優(yōu)化大功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 EMC 和效率 第1部分
選擇正確的電容器種類、功率電感器、開(kāi)關(guān)頻率和半導(dǎo)體對(duì)于 DC/DC 開(kāi)關(guān)電源控制器的效率至關(guān)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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202207/436648.htm
對(duì)于具有較高輸入和輸出功率的 DC/DC 轉(zhuǎn)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(shí)際功率級(jí)這些參數(shù)之間取得平衡。圖1是一個(gè) 100 瓦降壓升壓 DC/DC 設(shè)計(jì)的示例,它展示了在布局和元器件選擇方面應(yīng)考慮哪些因素。
圖 1:100W 降壓升壓轉(zhuǎn)換器演示板
任務(wù)
開(kāi)發(fā)具有以下規(guī)格的降壓升壓轉(zhuǎn)換器:
· 輸出電壓為 18V 時(shí)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 5.55A
· 輸出功率為 100W 時(shí)效率大于 95%
· 符合 CISPR32 B 類發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)(傳導(dǎo)和輻射)
· 輸出紋波電壓低(小于20mVpp)
· 無(wú)法屏蔽
· 輸入和輸出的線纜較長(zhǎng)(都是 1 米長(zhǎng))
· 尺寸盡可能緊湊
· 盡可能降低成本
以上要求相當(dāng)嚴(yán)格,必須創(chuàng)建一個(gè)低寄生電感且緊湊的布局,再搭配與該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(duì)兩者都進(jìn)行濾波。濾波器可以防止高速開(kāi)關(guān)的 MOSFET 通過(guò)電纜輻射出高頻干擾。本例中的應(yīng)用具有高達(dá) 60V DC 的寬輸入電壓范圍、可調(diào)開(kāi)關(guān)頻率和驅(qū)動(dòng)四個(gè)外部 MOSFET 的能力,設(shè)計(jì)自由度很高。
圖2:開(kāi)關(guān)電源原理圖,其中紅框中是高頻回路,綠色的是關(guān)鍵開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn),取決于 DC/DC 的操作模式。
該設(shè)計(jì)采用了六層雙面印制電路板,開(kāi)關(guān)頻率為 400kHz。電感上的電流紋波應(yīng)該大約是額定電流的 30%。60V MOSFET 采用了低導(dǎo)通電阻(RDS(on))和低熱阻(Rth)的型號(hào)。圖 3 展示的是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的電路布局圖。
圖3:經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的功率電路設(shè)計(jì)示意圖
選擇電感器
REDEXPERT在線設(shè)計(jì)平臺(tái)可以幫助您快速準(zhǔn)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(kāi)關(guān)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(jié)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(shè)計(jì)平臺(tái)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(zhǎng)×寬×高)。創(chuàng)新的磁芯材料可實(shí)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(guò)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(guò)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(jìn)行計(jì)算:
(D = 占空比,REDEXPERT 內(nèi)設(shè)置為 0.78) 選擇了6 × 4.7μF / 50V / X7R = 28.2μF (WCAP-CSGP 885012209048)
通過(guò)使用 REDEXPERT,可以輕松確定電容器(MLCC)的直流偏置,從而獲得更實(shí)際的容值。預(yù)計(jì)在 24V 輸入電壓下電容容值會(huì)降低 20%。也就是只有 23μF 的有效電容,但仍然足夠。將一個(gè) 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(zhuǎn)換器與輸入濾波器相結(jié)合時(shí)的負(fù)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?yàn)樗鼤?huì)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(jìn)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(yīng)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(wù),以及功能電路的熱驗(yàn)證等實(shí)際考慮因素。
作者:
Andreas Nadler,伍爾特電子現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師 FAE,appnotes@we-online.de, 電話:+49 7942 945 - 0
評(píng)論