優(yōu)化大功率 DC/DC 轉換器的 EMC 和效率第1部分

作者：Andreas Nadler，伍爾特電子現(xiàn)場應用工程師時間：2022-07-26 來源：電子產品世界

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選擇正確的電容器種類、功率電感器、開關頻率和半導體對于 DC/DC 開關電源控制器的效率至關重要。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://butianyuan.cn/article/202207/436648.htm

對于具有較高輸入和輸出功率的 DC/DC 轉換器，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際功率級這些參數(shù)之間取得平衡。圖1是一個 100 瓦降壓升壓 DC/DC 設計的示例，它展示了在布局和元器件選擇方面應考慮哪些因素。

圖 1：100W 降壓升壓轉換器演示板

任務

開發(fā)具有以下規(guī)格的降壓升壓轉換器：

· 輸出電壓為 18V 時輸出功率 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 時效率大于 95%

· 符合 CISPR32 B 類發(fā)射標準（傳導和輻射）

· 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（都是 1 米長）

· 尺寸盡可能緊湊

· 盡可能降低成本

以上要求相當嚴格，必須創(chuàng)建一個低寄生電感且緊湊的布局，再搭配與該轉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），因此必須對兩者都進行濾波。濾波器可以防止高速開關的 MOSFET 通過電纜輻射出高頻干擾。本例中的應用具有高達 60V DC 的寬輸入電壓范圍、可調開關頻率和驅動四個外部 MOSFET 的能力，設計自由度很高。

圖2：開關電源原理圖，其中紅框中是高頻回路，綠色的是關鍵開關節(jié)點，取決于 DC/DC 的操作模式。

該設計采用了六層雙面印制電路板，開關頻率為 400kHz。電感上的電流紋波應該大約是額定電流的 30%。60V MOSFET 采用了低導通電阻（R_DS(on)）和低熱阻（R_th）的型號。圖 3 展示的是經(jīng)過簡化的電路布局圖。

圖3：經(jīng)過簡化的功率電路設計示意圖

選擇電感器

REDEXPERT在線設計平臺可以幫助您快速準確地選擇電感器。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)。

設計平臺選擇了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×寬×高）。創(chuàng)新的磁芯材料可實現(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行計算：

（D = 占空比，REDEXPERT 內設置為 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，從而獲得更實際的容值。預計在 24V 輸入電壓下電容容值會降低 20%。也就是只有 23μF 的有效電容，但仍然足夠。將一個 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換器與輸入濾波器相結合時的負輸入阻抗的穩(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，因為它會因較高的 ESR 而迅速升溫。

輸出電容器也可以按照相同的方式進行選擇。