第一章
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(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（RDS(on)）和低熱阻（Rth）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(shè)計(jì)示意圖
選擇電感器
REDEXPERT在線設(shè)計(jì)平臺 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×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)樗鼤蜉^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。
第二章
在第 一章中，我們講解了如何選擇正確的電容器種類、功率電感器、開關(guān)頻率以及半導(dǎo)體對 DC/DC 開關(guān)控制器的效率至關(guān)重要，并展示了開發(fā)指定規(guī)格的降壓升壓轉(zhuǎn)換器的任務(wù)的例子。我們還探討了如何選擇最佳的電容器和電感器來創(chuàng)建與轉(zhuǎn)換器相匹配的濾波器，從而實(shí)現(xiàn)非常低的電感和緊湊的布局。在第 2 部分中，我們將會介紹電路板布局和 EMC 需要考慮的因素、選擇輸入和輸出濾波器元器件，以及使用熱成像來驗(yàn)證功能電路。
布局指南
布局電路板時(shí)需要考慮到一些因素。例如，會導(dǎo)致高 ΔI/Δt 值的輸入和輸出回路應(yīng)通過將濾波陶瓷電容器緊密放置在一起來保持緊湊。自舉電路應(yīng)緊湊且靠近開關(guān)穩(wěn)壓器 IC。需要使用寬帶π型濾波器來解耦開關(guān)穩(wěn)壓器的內(nèi)部電源。使用盡可能多的過孔以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部功率GND 層和電路板底層之間的低電感、低阻抗連接。雖然大面積的銅可以實(shí)現(xiàn)更佳的散熱性能和更低的 RDC，但銅面積不宜太大，以免與相鄰電路發(fā)生容性和感性耦合。
無濾波器的 EMC 測量（100W 輸出功率）
為滿足大多數(shù)應(yīng)用，轉(zhuǎn)換器在傳導(dǎo)（150kHz 至 30MHz）和輻射（30MHz 至 1GHz）范圍內(nèi)的干擾發(fā)射均應(yīng)符合 B 類（家用）限制。除了插入損耗，還有很重要的一點(diǎn)是大電流應(yīng)用需要電感元件具有盡可能低的 RDC，從而將效率和發(fā)熱量保持在可接受的范圍內(nèi)。不幸的是，低 RDC 也意味著尺寸會更大。因此，選擇在 RDC、阻抗和尺寸這幾個(gè)因素之間取得平衡的最先進(jìn)的元件尤為重要。WE-MPSB 系列和緊湊型設(shè)計(jì)的 WE-XHMI 系列都適用于這種情況。對于 10µF 以上的電容濾波元件，可以使用低成本的鋁電解電容。由于濾波電感器能有效抑制電流變化，因此無需擔(dān)心高紋波電流。因此，較大的 ESR 也沒有關(guān)系，它會導(dǎo)致濾波器品質(zhì)因素降低，從而防止不必要的諧振。濾波器所造成的額外損耗是由于電感器的歐姆損耗。
選擇輸入和輸出濾波器元件
濾波器元件選擇標(biāo)準(zhǔn)中最重要的一點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)從 150kHz 至 300MHz 的寬帶干擾抑制，從而抑制傳導(dǎo)和輻射 EMC。如果輸入或輸出使用較短的電纜或不使用電纜，則可以降低濾波程度。圖 6 展示的是各個(gè)濾波器元件的有效頻率范圍。
圖6：濾波器元件的方框圖，分別具有 3 個(gè)不同的頻率范圍。
圖7：PCB 頂視圖，包括所有濾波器元件，符合 CISPR32 B 類標(biāo)準(zhǔn)
有濾波器的電路在 100W 輸出功率 (Ta = 22°C) 時(shí)測得的溫度和效率
使用熱像儀測得元件最高溫度低于 64℃（圖 8），這意味著有足夠的安全裕度來應(yīng)對較高的環(huán)境溫度，同時(shí)對元器件的壓力也較小。效率也處于非常高的水平（降壓模式：96.5%；升壓模式：95.6%），特別是考慮到所有的濾波器元件都已計(jì)算在內(nèi)。
圖8：頂部和底部測得的溫度。
圖9：輸入和輸出帶濾波器的電路測得的輻射干擾發(fā)射。可以在整個(gè)測量范圍內(nèi)跟限值（水平和垂直）保持足夠的距離。
圖10：在輸入端帶濾波器的測量傳導(dǎo)發(fā)射。平均值和準(zhǔn)峰值在整個(gè)測量范圍內(nèi)均低于限值。
圖 9 和圖 10 展示的是安裝濾波器后電路測量結(jié)果的改善。有濾波器之后，低頻范圍內(nèi)的傳導(dǎo)干擾輻射的峰值以及輻射干擾發(fā)射的完整測量曲線都低于要求的限值，并且有足夠裕量。
總結(jié)
就算進(jìn)行了非常仔細(xì)的布局并選擇了合適的有源和無源元件，如果有額外的非常嚴(yán)格的規(guī)格要求（如長線纜、不能屏蔽等），那么沒有濾波器就無法實(shí)現(xiàn)符合 B 類標(biāo)準(zhǔn)的大功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。不過，我們可以預(yù)期到并且提前布置合適的濾波器。得到的結(jié)果是一個(gè)靈活、高效、符合 B 類標(biāo)準(zhǔn)的 100W 降壓升壓轉(zhuǎn)換器。為了讓印制電路板更緊湊，兩個(gè)濾波器可以旋轉(zhuǎn) 90° 或布置在電路板的反面。REDEXPERT 和 LTSpice 等設(shè)計(jì)和仿真軟件有助于快速且經(jīng)濟(jì)高效地達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。 |
