采用X2Y技術(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器

許多OEM廠商都存在因DC-DC轉(zhuǎn)換器固有的內(nèi)部開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的電磁兼容（EMC）問(wèn)題。開(kāi)關(guān)噪聲電壓需要在輸出時(shí)濾掉。傳統(tǒng)的幾個(gè)分散元件能夠提供足夠的濾波性能和在大批量生產(chǎn)時(shí)依然保持成本效益。過(guò)去幾年，一些發(fā)展趨勢(shì)增加了方案設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。在要求電子產(chǎn)品尺寸更小化、速度更快化的推動(dòng)作用下，并且要求更多的電路提供附加特性，導(dǎo)致要求更加嚴(yán)格的EMC以保持設(shè)計(jì)的完整性。


要求分散元件能夠提供更寬的濾波帶寬，保持成本效益，而且還能從整體上提供更小的系統(tǒng)封裝尺寸，這一要求引領(lǐng)了行業(yè)尋求新的解決方案。

目前，X2Y®技術(shù)作為替換5-7個(gè)分散器件的濾波器，使用于直流電機(jī)中。節(jié)省成本和增加寬帶濾波性能使得X2Y®技術(shù)作為直流電機(jī)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)的下一步合理的發(fā)展將會(huì)是DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的濾波。因此本文提供了一個(gè)替代傳統(tǒng)DC-DC轉(zhuǎn)換器的濾波方式的另一種解決方案。

傳統(tǒng)濾波解決方案

一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器濾波解決方案是由電感和電容組成的LC濾波配置以形成輸出pi濾波器。圖1展示了一個(gè)產(chǎn)品如何推薦使用內(nèi)部輸出電容以及外部電感和電容來(lái)組建pi濾波器。

圖 1.用于DC-DC轉(zhuǎn)換器濾波的典型pi濾波器

針對(duì)一項(xiàng)設(shè)計(jì)，選擇電感，最重要的是繞線尺寸能夠分擔(dān)負(fù)載電流和磁芯（通常由鐵氧體材料制作）不會(huì)飽和。取決不同應(yīng)用直流電阻同樣要考慮。電感的局限性是鐵氧體材料吸收能量并且通過(guò)發(fā)熱來(lái)釋放能量，使得電感的性能隨溫度變化而變化。此外，鐵氧體材料頻率受限于最高為300~500MHz。

使用若干個(gè)分散元件同樣會(huì)引入阻抗匹配問(wèn)題。對(duì)于陶瓷電容批量成產(chǎn)時(shí)為了富有成本效益，容許電容誤差。在批量生產(chǎn)時(shí)電感一般會(huì)有更大的誤差范圍。

當(dāng)選擇輸出電容時(shí)，必須最小化等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。ESR的效用是和轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部輸出電阻一起變作電壓分配器，而且ESL會(huì)降低電容的工作頻率。使用若干并聯(lián)電容提供全局所需容量以助于減少ESR和ESL。

電容，像電感一樣，會(huì)隨溫度變化而變化。此外，老化會(huì)減少鋁質(zhì)制或鉭質(zhì)電容容量，從而導(dǎo)致差的可靠性。

X2Y®技術(shù)

X2Y®結(jié)構(gòu)由一個(gè)普通的旁路電容和交互的參考極板組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)類似一個(gè)法拉第圍籠（圖2）。X2Y®元件組成一個(gè)4端結(jié)構(gòu)。（注意：X2Y®元件的封裝類似表貼式穿心式電容的封裝，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同。）

圖 2. X2Y® 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的旁路電容和“準(zhǔn)”法拉第圍籠.

平行參考結(jié)構(gòu)將單端非平衡旁路電容轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱平衡的雙電容電路。相比普通濾波器和無(wú)源器件，X2Y®元件主要有5項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

a. 接地（或參考）內(nèi)置于元件中，長(zhǎng)度為內(nèi)部電介質(zhì)相同。而普通器件，接地（或參考）在印制電路板（PCB）上是一條不同的印制線或者焊盤(pán)。

b. 獨(dú)特結(jié)構(gòu)強(qiáng)制電流反向，讓X2Y®元件內(nèi)部抵消互感，從而降低了內(nèi)部互感，如圖3所示。

c. X2Y®元件有著公共底層，由尾端（A/B）或者旁端（G1/G2）測(cè)量得到的線對(duì)地的誤差典型值是1-2.5%或者更少。

d. X2Y®元件工作在旁路；因此其不受電流的限制且不增加直流電阻。

e. 增加X(jué)2Y®元件的封裝尺寸會(huì)降低平行結(jié)構(gòu)的電感。這種現(xiàn)象剛好與普通電容相反。

圖 3. X2Y® 元件抵消互感來(lái)降低內(nèi)部感抗和阻抗.

實(shí)現(xiàn)X2Y®技術(shù)

使用X2Y®元件不需要大改設(shè)計(jì)。X2Y®元件表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的表面封裝（0603，0805，1206，1210，1410，和1812）。圖4-6展示了3種如何使用和連結(jié)X2Y®元件配置。

圖 4. 使用帶X2Y®的電路1翻新當(dāng)前設(shè)計(jì)

圖 5. 將采用X2Y®元件的電路1封裝到轉(zhuǎn)換器中是一種理想設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@樣能減少寄生效應(yīng).

圖 6. 在電路1和電路2配置中都采用X2Y®作設(shè)計(jì).

結(jié)論

X2Y®元件為現(xiàn)今DC-DC轉(zhuǎn)換器的寬帶濾波需求提供了一種富有成本效益的且設(shè)計(jì)改變最小的解決方案。此外，使用X2Y®元件減少了分散元件的數(shù)目，從而節(jié)省了寶貴的PCB空間。