优化大功率DC/DC转换器的EMC和效率-第2部分
发布日期:2022-07-29
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在第1部分中，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。
作者：
Andreas Nadler，伍尔特电子现场应用工程师 FAE，appnotes@we-online.de
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