如何降低MAX20444應用中PWM相關噪聲

本應用筆記描述了MAX20444 4通道背光高亮度LED驅動器工作在一定脈寬調制（PWM）調光頻率時可能產生的可聞噪聲的根本原因。提出了幾種對策來緩解這個問題。

介紹

脈寬調制（PWM）調光是LED背光驅動系統中廣泛使用的技術，因為它可以避免LED正向電流變化時發(fā)生的光譜偏移。

當通過PWM實現調光時，施加到LED的標稱電流以固定頻率打開和關閉。這樣，RMS和平均電流值隨著亮度一起變低，但由于驅動LED的峰值電流始終處于標稱值，因此色溫保持不變。

本應用筆記重點介紹MAX20444峰值電流模式控制LED驅動器的升壓拓撲結構，以及驅動PWM信號可能產生的噪聲問題。MAX20444具有以下特性：

四個集成電流輸出，每個輸出可吸收高達 130mA 的 LED 電流

集成擴頻和移相

我2C 控制 PWM 調光和混合調光

400kHz 至 2.2MHz 之間的可編程開關頻率

圖1.MAX20444典型工作電路（I2C 模式）。

可聽噪聲的來源

放置在升壓LED驅動器輸出端的復合濾波電容通常是陶瓷電容（即多層陶瓷電容（MLCC））和電解電容（ECAP）或鋁有機聚合物電容（POSCAP和SPCAP）的混合物。輸出電容的ESR、ESL和大容量電容會影響總輸出電壓紋波。與單層MLCC相比，MLCC覆蓋了更高的電容值范圍，用于降低輸出ESR和ESL效應。此外，對于電解電容器和聚合物電容器，MLCC隨著時間的推移具有更高的可靠性，在較高頻率下具有更低的阻抗和更低的單位成本。

然而，當實現PWM調光時，由于介電材料的壓電效應（見圖2），脈沖LED電流使它們機械共振，產生的振動被傳遞到PCB表面。

可聽頻率的標準范圍是20Hz至20kHz，盡管個人可以聽到的頻率范圍受到環(huán)境因素的極大影響。雖然沒有理論上限，但使用的PWM調光頻率不應低于100Hz，以避免視覺閃爍。但是，必須考慮到，隨著調光頻率的增加，可實現的調光比會降低，并且如果PWM頻率在音頻范圍內，人耳可以感知聲音。

圖2.MLCC 和 PCB 振動。

在許多汽車應用中，添加不顯示壓電特性的電解或鋁有機聚合物電容器以提供大部分輸出大容量電容。在某些情況下，由于成本或尺寸限制以及降噪需求變得至關重要，首選僅使用陶瓷電容器。

聲學降噪方法

鑒于總升壓輸出濾波器電容的陶瓷部分主要負責可聽噪聲，并且在20Hz至20kHz頻率范圍內有效，最明顯的解決方案是采用上述范圍之外的PWM信號，或者僅使用ECAP、POSCAP或SPCAP作為輸出電容。當這兩種選擇都不可行時，可以采取幾種對策來緩解此問題。

由低失真介電材料制成的特殊陶瓷電容器，與通用電容器相比變形更小，可從不同制造商處購買（村田制作所的GJ8系列）。其他陶瓷電容器由于安裝在中介層基板上（村田制作所的ZRA/ZRB系列），或者通過金屬端子（村田制作所的KRM/KCM系列或TDK的CKG系列）“懸浮”在電路板表面，不會將振動傳遞到電路板上。金屬端子電容器在噪聲抑制方面提供最佳效果。通常，應該注意的是，噪聲抑制還取決于電容器外殼尺寸。較小的外殼尺寸往往比較大的外殼尺寸產生更低的噪音水平。

MLCC往往價格較高，因此無法被終端設備制造商廣泛使用。由于噪聲的來源是MLCC與PCB的相互作用，因此即使選擇標準陶瓷電容器，布局和機械設置調整也可以有效。

將輸出陶瓷電容器放置在PCB的邊緣可以降低聲壓級?；蛘?，在PCB的頂部和底部對稱地安裝成對的相同組件也有助于降低噪聲水平，因為兩種振動相互抵消，PCB停止共振。

如果陶瓷電容器和PCB之間的機械耦合最小化，則可以進一步降低殘余噪聲。通過在焊接點旁邊的PCB上銑削孔，受刺激的PCB面積顯著減少。圖3顯示了PCB上圍繞一個陶瓷電容器的標記孔。

圖3.陶瓷電容器周圍的PCB切口。

MAX20444評估板上的噪聲測量

通常，聲學噪聲可以通過測量聲壓級來量化。將要測量的對象設置為消聲盒內的工作狀態(tài)，并使用噪聲計使用麥克風測量聲壓級。此外，可以使用FFT分析儀檢查聲壓級頻率特性，以便進行評估和解決方案。

標準MAX20444評估板（EV kit）的輸出電容由兩個4.7μF陶瓷電容和一個47μF電解電容并聯組成。

將一塊改進的評估板與另外兩塊評估板進行比較。在改進的評估板中，電容被10個10μF陶瓷電容和<>個<>μF電解電容并聯，以獲得大致相同的輸出電容值，同時強調噪聲效應。另外兩塊評估板采用以下輸出電容配置：

兩個 4.7μF 電解電容器與一個 47μF 電解電容器并聯。

兩個4.7μF低噪聲陶瓷電容器與兩個22μF低噪聲陶瓷電容器并聯（均來自村田KRM系列）。

使用1kHz至3kHz范圍內的不同PWM頻率，并通過將信號的占空比從0%掃描到100來評估三塊板產生的噪聲。

通過主觀分析（即直接聆聽）可以證明，在采用替代配置的評估板中，可聽噪聲水平均有所降低。

結論

如果沒有適當的布置，PWM調光和升壓LED驅動器輸出端的陶瓷電容器引起的噪聲在幾米外都能清晰地聽到。通過限制電容器的移動，通過最小化PCB的諧振面積，以及通過選擇特殊的陶瓷電容器，噪聲降低到如此低的水平，以至于用戶需要盡可能靠近PCB才能聽到非常低的殘余嗡嗡聲。

審核編輯：郭婷