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 5.55A

 

  • 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。