大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的EMC和效率優(yōu)化
1.概述
選擇合適的電容器技術(shù)、存儲電感、開關(guān)頻率和半導體——相較其它因素——對于提高具有相對較高輸入和輸出電流的DC/DC開關(guān)電源的效率至關(guān)重要。一個高效的開關(guān)電源以及使用它的終端產(chǎn)品需要符合所有必要的EMC標準方可上市。這通常意味著輸入和輸出端必須另外加裝合適的濾波器，以降低干擾發(fā)生。然而，如果輸入和輸出電流較高，則很難在濾波器的效率、尺寸、阻尼、成本以及實際性能水平之間作出權(quán)衡。本文檔將通過一個100W升降壓DC/DC設(shè)計示例，簡要介紹作出這種權(quán)衡所需的注意事項、布局和器件。
圖 1：100 W 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的演示電路板。
2.項目范圍
設(shè)計一款滿足以下要求的升降壓轉(zhuǎn)換器：
? 18 Vout / Vin 14-24 Vdc 時 Pout 最高為 100 W
Iin max. = 7 A Iout max. = 5.55 A
? 輸出100W 時效率超過95%
? 符合CISPR32 Class B干擾限值（傳導和輻射）
? 低輸出紋波（低于 20mVpp）
? 無法屏蔽
? 長輸入和輸出線纜（各1m）
? 盡可能緊湊
? 性價比盡可能高
為了滿足這些嚴格的要求，必須設(shè)計出一種電感非常低、緊湊布局，以及能夠匹配轉(zhuǎn)換器的濾波器。如果考慮EMC，輸入和輸出線纜是頻率范圍高達1GHz的主要天線。由于現(xiàn)代四開關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器在輸入和輸出端都具有高頻電流環(huán)路，因此必須根據(jù)工作模式對輸入和輸出進行濾波。這可以防止由于MOSFET快速開關(guān)導致的高頻干擾進入線纜并產(chǎn)生輻射。
圖2：高頻 ΔI/Δt 環(huán)路和臨界ΔU/Δt開關(guān)節(jié)點電路圖，具體取決于轉(zhuǎn)換器工作模式。
本應(yīng)用使用了來自Linear Technology (Analog Devices) 的開關(guān)穩(wěn)壓器LT3790。其輸入電壓范圍高達60VDC，開關(guān)頻率可調(diào)，可控制四個外部MOSFET，使設(shè)計具有高度靈活性。
3.設(shè)計和測量
升降壓電路設(shè)計的主要特點：
? 雙面6層印刷電路板
? 400kHz開關(guān)頻率
? 扼流圈中的電流紋波約為額定電流的30%
? 緊湊型60V MOSFET，具有較低的Rdson、Rth和封裝ESL
? 1Ω柵極串聯(lián)電阻
圖3：轉(zhuǎn)換器功率級簡圖。
3.1.電感選擇
利用REDEXPERT在線平臺，可以快速、輕松、精確地選擇合適的電感。在此案例中，必須先為降壓操作輸入一次操作參數(shù)（Vin、fsw、Iout、Vout、ΔI），再為升壓操作輸入一次。
在降壓操作中，需求一個更大的電感以及一個更小的最大峰值電流 (7.52 μH/5.83 A)。
在升壓操作中，電感減小了，但最大峰值電流會增大 (4.09 μH/7.04 A)。
使用REDEXPERT選擇電感的另一個好處是：可以根據(jù)不同器件復雜的交流和直流損耗、產(chǎn)生的器件發(fā)熱以及它們的明顯參數(shù)（尺寸、額定電流等），對它們進行比較。
在此案例中，選擇了WE-XHMI系列屏蔽電感，電感值為6.8μH，額定電流為15A。由于采用現(xiàn)代制造技術(shù)，該器件的RDC極低，尺寸極小，僅15x15x10mm（長/寬/高）。其創(chuàng)新的磁芯配比材料還使其具有不受溫度影響的軟飽和特性。
圖 5：WE-XHMI 74439370068 的 REDEXPERT 仿真（降壓操作）。
3.2.輸入電容器選擇
由于流過濾波電容器的脈沖電流較高，并且要確保較低的輸出紋波，因此鋁聚合物和陶瓷電容器的組合成為最佳選擇。一旦最大輸入和輸出電壓紋波設(shè)置完成后，可使用以下公式計算所需電容。
選擇的電容：6 x 4.7μF / 50V / X7R = 28.2 μF (WCAP-CSGP 885012209048)
使用REDEXPERT，可以輕松、快速地確定MLCC的直流偏置，得出的值更接近實際，參見圖6。結(jié)果：必須考慮到輸入電壓為24V 時電容會減少20％；因此有效容值只有23μF，但已足夠。此外，將一個 68μF/35V WCAP-PSLC鋁聚合物電容器與陶瓷電容器并聯(lián)使用，串聯(lián)一個0.22Ω SMD電阻。這有助于轉(zhuǎn)換器的負輸入阻抗與輸入濾波器保持穩(wěn)定（更多信息請參見ANP044）。由于該電容器也會有一定量的高脈沖電流流過，因此鋁電解電容器在此案例中不太適用。較高的ESR會導致該類電容器溫度過高。
圖6：所選MLCC的REDEXPERT阻抗、ESR和直流偏置圖。
3.3.輸出電容器選擇
選擇的電容：6 x 4.7 μF / 50 V / X7R = 28.2 μF – 15% 直流偏置 = 24 μF (WCAP-CSGP 885012209048)
另加：1個鋁聚合物電容器以快速響應(yīng)瞬態(tài)信號：
WCAP-PSLC 220μF/25V
圖7：100W升降壓轉(zhuǎn)換器電路圖（包括所有濾波器器件）。
3.4.PCB 頂層布局分析
圖8：降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的 EMC 優(yōu)化頂層布局（省略輸入和輸出濾波器組）。
1.陶瓷濾波電容器布置緊密，使得高 △l/△t 的輸入和輸出環(huán)路結(jié)構(gòu)非常緊湊。
3.非?？拷_關(guān)電源IC的緊湊型自舉電路。
4.并聯(lián)電容的電流測量連接按差分線路布線，采用干凈的開爾文連接。
5.通過寬帶 π型 濾波器對開關(guān)穩(wěn)壓器 IC 的內(nèi)部電源做去耦濾波
6.為了達到電路板底部和內(nèi)部PGND層的低電感和低阻抗需使用盡量多的過孔。
7.大面積覆銅可以作為良好的散熱片并提供低 RDC，但不得超過必要的面積，特別是在兩個“熱”△U/△t 開關(guān)節(jié)點上，以免形成不必要的天線。
3.5.PCB 底層布局分析
圖 9：降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的EMC優(yōu)化底層布局，包括四個功率MOSFET、剩余的濾波電容器、并聯(lián)電容和續(xù)流二極管。
8.在靠近FET的位置布置陶瓷濾波電容器，使得高△l/△t的輸入和輸出環(huán)路結(jié)構(gòu)非常緊湊。
9.幾何形狀布局和覆銅表面的使用意味著FET之間以及FET與并聯(lián)電容之間的連接的阻抗和電感極低。
10.具反向幾何形狀的電容分流器，可進一步降低寄生電感；因此，HF電流環(huán)路也可減至最小。
11.由于沒有其它大型器件阻礙熱傳導，因此PCB底面上的半導體可以得到更好的冷卻。
13.大面積覆銅可以作為良好的散熱片并提供低RDC，但不得超過必要的面積，特別是在兩個“熱”△U/△t開關(guān)節(jié)點上，以免形成不必要的天線。
3.6.中間層布局分析
圖 10：中間層3的布局。
圖 11：中間層2、4、5的布局。
? 所有四個中間層基本都為PGND覆銅表面，因此具備相應(yīng)的優(yōu)點：
? 熱損失分布均勻。
? 電流饋電和返回路徑始終形成盡可能小的環(huán)路面積，從而最大限度減少關(guān)鍵EMC環(huán)路天線。
? 一定量的關(guān)鍵EMC高頻噪聲HF 在PGND表面轉(zhuǎn)換為熱量（渦流效應(yīng)）并因此被吸收。這種效應(yīng)會隨著PGND和HF相關(guān)部件之間的距離減小而增加。
? 部分屏蔽。
? MOSFET柵極的引線在兩個PGND層內(nèi)布線，因此可完全屏蔽。
? 具有GND電位的過孔圍繞PGND邊緣以規(guī)則的間隔布置。這些可以抵消潛在的邊緣輻射。
3.7.輸入和輸出濾波器器件
選擇濾波器器件時，必須能夠達到150kHz – 300MHz 的寬帶干擾抑制。這應(yīng)足以抑制預期的傳導和輻射EMC干擾。但如果輸入或輸出處使用的線纜被縮短或省略了，則濾波器也可被簡化。
3.8.不含濾波器的EMC測量 (100WPout)
為滿足大多數(shù)應(yīng)用的需要，轉(zhuǎn)換器的干擾不得超出Class B （家用）限值，包括傳導 (150kHz – 30MHz) 和輻射 (30MHz – 1GHz) 范圍，參見圖12 和13。
鑒于此處需要的電流，除了插入損耗非常重要之外，電感元件還必須具有盡可能低的RDC，從而將效率和自熱保持在一個可接受的水平。遺憾的是，低RDC通常意味著需要增大設(shè)計尺寸。因此，使用最先進的元器件在這里也尤為重要，它們可以在RDC、阻抗和尺寸之間達到完美的平衡。WE-MPSB系列以及WE-XHMI系列的緊湊設(shè)計特別適合于此案例。廉價的鋁電解電容器（如 WCAP-ASLI）適合作為電容值為10μF以上的濾波器的電容器件。與上面提到的刻薄電容器不同，此處不會出現(xiàn)高紋波電流（濾波器電感會有效阻止這些電流），因此它們不需要承受高紋波電流。因此，較高的ESR也不是問題，這甚至還有助于保持低的濾波器系數(shù)，從而防止其它不必要的振蕩。
圖12：不含輸入濾波器時的傳導干擾測量。果然，盡管布局良好，但干擾超出了B類限值。
圖13：不含輸入和輸出濾波器時的輻射干擾測量。在大約180MHz 下，干擾和限值之間的差異非常小，這可能會導致后續(xù)測量出現(xiàn)問題。其原因是肖特基恢復電流的快速反向恢復時間刺激了寄生 LC 諧振。
圖15 顯示了輸入和輸出濾波器的結(jié)構(gòu)（共模和差模）。圖16 顯示了該濾波器在EMC相關(guān)頻率范圍內(nèi)對差模插入阻尼的仿真。
圖14：三種不同頻率范圍的濾波器元件框圖。
圖15：輸入和輸出濾波器組差模插入阻尼的LTSpice仿真（僅漏感與CMC相關(guān)）。
圖16：仿真差模插入衰減與兩個濾波器組的寄生特性。最高 500MHz 下，可實現(xiàn)超過80dB的插入損耗。
其它的濾波器損耗由電感器中的歐姆損耗導致：
? 輸出濾波器損耗：I2 ? Rdc = 5.5 A2 ? 30 mΩ = 907mW
? 輸入濾波器損耗：|2 ? Rdc = 7 A2 ? 18.4 mΩ = 902mW
共模電感的選擇標準如下：
? 在較寬的頻率范圍內(nèi)（此案例為150kHz至300MHz）盡可能達到最大共模阻抗。
? 分段繞組技術(shù)，以獲盡可能大的漏感（差模干擾抑制）。
? 低RDC。
? 緊湊型設(shè)計和SMT。
3.9.具輸入和輸出濾波器的PCB上表面布局分析
1.布置兩個濾波器組時，盡可能消除與電路主要部分的電感和電容耦合；否則可能會影響濾波效果。
2.內(nèi)層中的PGND覆銅表面僅與濾波器的兩個鋁電解電容器連接。濾波器組下沒有覆銅，即便中間層也是如此。這可以避免電流耦合，否則會降低濾波電容器的抑制效果。
圖17：使用的兩個WE-UCF共模電感的共模和差模阻抗曲線
3.設(shè)計T型濾波器時，盡可能消除三個器件內(nèi)不必要的電容和電感耦合。
4.兩個共模電感下方?jīng)]有覆銅，以便最大限度減少電容耦合
圖18：頂層視圖，包括符合CISPR32 B類的所有濾波器元件
圖 19：頂層測量
3.10. 100 W Pout (Ta = 22 °C)下濾波器的溫度和效率測量
100 WPout下的效率測量結(jié)果：
? 降壓模式 96.5 %
? 升壓模式 95.6 %
元器件的最高溫度低于64°C，這為更高的環(huán)境溫度提供了足夠的余量，同時器件上受到的壓力也比較低。同樣效率也非常高，特別是考慮到這會影響所有過濾器器件。
圖20：底層測量
4.總結(jié)
盡管具有精細的布局以及合適的有源和無源器件，但此案例中苛刻的規(guī)格要求（如長電纜、缺少屏蔽等）意味著如果不額外加裝濾波器，就無法符合Class B標準。但是，由于這一問題在意料之中，可以從一開始就設(shè)計合適的濾波器。因此，本文檔設(shè)計了一款靈活、高效且符合B類標準的100W降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。為使電路板更加緊湊，可將兩個濾波器組旋轉(zhuǎn)90°或布置在PCB底面。借助如REDEXPERT和LTSpice等設(shè)計和仿真軟件，可以快速、低成本地得出結(jié)果。
圖21：含上述輸入濾波器時的傳導干擾。在整個測量范圍內(nèi)，平均和準峰值干擾均未超出規(guī)定限值。
圖22：含上述輸入和輸出濾波器時的輻射干擾。在整個測量范圍內(nèi)，干擾均未超出規(guī)定限值（水平和垂直）。
A. 附錄
A.1. 物料清單
聲明：本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題，請聯(lián)系本站處理。
舉報投訴
-
DC-DC
+關(guān)注
關(guān)注
30文章
1998瀏覽量
83025 -
DC-DC轉(zhuǎn)換器
+關(guān)注
關(guān)注
10文章
637瀏覽量
56137 -
emc
+關(guān)注
關(guān)注
170文章
4034瀏覽量
185232 -
效率
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
151瀏覽量
20298 -
Wurth
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
8瀏覽量
214
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
DH30W10系列DC-DC轉(zhuǎn)換器CINCON
輸入能力、寬泛的溫度適應(yīng)性以及完備的多重保護機制，使得DH30W10系列DC-DC轉(zhuǎn)換器在工業(yè)控制、通信以及交通運輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域的高壓電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中表現(xiàn)出色。特征效率高達89%受監(jiān)管的輸
發(fā)表于 03-31 09:23
PD01S/PD01D系列高絕緣DC/DC轉(zhuǎn)換器DELTA
/PD01D系列DC/DC轉(zhuǎn)換器采用了微型SIP封裝技術(shù)，不僅大幅提升了功率密度，還確保了卓越的電氣性能。PD01S/PD01D系列DC/
發(fā)表于 03-21 09:18
CINCON電源DC-DC轉(zhuǎn)換器替換VICOR
CINCON電源DC-DC轉(zhuǎn)換器替換VICOR
VICOR的DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)換器，以其高功率密度和低噪音特性著稱，采用堅固耐用的封裝設(shè)計
發(fā)表于 02-24 09:25
AN59-LT1300和LT1301微功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用
電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《AN59-LT1300和LT1301微功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用.pdf》資料免費下載
發(fā)表于 01-09 13:41
?0次下載
大功率電源EMC測試整改：從設(shè)計到測試的全面優(yōu)化
深圳南柯電子｜大功率電源EMC測試整改：從設(shè)計到測試的全面優(yōu)化
使用DM365的DC/DC轉(zhuǎn)換器的高Vin、高效率電源解決方案
電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《使用DM365的DC/DC轉(zhuǎn)換器的高Vin、高效率電源解決方案.pdf》資料免費下載
發(fā)表于 10-11 10:47
?0次下載
使用帶有DVFS的DC/DC轉(zhuǎn)換器的高Vin、高效率電源解決方案
電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《使用帶有DVFS的DC/DC轉(zhuǎn)換器的高Vin、高效率電源解決方案.pdf》資料免費下載
發(fā)表于 10-10 10:28
?0次下載
DC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/DC控制器的區(qū)別
內(nèi)置驅(qū)動器FET的DC/DC稱為DC/DC轉(zhuǎn)換器。
什么是DC/DC轉(zhuǎn)換器？
DC/DC轉(zhuǎn)換器，顧名思義，是指將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓的裝置。它廣泛應(yīng)用于需要電壓變換的電子設(shè)備中，通過調(diào)整輸出電壓來滿足不同設(shè)備的特定需求。
發(fā)表于 09-29 15:26
大電流電感CSPT1590 低溫升 高效率 堅固封裝#大功率DC-DC轉(zhuǎn)換器 #負載點電源(POL)
轉(zhuǎn)換器電流電感
科達嘉電感
發(fā)布于 :2024年08月09日 18:02:12
迪龍電源12kW大功率車載DCDC轉(zhuǎn)換器直流變換器#DC/DC #DC-DC #直流轉(zhuǎn)換器
直流轉(zhuǎn)換器
迪龍新能源
發(fā)布于 :2024年07月30日 09:17:47
dc-dc轉(zhuǎn)換器的作用是什么
dc-dc轉(zhuǎn)換器的作用 DC-DC轉(zhuǎn)換器，即直流-直流轉(zhuǎn)換器，是一種電子設(shè)備，用于將一種直流電壓轉(zhuǎn)換
降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器與升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波差異
關(guān)于降壓型和升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波差異，我們將分“降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓”和“升壓型DC-DC
穩(wěn)壓3.3V大功率低噪聲電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS60101數(shù)據(jù)表
電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《穩(wěn)壓3.3V大功率低噪聲電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS60101數(shù)據(jù)表.pdf》資料免費下載
發(fā)表于 04-23 11:06
?1次下載
工商網(wǎng)監(jiān)
評論