第一章
選擇正確的電容器種類、功率電感器、開關頻率和半導體對于 DC/DC 開關電源控制器的效率至關重要。做出正確的選擇并非易事，但即使做出了正確的選擇，控制器也必須具有高效率且符合 EMC 要求才能上市。
對于具有較高輸入和輸出功率的 DC/DC 轉換器，必須在輸入和輸出端都使用濾波器以減少干擾發(fā)射。然而，在輸入和輸出電流較大的情況下，很難在效率、尺寸、濾波器的衰減和成本以及實際功率級這些參數(shù)之間取得平衡。圖1是一個 100 瓦降壓升壓 DC/DC 設計的示例，它展示了在布局和元器件選擇方面應考慮哪些因素。
圖 1：100W 降壓升壓轉換器演示板
任務
開發(fā)具有以下規(guī)格的降壓升壓轉換器：
? 輸出電壓為 18V 時輸出功率 100W，輸入電壓14-24V DC，最大輸入電流 7A，最大輸出電流55A
? 輸出功率為 100W 時效率大于 95%
? 符合 CISPR32 B 類發(fā)射標準(傳導和輻射)
? 輸出紋波電壓低(小于20mVpp)
? 無法屏蔽
? 輸入和輸出的線纜較長(都是 1 米長)
? 尺寸盡可能緊湊
? 盡可能降低成本
以上要求相當嚴格，必須創(chuàng)建一個低寄生電感且緊湊的布局，再搭配與該轉換器相匹配的濾波器。EMC 方面，主要起作用的天線是輸入和輸出電纜，它們的頻率范圍一直延申到 1GHz。根據(jù)不同的工作模式，轉換器的輸入和輸出都有高頻電流環(huán)路(如圖 2 所示)，因此必須對兩者都進行濾波。濾波器可以防止高速開關的 MOSFET 通過電纜輻射出高頻干擾。本例中的應用具有高達 60V DC 的寬輸入電壓范圍、可調(diào)開關頻率和驅動四個外部 MOSFET 的能力，設計自由度很高。
圖2：開關電源原理圖，其中紅框中是高頻回路，綠色的是關鍵開關節(jié)點，取決于 DC/DC 的操作模式。
該設計采用了六層雙面印制電路板，開關頻率為 400kHz。電感上的電流紋波應該大約是額定電流的 30%。60V MOSFET 采用了低導通電阻(RDS(on))和低熱阻(Rth)的型號。圖 3 展示的是經(jīng)過簡化的電路布局圖。
圖3：經(jīng)過簡化的功率電路設計示意圖
選擇電感器
REDEXPERT在線設計平臺 可以幫助您快速準確地選擇電感器。在本例中，必須先為降壓工作模式輸入所有工作參數(shù)，其中包括輸入電壓 Vin、開關頻率 fsw、輸出電流 Iout、輸出電壓Vout以及紋波電流 IRipple，再為升壓工作模式輸入一次。降壓模式得到的結果是較高的電感以及較小的最大峰值電流(7.52μH、5.83A)。升壓模式得出的電感較小，但最大峰值電流較大(4.09μH、7.04A)。
設計平臺選擇了 WE-XHMI 系列的6.8μH、15A 額定電流的屏蔽電感線圈。它具有非常低的 RDC，尺寸也極為緊湊，僅為 15 毫米×15 毫米×10 毫米(長×寬×高)。創(chuàng)新的磁芯材料可實現(xiàn)溫和且不受溫度影響的飽和特性。
選擇電容器
由于通過隔直電容器的脈沖電流高且要求的紋波低，鋁聚合物電容器和陶瓷電容器的組合是最佳選擇。通過確定允許的最大輸入和輸出電壓紋波，所需的電容可以按照以下公式進行計算：
(D = 占空比，REDEXPERT 內(nèi)設置為 0.78) 選擇了6 × 4.7μF / 50V / X7R = 28.2μF (WCAP-CSGP 885012209048)
通過使用 REDEXPERT ，可以輕松確定電容器(MLCC)的直流偏置，從而獲得更實際的容值。預計在 24V 輸入電壓下電容容值會降低 20%。也就是只有 23μF 的有效電容，但仍然足夠。
將一個 68μF/35V 的 WCAP-PSLC 鋁聚合物電容與 0.22Ω 的 SMD 電阻串聯(lián)后再與與陶瓷電容相并聯(lián)。它的用途是保持電壓轉換器與輸入濾波器相結合時的負輸入阻抗的穩(wěn)定性。由于該電容器也受到高脈沖電流的影響，因此鋁電解電容器不太合適，因為它會因較高的 ESR 而迅速升溫。
輸出電容器也可以按照相同的方式進行選擇。
選擇了6 × 4.7μF / 50V / X7R = 28.2μF – 15% DC 偏置 = 24μF (WCAP-CSGP 885012209048)
此外，鋁聚合物電容器(WCAP-PSLC 220μF/25V) 能提供足夠快的瞬態(tài)響應能力。
本文的第 2 部分將介紹電路板布局、EMC 與擇輸入和輸出濾波器元器件這一重要任務，以及功能電路的熱驗證等實際考慮因素。
第二章
在第 一章中，我們講解了如何選擇正確的電容器種類、功率電感器、開關頻率以及半導體對 DC/DC 開關控制器的效率至關重要，并展示了開發(fā)指定規(guī)格的降壓升壓轉換器的任務的例子。我們還探討了如何選擇最佳的電容器和電感器來創(chuàng)建與轉換器相匹配的濾波器，從而實現(xiàn)非常低的電感和緊湊的布局。在第 2 部分中，我們將會介紹電路板布局和 EMC 需要考慮的因素、選擇輸入和輸出濾波器元器件，以及使用熱成像來驗證功能電路。
布局指南
布局電路板時需要考慮到一些因素。例如，會導致高 ΔI/Δt 值的輸入和輸出回路應通過將濾波陶瓷電容器緊密放置在一起來保持緊湊。自舉電路應緊湊且靠近開關穩(wěn)壓器 IC。需要使用寬帶π型濾波器來解耦開關穩(wěn)壓器的內(nèi)部電源。使用盡可能多的過孔以實現(xiàn)內(nèi)部功率GND 層和電路板底層之間的低電感、低阻抗連接。雖然大面積的銅可以實現(xiàn)更佳的散熱性能和更低的 RDC，但銅面積不宜太大，以免與相鄰電路發(fā)生容性和感性耦合。
無濾波器的 EMC 測量(100W 輸出功率)
為滿足大多數(shù)應用，轉換器在傳導(150kHz 至 30MHz)和輻射(30MHz 至 1GHz)范圍內(nèi)的干擾發(fā)射均應符合 B 類(家用)限制。除了插入損耗，還有很重要的一點是大電流應用需要電感元件具有盡可能低的 RDC，從而將效率和發(fā)熱量保持在可接受的范圍內(nèi)。不幸的是，低 RDC 也意味著尺寸會更大。因此，選擇在 RDC、阻抗和尺寸這幾個因素之間取得平衡的最先進的元件尤為重要。WE-MPSB 系列和緊湊型設計的 WE-XHMI 系列都適用于這種情況。對于 10μF 以上的電容濾波元件，可以使用低成本的鋁電解電容。由于濾波電感器能有效抑制電流變化，因此無需擔心高紋波電流。因此，較大的 ESR 也沒有關系，它會導致濾波器品質(zhì)因素降低，從而防止不必要的諧振。濾波器所造成的額外損耗是由于電感器的歐姆損耗。
選擇輸入和輸出濾波器元件
濾波器元件選擇標準中最重要的一點是能實現(xiàn)從 150kHz 至 300MHz 的寬帶干擾抑制，從而抑制傳導和輻射 EMC。如果輸入或輸出使用較短的電纜或不使用電纜，則可以降低濾波程度。圖 6 展示的是各個濾波器元件的有效頻率范圍。
圖6：濾波器元件的方框圖，分別具有 3 個不同的頻率范圍。
圖7：PCB 頂視圖，包括所有濾波器元件，符合 CISPR32 B 類標準
有濾波器的電路在 100W 輸出功率 (Ta = 22°C) 時測得的溫度和效率
使用熱像儀測得元件最高溫度低于 64℃(圖 8)，這意味著有足夠的安全裕度來應對較高的環(huán)境溫度，同時對元器件的壓力也較小。效率也處于非常高的水平(降壓模式：96.5%;升壓模式：95.6%)，特別是考慮到所有的濾波器元件都已計算在內(nèi)。
圖8：頂部和底部測得的溫度。
圖9：輸入和輸出帶濾波器的電路測得的輻射干擾發(fā)射?？梢栽谡麄€測量范圍內(nèi)跟限值(水平和垂直)保持足夠的距離。
圖10：在輸入端帶濾波器的測量傳導發(fā)射。平均值和準峰值在整個測量范圍內(nèi)均低于限值。
圖 9 和圖 10 展示的是安裝濾波器后電路測量結果的改善。有濾波器之后，低頻范圍內(nèi)的傳導干擾輻射的峰值以及輻射干擾發(fā)射的完整測量曲線都低于要求的限值，并且有足夠裕量。
總結
就算進行了非常仔細的布局并選擇了合適的有源和無源元件，如果有額外的非常嚴格的規(guī)格要求(如長線纜、不能屏蔽等)，那么沒有濾波器就無法實現(xiàn)符合 B 類標準的大功率 DC/DC 轉換器。不過，我們可以預期到并且提前布置合適的濾波器。得到的結果是一個靈活、高效、符合 B 類標準的 100W 降壓升壓轉換器。為了讓印制電路板更緊湊，兩個濾波器可以旋轉 90° 或布置在電路板的反面。REDEXPERT 和 LTSpice 等設計和仿真軟件有助于快速且經(jīng)濟高效地達到預期設計目標。
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