优化大功率 DC/DC 转换器的 EMC 和效率

第一章

选择正确的电容器种类、功率电感器、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。做出正确的选择并非易事，但即使做出了正确的选择，控制器也必须具有高效率且符合 EMC 要求才能上市。

对于具有较高输入和输出功率的 DC/DC 转换器，必须在输入和输出端都使用滤波器以减少干扰发射。然而，在输入和输出电流较大的情况下，很难在效率、尺寸、滤波器的衰减和成本以及实际功率级这些参数之间取得平衡。图1是一个 100 瓦降压升压 DC/DC 设计的示例，它展示了在布局和元器件选择方面应考虑哪些因素。

图 1：100W 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：

• 输出电压为 18V 时输出功率 100W，输入电压14-24V DC，最大输入电流 7A，最大输出电流55A

• 输出功率为 100W 时效率大于 95%

• 符合 CISPR32 B 类发射标准(传导和辐射)

• 输出纹波电压低(小于20mVpp)

• 无法屏蔽

• 输入和输出的线缆较长(都是 1 米长)

• 尺寸尽可能紧凑

• 尽可能降低成本

以上要求相当严格，必须创建一个低寄生电感且紧凑的布局，再搭配与该转换器相匹配的滤波器。EMC 方面，主要起作用的天线是输入和输出电缆，它们的频率范围一直延申到 1GHz。根据不同的工作模式，转换器的输入和输出都有高频电流环路(如图 2 所示)，因此必须对两者都进行滤波。滤波器可以防止高速开关的 MOSFET 通过电缆辐射出高频干扰。本例中的应用具有高达 60V DC 的宽输入电压范围、可调开关频率和驱动四个外部 MOSFET 的能力，设计自由度很高。

图2：开关电源原理图，其中红框中是高频回路，绿色的是关键开关节点，取决于 DC/DC 的操作模式。

该设计采用了六层双面印制电路板，开关频率为 400kHz。电感上的电流纹波应该大约是额定电流的 30%。60V MOSFET 采用了低导通电阻(RDS(on))和低热阻(Rth)的型号。图 3 展示的是经过简化的电路布局图。

图3：经过简化的功率电路设计示意图

选择电感器

REDEXPERT在线设计平台 可以帮助您快速准确地选择电感器。在本例中，必须先为降压工作模式输入所有工作参数，其中包括输入电压 Vin、开关频率 fsw、输出电流 Iout、输出电压Vout以及纹波电流 IRipple，再为升压工作模式输入一次。降压模式得到的结果是较高的电感以及较小的最大峰值电流(7.52µH、5.83A)。升压模式得出的电感较小，但最大峰值电流较大(4.09µH、7.04A)。

设计平台选择了 WE-XHMI 系列的6.8µH、15A 额定电流的屏蔽电感线圈。它具有非常低的 RDC，尺寸也极为紧凑，仅为 15 毫米×15 毫米×10 毫米(长×宽×高)。创新的磁芯材料可实现温和且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脉冲电流高且要求的纹波低，铝聚合物电容器和陶瓷电容器的组合是最佳选择。通过确定允许的最大输入和输出电压纹波，所需的电容可以按照以下公式进行计算：

(D = 占空比，REDEXPERT 内设置为 0.78) 选择了6 × 4.7µF / 50V / X7R = 28.2µF (WCAP-CSGP 885012209048)

通过使用 REDEXPERT ，可以轻松确定电容器(MLCC)的直流偏置，从而获得更实际的容值。预计在 24V 输入电压下电容容值会降低 20%。也就是只有 23µF 的有效电容，但仍然足够。

将一个 68µF/35V 的 WCAP-PSLC 铝聚合物电容与 0.22Ω 的 SMD 电阻串联后再与与陶瓷电容相并联。它的用途是保持电压转换器与输入滤波器相结合时的负输入阻抗的稳定性。由于该电容器也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 而迅速升温。

输出电容器也可以按照相同的方式进行选择。

选择了6 × 4.7µF / 50V / X7R = 28.2µF – 15% DC 偏置 = 24µF (WCAP-CSGP 885012209048)

此外，铝聚合物电容器(WCAP-PSLC 220µF/25V) 能提供足够快的瞬态响应能力。

本文的第 2 部分将介绍电路板布局、EMC 与择输入和输出滤波器元器件这一重要任务，以及功能电路的热验证等实际考虑因素。

第二章

在第 一章中，我们讲解了如何选择正确的电容器种类、功率电感器、开关频率以及半导体对 DC/DC 开关控制器的效率至关重要，并展示了开发指定规格的降压升压转换器的任务的例子。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相匹配的滤波器，从而实现非常低的电感和紧凑的布局。在第 2 部分中，我们将会介绍电路板布局和 EMC 需要考虑的因素、选择输入和输出滤波器元器件，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到一些因素。例如，会导致高 ΔI/Δt 值的输入和输出回路应通过将滤波陶瓷电容器紧密放置在一起来保持紧凑。自举电路应紧凑且靠近开关稳压器 IC。需要使用宽带π型滤波器来解耦开关稳压器的内部电源。使用尽可能多的过孔以实现内部功率GND 层和电路板底层之间的低电感、低阻抗连接。虽然大面积的铜可以实现更佳的散热性能和更低的 RDC，但铜面积不宜太大，以免与相邻电路发生容性和感性耦合。

无滤波器的 EMC 测量(100W 输出功率)

为满足大多数应用，转换器在传导(150kHz 至 30MHz)和辐射(30MHz 至 1GHz)范围内的干扰发射均应符合 B 类(家用)限制。除了插入损耗，还有很重要的一点是大电流应用需要电感元件具有尽可能低的 RDC，从而将效率和发热量保持在可接受的范围内。不幸的是，低 RDC 也意味着尺寸会更大。因此，选择在 RDC、阻抗和尺寸这几个因素之间取得平衡的最先进的元件尤为重要。WE-MPSB 系列和紧凑型设计的 WE-XHMI 系列都适用于这种情况。对于 10µF 以上的电容滤波元件，可以使用低成本的铝电解电容。由于滤波电感器能有效抑制电流变化，因此无需担心高纹波电流。因此，较大的 ESR 也没有关系，它会导致滤波器品质因素降低，从而防止不必要的谐振。滤波器所造成的额外损耗是由于电感器的欧姆损耗。

选择输入和输出滤波器元件

滤波器元件选择标准中最重要的一点是能实现从 150kHz 至 300MHz 的宽带干扰抑制，从而抑制传导和辐射 EMC。如果输入或输出使用较短的电缆或不使用电缆，则可以降低滤波程度。图 6 展示的是各个滤波器元件的有效频率范围。

图6：滤波器元件的方框图，分别具有 3 个不同的频率范围。

图7：PCB 顶视图，包括所有滤波器元件，符合 CISPR32 B 类标准

有滤波器的电路在 100W 输出功率 (Ta = 22°C) 时测得的温度和效率

使用热像仪测得元件最高温度低于 64℃(图 8)，这意味着有足够的安全裕度来应对较高的环境温度，同时对元器件的压力也较小。效率也处于非常高的水平(降压模式：96.5%;升压模式：95.6%)，特别是考虑到所有的滤波器元件都已计算在内。

图8：顶部和底部测得的温度。

图9：输入和输出带滤波器的电路测得的辐射干扰发射。可以在整个测量范围内跟限值(水平和垂直)保持足够的距离。

图10：在输入端带滤波器的测量传导发射。平均值和准峰值在整个测量范围内均低于限值。

图 9 和图 10 展示的是安装滤波器后电路测量结果的改善。有滤波器之后，低频范围内的传导干扰辐射的峰值以及辐射干扰发射的完整测量曲线都低于要求的限值，并且有足够裕量。

总结

就算进行了非常仔细的布局并选择了合适的有源和无源元件，如果有额外的非常严格的规格要求(如长线缆、不能屏蔽等)，那么没有滤波器就无法实现符合 B 类标准的大功率 DC/DC 转换器。不过，我们可以预期到并且提前布置合适的滤波器。得到的结果是一个灵活、高效、符合 B 类标准的 100W 降压升压转换器。为了让印制电路板更紧凑，两个滤波器可以旋转 90° 或布置在电路板的反面。REDEXPERT 和 LTSpice 等设计和仿真软件有助于快速且经济高效地达到预期设计目标。