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基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)

发布时间:2021-01-20 责任编辑:lina

【导读】板载DC-DC转换器的规格是重要且详细的过程。选型正确后,它会产生符合所有应用的经济高效的解决方案。错误选择转换器会导致成本过高,或者不适合该应用。本常见问题解答将介绍板载DC/DC转换器的主要规格,以及包括热管理和电磁兼容性考虑因素。
 
DC/DC转换器的规格说明
 
板载DC-DC转换器的规格是重要且详细的过程。选型正确后,它会产生符合所有应用的经济高效的解决方案。错误选择转换器会导致成本过高,或者不适合该应用。本常见问题解答将介绍板载DC/DC转换器的主要规格,以及包括热管理和电磁兼容性考虑因素。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)
这款效率为96%的40A负载点(PoL)非隔离式板装DC/DC转换器尺寸为33mm x 13.5mm x 10.2mm。(图片:TDK)
 
效率通常是DC/DC转换器最重要的规格,它对系统设计的许多方面都具有重大影响。即使在高效率的设计中,效率的提高也会产生重大影响。效率为95%的设计热损耗为5%,效率为80%的DC/DC转换器热损耗为20%,相差四倍。这种差异会影响系统设计的许多方面:
可以降低工作温度,或者可以在相同工作温度下提高系统功率密度
系统的物理尺寸减小
由于可使用较小甚至无需使用散热器,因此系统成本将更低
可靠性大幅提高
对于交流电源系统,前端交流/直流电源将更小且成本更低
电池供电的系统可以使用较小的电池或在给定的供电水平下运行更长时间
对系统的能源成本和环境影响将减少
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)
5V DC/1A输出的DC / DC转换器在各种输入电压下的效率曲线。图片:RECOM
 
效率可以通过多种方式体现,例如在各种输入电压电平,各种输出功率电平等情况下的典型值(非常常见),保证的最小值。并且,在所考虑的范围内,效率通常不是平坦的。对于输出功率与效率的关系,重要的是要考虑效率曲线的形状,并将其与系统的预期运行状态相匹配,以在实际运行条件下最大化效率。
 
在许多应用中,尤其是电池供电的设备,空载功耗可能是重要的指标,它与开关电路的功耗有关,是整体效率的限制因素。
 
输出调节
 
额定输出电流是一个简单明了的规格。某些DC/DC转换器还规定了最小负载。根据转换器的不同,低于最小负载的运行会对电压调节产生负面影响,但不会损坏转换器。输出电压是要指定的更复杂的参数。提供用于指定输出电压的起点的两个因素是标称值或“设定点”,以及该标称值与各种独立参数(例如输出负载的变化,输入电压的变化和工作温度变化。)
 
设定值规格的一个例子是在额定输入电压,满载和25°C下为±1%。电源和负载调整率通常指定为百分比或绝对范围,例如,±0.1%或±5mV。温度调节通常指定为“每摄氏度”,例如±0.01%/°C或百万分之一(PPM),如PPM /°C所示。一些DC/DC转换器供应商提供了针对所有可能变化的“总调节”的单一规范,而不是提供上面概述的各个规范。对于低于3V的电压,详细规定输出电压调节可能更为重要。
 
在典型应用中,与输出负载水平相比,在系统运行期间,线路输入电压和工作温度变化相对较小。结果,负载调节是更关键的规格。另外,由于输出负载中阶跃函数的变化而产生动态电压调节(有时称为瞬态响应)。
 
动态调节
 
对于许多系统,动态调节比静态电压调节更为关键。在指定动态调节时,有必要对负载的绝对变化,变化率,“恢复”的定义以及达到恢复的时间进行量化。例如:“负载变化为25%至75%,dI/dt为0.1A/µs,最大偏差为3%,并在200ms内恢复到设定值的1%。”输出电压将在电流增加时减小,而在电流减小时增加。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)
输出电压动态调节,显示瞬态响应偏差和恢复时间。(图片:Keysight Technologies)
 
动态响应既是系统设计的考虑因素,也是电源设计的考虑因素。配电网络的阻抗和去耦设计对动态调节具有重大影响。对于板上安装的DC/DC转换器,为FPGA和微处理器等大型数字IC供电时,动态调节尤其重要。
 
开关DC/DC转换器的输出包含低频(纹波)和高频(噪声)分量,通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示。对于5V输出,纹波和噪声的典型规格峰峰值为75mV。纹波的频率与转换器的开关频率有关。噪声的可变性更大,并且是由开关模式转换器工作中固有的高dI/dt寄生电感振铃引起的。噪声在开关转换期间突然出现,并叠加在较低的频率纹波上。使用板载DC / DC转换器时电磁兼容性需要详细考虑。
 
保护功能
 
过流保护旨在保护转换器免受系统故障(例如短路)的影响。有三种常见的方法来实现限流保护,最大限流,折返限流和打嗝限流。在最大电流限制中,负载电流被限制在不超过最大值的范围内。当达到该值时,输出电压下降。在电流限制阶段,DC / DC转换器中的功耗通常比正常操作中的功耗高。折返电流限制可在检测到故障时降低输出电流。与最大电流限制相比,这可以实现较低的最大功耗。但是,折返电流限制可能会在启动时提供较少的电流。结果,如果启动期间的负载电流大于折返电流极限支持的值,则输出的上升速度会变慢,否则转换器可能无法启动。
 
当电流检测电路在打嗝电流限制中发现过电流情况时,DC/DC转换器将关闭一段时间,然后尝试再次启动。如果消除了过载条件,转换器将启动并正常运行;否则,控制器将认为是另一种过电流情况并关闭,重复该循环。打嗝操作消除了其他两种过流保护方法的缺点。但是,由于需要定时电路,因此更加复杂。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)
打嗝电流限制比最大电流限制或折返电流限制更为复杂。带有打ic保护功能的转换器每次尝试重新启动时都会发出“滴答”声。图片:RECOM
 
通常,将转换器故障导致的输出过压条件钳位在特定水平。装置通常在短路状态下发生故障,从而防止损坏主机系统。某些DC/DC转换器还具有欠压锁定功能,可在低输入电压下将其关闭。转换器在“掉电模式”下工作,在该模式下,输出功率受限,以防止过多的输入电流流入。
 
一般规格
 
在特定应用中,许多附加规范可能很重要,例如用于转换器配置和监视的PMBus通信功能。远程开关功能可控制多个转换器的上电和断电顺序或出于安全原因选择远程,遥感功能对某些应用可能很重要。
 
大多数板上安装的DC/DC转换器是非隔离的降压转换器。不过,有时还是需要隔离转换器,并且需要指定隔离电压的水平。隔离电容也很重要,主要是隔离式转换器中变压器初级绕组和次级绕组之间的寄生耦合。
 
二、EMC和EMI
 
电磁兼容性(EMC)和电磁干扰(EMI)是影响电源系统设计的系统级考虑,尤其是在分布式电源架构(DPA)中使用多个板载DC / DC转换器的情况下。EMC / EMI是一个多方面的考虑因素,其中包括转换器的输入和输出的差模和共模噪声,辐射噪声和传导噪声以及转换器的磁化率和发射水平。
 
EMC被定义为即使在给定范围内遭受各种EMI形式影响,设备仍可按规定运行的能力。板上安装的DC / DC转换器可能是很大的EMI源,必须对其进行控制以确保系统正常运行。而且它还容易受到干扰,特别是在输入侧。
 
高频板上安装的DC / DC转换器需要选择转换器中磁性元件的尺寸最小化,从而减小了整体解决方案。使用较小的无源器件可以使设计紧凑的电路更为简单,从而获得更好的EMC / EMI特性。
 
但是,高频也会导致转换器中电源开关电路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET开关沿导致较高的dI / dt(取决于上升时间,其频率高达几百MHz),这受MOSFET输出电容,结电容,肖特基二极管的反向恢复电容等因素。
 
电磁兼容/电磁干扰
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)
EMI耦合机制(图片来源:Boyd Corp.)
 
如上所述,EMI可以通过传导,辐射或耦合发射的形式出现。根据应用和系统设计,在DPA中使用多个板上安装的降压DC / DC转换器时,每种EMI产生方式都可能成为一个重大问题。
 
传导发射是通过导线,电路板走线等带入电子系统的有害电磁能量。它可以采取共模或差模(也称为正常模式)能量的形式。
 
耦合发射包括从干扰源到电子系统的电容或电感耦合的电磁能。
 
辐射发射是从干扰源到电子系统的整个空间辐射的电磁能。
 
EMI标准
 
有两种类型的EMC标准,基本和与通用/产品相关。像IEC 61000-4和CISPR 16一样,基本EMC标准也没有规定发射限值或抗扰度测试等级。它们指定如何执行测量。通用EMC标准和产品(系列)EMC标准(例如CISPR / EN 55022/32和FCC)指定了限制和测试级别,有关测试设置和方法规范,请参阅Basic EMC出版物。
 
IT和多媒体设备的设计者必须在适用的150kHz至30MHz频率范围内使用准峰值和平均信号检测器来满足传导发射的EN 55022/32 A类和B类限制。必须同时满足准峰值和均值限制。专为北美市场设计的产品必须符合FCC 15规定的等效限制。B类设置的传导排放限值与CISPR 22和EN 55022/32中的限值相同。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)
CISPR / EN 55022/32 A类和B类准峰值(QP)和平均(AVG)传导发射限值(图片:德州仪器(Texas Instruments))
 
IEC 61000基本EMC标准由几个部分组成。常规(61000-1),环境(61000-2),限值(61000-3),测试和测量技术(61000-4),安装指南(61000-5),通用标准(61000-6),其他(61000-9)。
 
CISPR 1‐6基本EMC标准包括四个部分:CISPR 16-1有六个子部分,并指定了电压,电流和现场测量设备以及测试地点。这些包括测量设备的校准和验证。CISPR 16-2有五个子部分,规定了测量高频EMC现象,应对干扰和抗扰度的方法。CISPR 16-3是IEC技术报告(TR),其中包含特定的技术报告和有关CISPR历史的信息。CISPR 16-4包括五个子部分,其中包含与不确定性,统计数据和极限建模有关的信息。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)
传导性EMI的主要非军事通用/产品标准摘要(图片:德州仪器)
 
遏制EMI
 
控制EMI很重要,原因有二:不符合上述EMI标准的系统在许多市场都被禁止,并且EMI过多会降低系统性能。EMI是一个多维问题,有几种途径控制EMI。如果使用可靠供应商提供的板装DC / DC转换器,通常不会出现辐射发射和耦合发射问题。但是,转换器的输入端需要注意以最小化转换器的传导发射连接到电源总线上,并处理可能对电源总线的瞬变敏感影响转换器性能的可能性。一些一般的注意事项包括:
 
电路设计:保持电流环路较小,以最大程度地减少导体通过感应或辐射耦合能量的能力,并设计适当的电容器和设计中的其他组件以最大程度地减少耦合。此外,使用将频率展频与开关频率抖动相结合的板上安装式DC / DC转换器,可以通过允许在任何一个相当长的时间内保持在任何一个频率上发射,从而有效地降低EMI。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)
采用2x 2板载封装的六侧屏蔽60W隔离式DC / DC转换器。图片:RECOM
 
过滤器:将过滤器尽可能靠近转换器。旁路电容引线应尽可能短。在典型的板装降压DC / DC转换器应用中,输入滤波通常是最关键的。功率MOSFET与输出之间有一个电感,至少在某种程度上减轻了EMI。但是,输入侧的EMI会在整个系统中传播,因为它将由主电源总线承载。尽管输入侧最为关键,但在考虑EMI时忽略输出侧并非明智之举。对于板上安装的DC / DC转换器供应商,通常在数据表中列出满足特定EMC / EMI标准所需的外部组件。
 
屏蔽:有一个经验法则,当频率低于200MHz时,接地可能是可行的解决方案,但是当频率高于200MHz时,它会产生辐射,最好的解决方案就是屏蔽。对于电信,过程控制,广播,工业以及测试和测量设备等应用,通常建议使用带有六面金属屏蔽的板装式DC / DC转换器来最大化EMC / EMI性能。
 
归根结底,EMC / EMI是系统级问题。优化板载DC / DC转换器的EMC / EMI性能是一个重要的考虑因素,但是其他系统元素通常对EMC / EMI性能更重要。
 
 
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