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MPQ3910A参考设计-用于激光雷达应用中APD的高压升压变换器

参考设计

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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


figure 1 eval board

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。

block diagram

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

3

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

4

图4: 第一层PCB

5

图4: 第二层PCB

6

图4: 第三层PCB

7

图4: 第四层PCB

测试结果

4.1 效率和调整率

8

图8: 效率与负载电流

9

图9: 线性调整率

9

图10:负载调整率

4.2 时域波形

VIN = 12V, VOUT = 300V, L = 12µH, FSW = 375kHz, TA = 25ºC

11-12

图11: 稳态- 图12: 稳态

13-14

图13: 通过VIN启动- 图14: 通过VIN启动

15-16

图15：通过VIN关断 - 图16：通过 VIN关断

17-18

图17：通过EN启动-图18：通过EN启动

19-20

图17：通过EN关断-图18：通过EN关断

21-22

图21：单负载阶跃-图22：单负载阶跃

23-24

图23：重复负载阶跃5kHz-图24：重复负载阶跃10kHz

25-26

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

27

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：

Figure 28: PCB with a local shield made of copper.

图28：自带铜屏蔽罩的PCB

Figure 29: Area covered by the shield

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

30

图30：CISPR25等级 5传导发射

31

图31：CISPR25等级 5辐射发射

5 启动

    1. 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. 2. 预设电源输出在3V至30V之间，然后关闭电源。
    3. 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. 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. 5. 打开电源，电路板将自动启动，VOUT默认为300V。
    6. 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。
      7. $$R_{12}= {R_{11}\over{\frac {V_{out}}{1.237} -1}}$$
    7. 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。

下载完整的参考设计