融资中国2020（第八届）金融科技创新峰会圆满落幕
06-17
第1章 选择正确的电容器类型、功率电感、开关频率和半导体对于DC/DC 开关电源控制器的效率至关重要。
做出正确的选择并不容易，但即使您这样做，控制器也必须高效且符合 EMC 标准，然后才能推向市场。
对于输入输出功率较高的DC/DC 转换器，必须在输入和输出处均使用滤波器，以减少干扰发射。
然而，在高输入和输出电流下，很难平衡效率、尺寸、滤波器衰减和成本以及实际功率水平等参数。
图 1 是 W 降压-升压 DC/DC 设计示例，显示了布局和组件选择方面应考虑的因素。
图 1：W 降压-升压转换器演示板 任务 开发具有以下规格的降压-升压转换器： ？输出电压18V、输入电压14 -24V DC、最大输入电流7A、最大输出电流55A时的输出功率W ？输出功率为W 时效率大于95%？符合CISPR32 B级发射标准（传导和辐射） ？低输出纹波电压（小于20mVpp） ？无法屏蔽 ？输入输出线很长（均为1米长） ？尺寸要尽可能紧凑 ？尽可能降低成本 上述要求非常严格，必须创建低寄生电感和紧凑的布局，再加上与转换器匹配的滤波器。
在EMC 方面，主要天线是输入和输出电缆，其频率范围延伸至1GHz。
根据工作模式的不同，转换器的输入和输出均具有高频电流环路（如图2 所示），因此两者都必须进行滤波。
该滤波器可防止高速开关 MOSFET 通过电缆辐射高频干扰。
本示例中的应用具有高达 60V DC 的宽输入电压范围、可调开关频率以及驱动四个外部 MOSFET 的能力，从而实现了较高的设计自由度。
图2：开关电源原理图，其中红框为高频环路，绿框为关键开关节点，具体取决于DC/DC工作模式。
该设计采用六层双面印刷电路板，开关频率为kHz。
电感上的电流纹波应约为额定电流的 30%。
60V MOSFET 采用低导通电阻(RDS(on))和低热阻(Rth)的型号。
图 3 显示了简化的电路布局。
图3：简化的电源电路设计原理图 选择电感 REDEXPERT在线设计平台可以帮助您快速、准确地选择电感器。
在此示例中，必须首先输入降压工作模式的所有工作参数，包括输入电压 Vin、开关频率 fsw、输出电流 Iout、输出电压 Vout 和纹波电流 IRipple，然后输入升压工作模式的所有工作参数。
一次进入工作模式。
降压模式会产生更高的电感和更小的最大峰值电流（7.52μH，5.83A）。
升压模式的电感较小，但最大峰值电流较大（4.09μH，7.04A）。
设计平台选用WE-XHMI系列6.8μH、15A额定电流屏蔽电感线圈。
它具有非常低的 RDC，尺寸极其紧凑，仅为 15mm x 15 mm x 10mm（长 x 宽 x 高）。
创新的核心材料可实现温和、不受温度影响的饱和特性。
选择电容器 由于通过隔直电容器的高脉冲电流和所需的低纹波，铝聚合物电容器和陶瓷电容器的组合是最佳选择。
通过确定最大允许输入和输出电压纹波，可以根据以下公式计算所需的电容： （D = 占空比，在 REDEXPERT 中设置为 0.78） 6 × 4.7μF / 50V / X7R = 选定的 28.2μF (WCAP-CSGP ) 通过使用REDEXPERT，可以轻松确定电容器(MLCC)的DC偏压，以获得更真实的电容值。
预计在24V输入电压下电容值将减少 20%。
有效电容只有 23μF，但仍然足够了。
将68μF/35V WCAP-PSLC铝聚合物电容器与0.22Ω SMD 电阻串联，然后与陶瓷电容器并联。
其目的是在与输入滤波器结合使用时保持电压转换器负输入阻抗的稳定性。
由于该电容器也会受到高脉冲电流的影响，因此铝电解电容器不太合适，因为它会因较高的 ESR 而快速升温。
输出电容也可以用同样的方法选择。
选用6×4.7μF/50V/提供足够快的瞬态响应能力。
本文的第 2 部分将涵盖电路板布局、EMC 和选择输入和输出滤波器组件的重要任务，以及功能电路热验证等实际考虑因素。
第二章 在第 1 章中，我们解释了选择正确的电容器类型、功率电感器、开关频率和半导体对于 DC/DC 开关控制器的效率至关重要，并演示了按照指定规格开发降压-升压电路。
电压转换器的任务示例。
我们还探讨了如何选择最佳的电容器和电感器来创建与转换器匹配的滤波器，从而实现非常低的电感和紧凑的布局。
在第 2 部分中，我们将介绍电路板布局和 EMC 注意事项、选择输入和输出滤波器组件以及使用热成像来验证功能电路。
布局指南 布局电路板时需要考虑一些因素。
例如，导致高 ΔI/Δt 值的输入和输出环路应通过将滤波陶瓷电容器紧密放置在一起来保持紧凑。
自举电路应紧凑并靠近开关稳压器 IC。
需要使用宽带 π 滤波器来对开关稳压器的内部电源进行去耦。
使用尽可能多的过孔，在内部电源 GND 层和电路板底层之间提供低电感、低阻抗连接。
虽然大面积的铜可以实现更好的热性能和更低的 RDC，但铜面积不应该太大，否则会导致与相邻电路的电容和电感耦合。
无滤波器的 EMC 测量（W 输出功率） 为了满足大多数应用，转换器在传导（kHz 至 30MHz）和辐射（30MHz 至 1GHz）范围内的干扰发射应符合 B 级（家庭使用）限制。
除了插入损耗之外，值得注意的是，高电流应用要求电感元件具有尽可能低的 RDC，以将效率和发热保持在可接受的范围内。
不幸的是，低 RDC 也意味着更大的尺寸。
因此，选择平衡 RDC、阻抗和尺寸因素的最先进元件非常重要。
WE-MPSB系列和设计紧凑的WE-XHMI 系列都适合这种情况。
对于10μF以上的电容滤波元件，可以采用低成本的铝电解电容器。
由于滤波电感有效抑制电流变化，因此无需担心高纹波电流。
因此，更大的 ESR并不重要，它会导致滤波器的品质因数降低，从而防止不必要的谐振。
滤波器引起的额外损耗是由于电感器中的欧姆损耗造成的。
选择输入和输出滤波器组件 滤波器组件选择标准中最重要的一点是能够实现从kHz到MHz的宽带干扰抑制，从而抑制传导和辐射的 EMC。
如果输入或输出上使用较短的电缆或不使用电缆，则可以降低滤波程度。
图 6 显示了每个滤波器元件的有效频率范围。
图 6：具有 3 个不同频率范围的滤波器组件的框图。
图 7：PCB 顶视图，包括所有滤波器组件，符合 CISPR32 B 类标准 在 W 输出功率 (Ta = 22°C) 下测量的带有滤波器的电路的温度和效率 的最高温度使用热像仪测量的组件温度低于64°C（图 8），这意味着有足够的安全裕度来应对较高的环境温度和较小的组件压力。
效率也处于非常高的水平（降压模式：96.5%；升压模式：95.6%），特别是考虑到所有滤波器组件。
图 8：在顶部和底部测量的温度。
图 9：测量的带有输入和输出滤波器的电路的辐射干扰发射。
在整个测量范围内可以与极限值（水平和垂直）保持足够的距离。
图 10：在输入端使用滤波器测量的传导发射。
整个测量范围内的平均值和准峰值均低于限值。
图9和图10 显示了安装滤波器后电路测量结果的改善。
采用该滤波器后，低频范围内的传导干扰辐射峰值和辐射干扰发射的完整测量曲线均低于要求限值，并有足够的余量。
总结 即使非常仔细的布局并选择合适的有源和无源元件，如果有附加非常严格的规格（例如长电缆，无屏蔽等），那么没有滤波器是不可能的实现了满足Class B 标准的大功率DC/DC转换器。
然而，我们可以提前预测并布置适当的过滤器。
结果是一个灵活、高效、符合 B 类标准的 W 降压-升压转换器。
为了使印刷电路板更加紧凑，两个滤波器可以旋转90°或布置在电路板的相对侧。
REDEXPERT 和 LTSpice 等设计和仿真软件有助于快速且经济高效地实现所需的设计目标。
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