AN191 - 如何利用 NTC调节 MPQ7200 的 LED 电流降额

应用说明

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

摘要

MPQ7200 是一款 42V/1.2A 升降压或 3A 降压同步 LED 驱动器，符合 AEC-Q100 认证，支持汽车前照灯、日间行车灯 (DRL)、转向指示灯和尾灯等应用。汽车前照灯LED通常具有 10W 至 15W 的功率。LED 和 MPQ7200可以共享一个 PCB以提高性价比，但这样设计LED 电源会使 PCB 升温，从而增加MPQ7200 芯片的温度。

本应用说明的目的是提高 MPQ7200 在全光强度下的最高工作温度，并防止因芯片温度过高而导致过温关断。当 MPQ7200 超过一定环境温度(T_AMBIENT)时，LED 电流和可见光功率将自动降低。在设计中，MPQ7200 采用外部负温度系数 (NTC) 电阻来测量 PCB 的温度。

本应用说明将讨论，在 T_AMBIENT 超过 50°C 时，如何利用汽车前照灯来降低 LED 电流。

简介

MPQ7200 是一款内部集成功率 MOSFET 的高频、恒流、升降压 LED 驱动器。它提供了非常紧凑的解决方案，可实现高达 1.2A 的连续输出电流(I_OUT)，并在宽输入电源范围内具有出色的负载和线性调整率。MPQ7200 还可以配置为降压模式，以提供高达 3A 的恒定负载电流。

MPQ7200采用恒频迟滞控制以提供超快速瞬态响应，无需环路补偿。在降压模式下，其开关频率(f_SW)可设置为高达 2.3MHz的固定频率，以降低电流纹波并改善 EMI。f_SW还可以配置为最低 1.15MHz，以在升降压模式下优化效率和散热性能。

MPQ7200具备全面的保护功能，包括过流保护 (OCP)、输出过压保护 (OVP)、输出欠压保护 (UVP)、热降额 (TD) 和过温关断 (TSD)保护。一旦发生故障，故障指示器会输出一个有效逻辑低电平信号。

MPQ7200 只需最少数量的现有标准外部元器件，并采用节省空间的 QFN-19 (3mmx4mm) 封装。

其应用包括汽车前照灯、转向指示灯、雾灯、尾灯、日间行车灯 (DRL)、电池供电手电筒和车灯。

评估板

EVQ7200-L-00A 和 EVQ7200-L-00B 是两款评估板，分别用于展示 MPQ7200 在降压模式和升降压模式下的功能。

本应用笔记将讨论 MPQ7200 的负温度系数 (NTC) 热降额。MPQ7200 以1.15MHz的开关频率在升降压模式下运行。其变体 MPQ7200A具有更低的f_SW值（在升降压模式和升压模式下为 410kHz）和不同的 NTC 热降额水平。有关选择 NTC 热降额的更多详细信息，请参阅 MPQ7200 或 MPQ7200A 的数据手册。

图 1 和图 2 分别显示了MPQ7200在降压模式和升降压模式下的布局差异。图 1 为降压模式的 EVQ7200-L-00A 评估板，其无源元件更少。

图 1：EVQ7200-L-00A 评估板（降压模式）

电路板型号	MPS IC型号
EVQ7200-L-00A	MPQ7200GLE-AEC1

图 2 显示了升降压模式的EVQ7200-L-00B 评估板。

图 2：EVQ7200-L-00B 评估板（升降压模式）

电路板型号	MPS IC型号
EVQ7200-L-00B	MPQ7200GLE-AEC1

测量装置

图 3 显示了调节NTC 热调光降额的测量装置。

图 3：MPQ7200的NTC 热调光降额测量装置

图3 中的测试设备详细描述如下：

MPS 效率计(A): MPS 提供的效率计采用四线电压和电流测量 IC 输入电压(V_{IN_IC})、PCB 输入电流 (I_IN)、LED 电压(V_LED)和 LED 电流(I_LED)，为 MPQ7200 提供精确的功耗和效率测量。
电压表(B): 电压表测量PCB 输入端子上的输入电压(V_{IN_PCB})。在本例中，V_{IN_PCB} = 13.5V.
PCB 热电偶温度计(C): PCB 板载NTC 电阻(R_NTC)用于测量PCB 温度，这也是MPQ7200 LED 电流降额的温度信号。粘在 R_NTC顶部的外部 NTC 电阻用于测量R_NTC的温度。外部NTC 电阻的温度(T_NTC)通过万用表读取。
IC 的热电偶温度计: IC 的热电偶用于测量 MPQ7200 封装顶部的温度(T_IC)。使用外部热电偶无法十分精确地测量硅芯片的温度。但使用小型热电偶时，测量误差可以忽略不计。因为封装的顶面是一层塑料薄层，这让硅片和热电偶之间的温差只有几开尔文。

图 4 显示了两种不同的 K 型热电偶。左侧的热电偶是带细线的 Keysight TCK-401301-SE，建议使用导热胶将小型测量目标粘在 PCB 上。右侧的热电偶为采用粗线的通用型，不建议粘在小目标上。

热电偶的线缆由金属制成，用于将热量从测量点传递到气候室的内部和外部环境。这种热传递会导致一定的测量误差，尤其会导致测得的温度低于目标的真实温度。为减少测量误差，建议采用细线热电偶，并在加热室内放置较长的隔热电线。

图4: K型热电偶

电源(E): 电源用于为 V_{IN_PCB}供电。被测 (DUT) PCB 上有板载 EMC 滤波器，后面跟一个用于反极性保护的肖特基二极管。 V_{IN_PCB}在 EMC 滤波器的输入端测得，V_{IN_IC}在肖特基二极管的输出端测得。
外部微调电位器(R_PARALLEL) (F): 当放置在气候室外面时，R_PARALLEL 可取代 PCB 的表面贴装 (SMT) 电阻，将 NTC 热调光的降额起点设置为所需的环境温度(T_AMBIENT，约为50° C).

图 5 显示了 R_PARALLEL 的实验装置。通过该实验，可以找到恰当的 R_PARALLEL 电阻，与 R_NTC并联放置。

图 5：R_PARALLEL 将NTC 热降额起始值调节为 T_AMBIENT = 50°C

示波器(G)(I_LED 和引脚 19 的 V_NTC (V_NTC2)): G 用于精确测量 V_NTC2的最高方波幅度。最高幅度为模拟 NTC 热降额提供温度相关信息。该示波器采用电流探头测量 I_LED 并显示计算出的 RMS 值。I_LED 的波形特征可通过示波器进行监控。需注意的是，效率计能够以更高精度测量RMS值。
DUT气候室（H）: 气候室用于控制 T_AMBIENT，还能利用安装在纸箱上方几厘米处的传感器来控制气流温度。

图 6 显示了封住被测 PCB 的纸箱，纸箱可隔绝气候室中的气流。整个 PCB 在没有空气流通的情况下被测试，其他产品也是如此。

图 6：气候室中位于封闭纸箱下的被测 PCB

如何调节热降额

将被测设备置于所需的 T_AMBIENT (50°C)下并调节R_PARALLEL，直到最大 I_LED (I_{LED_MAX})开始从其典型值的 100% 下降到一个较低的值。NTC 调光降额可以表示为比率(DIM_RATIO) 或百分比。其原理图和组件的详细信息，请参见图 7 、图 8 及图 9。

DIM_RATIO 百分比可以用公式 (1) 来计算：

$$DIM_{RATIO} [\%] = 100 \times \frac {I_{LED MAX}}{I_{LED}}$$

根据 I_{LED_MAX}，最大 RMS I_LED在 50°C T_AMBIENT下低于降额起始点，且_LED 在 T_AMBIENT下测得。

热电偶和电阻

本节内容将介绍PCB 上的电阻 R_NTC、R_PARALLEL，以及热电偶。本应用说明采用了 47kΩ的 R_NTC (at T_NTC= 25°C)和负温度系数来检测 PCB 上的T_NTC。将 R_NTC放置在距离 MPQ7200 几厘米的位置，通过R_NTC 设置 DIM_RATIO。这样得到的是模拟 I_LED 电流降额，而不是脉宽调制 (PWM)降额。

将一个K 型热电偶粘在 R_NTC顶部，并通过数字万用表的温度刻度读取热电偶信号。另一个 K 型热电偶则测量 MPQ7200 的顶部封装温度。图 7 显示了两个放置在 IC 封装和R_NTC上的K 型热电偶。