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)部開關(guān)模式產(chǎn)生的電磁兼容(EMC)問題。開關(guān)噪聲電壓需要在輸出時濾掉。傳統(tǒng)的幾個分散元件能夠提供足夠的濾波性能和在大批量生產(chǎn)時依然保持成本效益。過去幾年,一些發(fā)展趨勢增加了方案設(shè)計的復(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)致要求更加嚴格的EMC以保持設(shè)計的完整性。
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個分散器件的濾波器,使用于直流電機中。節(jié)省成本和增加寬帶濾波性能使得X2Y®技術(shù)作為直流電機行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)的下一步合理的發(fā)展將會是DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的濾波。因此本文提供了一個替代傳統(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
針對一項設(shè)計,選擇電感,最重要的是繞線尺寸能夠分擔(dān)負載電流和磁芯(通常由鐵氧體材料制作)不會飽和。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發(fā)熱來釋放能量,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。
使用若干個分散元件同樣會引入阻抗匹配問題。對于陶瓷電容批量成產(chǎn)時為了富有成本效益,容許電容誤差。在批量生產(chǎn)時電感一般會有更大的誤差范圍。
當(dāng)選擇輸出電容時,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,會隨溫度變化而變化。此外,老化會減少鋁質(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)由一個普通的旁路電容和交互的參考極板組成,整個結(jié)構(gòu)類似一個法拉第圍籠(圖2)。X2Y®元件組成一個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ΨQ平衡的雙電容電路。相比普通濾波器和無源器件,X2Y®元件主要有5項優(yōu)勢。
a. 接地(或參考)內(nèi)置于元件中,長度為內(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。
b. 獨特結(jié)構(gòu)強制電流反向,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)測量得到的線對地的誤差典型值是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X2Y®元件的封裝尺寸會降低平行結(jié)構(gòu)的電感。這種現(xiàn)象剛好與普通電容相反。
圖 3. X2Y® 元件抵消互感來降低內(nèi)部感抗和阻抗.
實現(xiàn)X2Y®技術(shù)
使用X2Y®元件不需要大改設(shè)計。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
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,因為這樣能減少寄生效應(yīng).
圖 6. 在電路1和電路2配置中都采用X2Y®作設(shè)計.
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。
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