MPQ3910A参考设计-用于激光雷达应用中APD的高压升压变换器
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
- 符合AEC-Q100规范
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
MPQ3910A是一款具有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是MPQ3910A的功能框图。
图2: MPQ3910A 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5: 第二层PCB
图6: 第三层PCB
图7: 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
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