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、開關(guān)頻率和半導(dǎo)體對(duì)于 DC/DC 開關(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。

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20mV_pp）

·     無法屏蔽

·     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關(guān)的 MOSFET 通過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（R_DS(on)）和低熱阻（R_th）的型號(hào)。圖 3 展示的是經(jīng)過簡(jiǎn)化的電路布局圖。

圖3：經(jīng)過簡(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 V_in、開關(guān)頻率 f_sw、輸出電流 I_out、輸出電壓V_out以及紋波電流 I_Ripple，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 R_DC，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(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