本應(yīng)用筆記描述了MAX20444 4通道背光高亮度LED驅(qū)動器工作在一定脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光頻率時可能產(chǎn)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(diào)制（PWM）調(diào)光是LED背光驅(qū)動系統(tǒng)中廣泛使用的技術(shù)，因為它可以避免LED正向電流變化時發(fā)生的光譜偏移。

當(dāng)通過PWM實現(xiàn)調(diào)光時，施加到LED的標(biāo)稱電流以固定頻率打開和關(guān)閉。這樣，RMS和平均電流值隨著亮度一起變低，但由于驅(qū)動LED的峰值電流始終處于標(biāo)稱值，因此色溫保持不變。

本應(yīng)用筆記重點介紹MAX20444峰值電流模式控制LED驅(qū)動器的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及驅(qū)動PWM信號可能產(chǎn)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(dá) 130mA 的 LED 電流

集成擴(kuò)頻和移相

我2C 控制 PWM 調(diào)光和混合調(diào)光

400kHz 至 2.2MHz 之間的可編程開關(guān)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(qū)動器輸出端的復(fù)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(jī)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(yīng)。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(dāng)實現(xiàn)PWM調(diào)光時，由于介電材料的壓電效應(yīng)（見圖2），脈沖LED電流使它們機(jī)械共振，產(chǎn)生的振動被傳遞到PCB表面。

可聽頻率的標(biāo)準(zhǔn)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(diào)光頻率不應(yīng)低于100Hz，以避免視覺閃爍。但是，必須考慮到，隨著調(diào)光頻率的增加，可實現(xiàn)的調(diào)光比會降低，并且如果PWM頻率在音頻范圍內(nèi)，人耳可以感知聲音。

圖2.MLCC 和 PCB 振動。

在許多汽車應(yīng)用中，添加不顯示壓電特性的電解或鋁有機(jī)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(guān)重要，首選僅使用陶瓷電容器。

聲學(xué)降噪方法

鑒于總升壓輸出濾波器電容的陶瓷部分主要負(fù)責(zé)可聽噪聲，并且在20Hz至20kHz頻率范圍內(nèi)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(dāng)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(yīng)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(chǎn)生更低的噪音水平。

MLCC往往價格較高，因此無法被終端設(shè)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(biāo)準(zhǔn)陶瓷電容器，布局和機(jī)械設(shè)置調(diào)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(jī)械耦合最小化，則可以進(jìn)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(biāo)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(xué)噪聲可以通過測量聲壓級來量化。將要測量的對象設(shè)置為消聲盒內(nèi)的工作狀態(tài)，并使用噪聲計使用麥克風(fēng)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(jìn)行評估和解決方案。

標(biāo)準(zhǔn)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(lián)組成。

將一塊改進(jìn)的評估板與另外兩塊評估板進(jìn)行比較。在改進(jìn)的評估板中，電容被10個10μF陶瓷電容和<>個<>μF電解電容并聯(lián)，以獲得大致相同的輸出電容值，同時強(qiáng)調(diào)噪聲效應(yīng)。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(lián)。

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(lián)（均來自村田KRM系列）。

使用1kHz至3kHz范圍內(nèi)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(chǎn)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(jié)論

如果沒有適當(dāng)?shù)牟贾?，PWM調(diào)光和升壓LED驅(qū)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