种现象,APD电源应放置在金属外壳内或靠近汽车中的金属板,以将金属板用作电场屏蔽罩。
如果不能实现,另一种方法是在PCB的噪声区域放置一个小型金属屏蔽罩,覆盖电感、MOSFET、整流器和输出电容。本文即采用了这种方法,将PCB作为独立设备进行测试。下图显示了我们采用的屏蔽罩:

图28:自带铜屏蔽罩的PCB

图29:屏蔽罩覆盖区域
下图显示了在电波暗室(ALSE)中进行的CISPR25传导发射和辐射发射的测试结果。
VIN = 12V, VOUT = 300V, IOUT = 10mA L = 12µH, FSW = 375kHz, TA = 25ºC, 带屏蔽罩

图30:CISPR25等级 5传导发射

图31:CISPR25等级 5辐射发射
5 启动
- 1. 将负载的正极和负极分别连接到VOUT和GND引脚。确保负载可承受300V或更高电压。注意,电子负载代表了稳压器的负阻抗,如果电流设置过高,会触发过流保护或短路保护。
- 2. 预设电源输出在3V至30V之间,然后关闭电源。
- 3. 将电源输出的正极和负极分别连接到VIN 和GND引脚。如果输入电压高于13V,则确保移除R13。
- 4. 如果输入电压低于5V,则移除R1并将辅助电源连接到最高13V的VBIAS。
- 5. 打开电源,电路板将自动启动,VOUT默认为300V。
- 6. 外部电阻分压器R7-R11和R12用于设置输出电压。若VOUT = 300 V,则R7 -R11之和必须为482kΩ,R12必须为2kΩ。 $$R_{12}= {R_{11}\over{\frac {V_{out}}{1.237} -1}}$$
- 8. 为提高输出电流能力,可以在板上重新安装额定功率更高的器件。确保外部分立半导体的TJ不超过175ºC。
直接登录
创建新帐号