DC/DC轉換器的規(guī)格說明

 

板載DC-DC轉換器的規(guī)格是重要且詳細的過程。選型正確后，它會產生符合所有應用的經濟高效的解決方案。錯誤選擇轉換器會導致成本過高，或者不適合該應用。本常見問題解答將介紹板載DC/DC轉換器的主要規(guī)格，以及包括熱管理和電磁兼容性考慮因素。

這款效率為96％的40A負載點（PoL）非隔離式板裝DC/DC轉換器尺寸為33mm x 13.5mm x 10.2mm。（圖片：TDK）

 

效率通常是DC/DC轉換器最重要的規(guī)格，它對系統(tǒng)設計的許多方面都具有重大影響。即使在高效率的設計中，效率的提高也會產生重大影響。效率為95％的設計熱損耗為5%，效率為80％的DC/DC轉換器熱損耗為20%，相差四倍。這種差異會影響系統(tǒng)設計的許多方面：

可以降低工作溫度，或者可以在相同工作溫度下提高系統(tǒng)功率密度

系統(tǒng)的物理尺寸減小

由于可使用較小甚至無需使用散熱器，因此系統(tǒng)成本將更低

可靠性大幅提高

對于交流電源系統(tǒng)，前端交流/直流電源將更小且成本更低

電池供電的系統(tǒng)可以使用較小的電池或在給定的供電水平下運行更長時間

對系統(tǒng)的能源成本和環(huán)境影響將減少

 

5V DC/1A輸出的DC / DC轉換器在各種輸入電壓下的效率曲線。圖片：RECOM

 

效率可以通過多種方式體現(xiàn)，例如在各種輸入電壓電平，各種輸出功率電平等情況下的典型值（非常常見），保證的最小值。并且，在所考慮的范圍內，效率通常不是平坦的。對于輸出功率與效率的關系，重要的是要考慮效率曲線的形狀，并將其與系統(tǒng)的預期運行狀態(tài)相匹配，以在實際運行條件下最大化效率。

 

在許多應用中，尤其是電池供電的設備，空載功耗可能是重要的指標，它與開關電路的功耗有關，是整體效率的限制因素。

 

輸出調節(jié)

 

額定輸出電流是一個簡單明了的規(guī)格。某些DC/DC轉換器還規(guī)定了最小負載。根據(jù)轉換器的不同，低于最小負載的運行會對電壓調節(jié)產生負面影響，但不會損壞轉換器。輸出電壓是要指定的更復雜的參數(shù)。提供用于指定輸出電壓的起點的兩個因素是標稱值或“設定點”，以及該標稱值與各種獨立參數(shù)（例如輸出負載的變化，輸入電壓的變化和工作溫度變化。)

 

設定值規(guī)格的一個例子是在額定輸入電壓，滿載和25°C下為±1％。電源和負載調整率通常指定為百分比或絕對范圍，例如，±0.1％或±5mV。溫度調節(jié)通常指定為“每攝氏度”，例如±0.01％/°C或百萬分之一（PPM），如PPM /°C所示。一些DC/DC轉換器供應商提供了針對所有可能變化的“總調節(jié)”的單一規(guī)范，而不是提供上面概述的各個規(guī)范。對于低于3V的電壓，詳細規(guī)定輸出電壓調節(jié)可能更為重要。

 

在典型應用中，與輸出負載水平相比，在系統(tǒng)運行期間，線路輸入電壓和工作溫度變化相對較小。結果，負載調節(jié)是更關鍵的規(guī)格。另外，由于輸出負載中階躍函數(shù)的變化而產生動態(tài)電壓調節(jié)（有時稱為瞬態(tài)響應）。

 

動態(tài)調節(jié)

 

對于許多系統(tǒng)，動態(tài)調節(jié)比靜態(tài)電壓調節(jié)更為關鍵。在指定動態(tài)調節(jié)時，有必要對負載的絕對變化，變化率，“恢復”的定義以及達到恢復的時間進行量化。例如：“負載變化為25％至75％，dI/dt為0.1A/µs，最大偏差為3％，并在200ms內恢復到設定值的1％。”輸出電壓將在電流增加時減小，而在電流減小時增加。

 

輸出電壓動態(tài)調節(jié)，顯示瞬態(tài)響應偏差和恢復時間。（圖片：Keysight Technologies）

 

動態(tài)響應既是系統(tǒng)設計的考慮因素，也是電源設計的考慮因素。配電網(wǎng)絡的阻抗和去耦設計對動態(tài)調節(jié)具有重大影響。對于板上安裝的DC/DC轉換器，為FPGA和微處理器等大型數(shù)字IC供電時，動態(tài)調節(jié)尤其重要。

 

開關DC/DC轉換器的輸出包含低頻（紋波）和高頻（噪聲）分量，通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示。對于5V輸出，紋波和噪聲的典型規(guī)格峰峰值為75mV。紋波的頻率與轉換器的開關頻率有關。噪聲的可變性更大，并且是由開關模式轉換器工作中固有的高dI/dt寄生電感振鈴引起的。噪聲在開關轉換期間突然出現(xiàn)，并疊加在較低的頻率紋波上。使用板載DC / DC轉換器時電磁兼容性需要詳細考慮。

 

保護功能

 

過流保護旨在保護轉換器免受系統(tǒng)故障（例如短路）的影響。有三種常見的方法來實現(xiàn)限流保護，最大限流，折返限流和打嗝限流。在最大電流限制中，負載電流被限制在不超過最大值的范圍內。當達到該值時，輸出電壓下降。在電流限制階段，DC / DC轉換器中的功耗通常比正常操作中的功耗高。折返電流限制可在檢測到故障時降低輸出電流。與最大電流限制相比，這可以實現(xiàn)較低的最大功耗。但是，折返電流限制可能會在啟動時提供較少的電流。結果，如果啟動期間的負載電流大于折返電流極限支持的值，則輸出的上升速度會變慢，否則轉換器可能無法啟動。

 

當電流檢測電路在打嗝電流限制中發(fā)現(xiàn)過電流情況時，DC/DC轉換器將關閉一段時間，然后嘗試再次啟動。如果消除了過載條件，轉換器將啟動并正常運行；否則，控制器將認為是另一種過電流情況并關閉，重復該循環(huán)。打嗝操作消除了其他兩種過流保護方法的缺點。但是，由于需要定時電路，因此更加復雜。

 

打嗝電流限制比最大電流限制或折返電流限制更為復雜。帶有打ic保護功能的轉換器每次嘗試重新啟動時都會發(fā)出“滴答”聲。圖片：RECOM

 

通常，將轉換器故障導致的輸出過壓條件鉗位在特定水平。裝置通常在短路狀態(tài)下發(fā)生故障，從而防止損壞主機系統(tǒng)。某些DC/DC轉換器還具有欠壓鎖定功能，可在低輸入電壓下將其關閉。轉換器在“掉電模式”下工作，在該模式下，輸出功率受限，以防止過多的輸入電流流入。

 

一般規(guī)格

 

在特定應用中，許多附加規(guī)范可能很重要，例如用于轉換器配置和監(jiān)視的PMBus通信功能。遠程開關功能可控制多個轉換器的上電和斷電順序或出于安全原因選擇遠程，遙感功能對某些應用可能很重要。

 

大多數(shù)板上安裝的DC/DC轉換器是非隔離的降壓轉換器。不過，有時還是需要隔離轉換器，并且需要指定隔離電壓的水平。隔離電容也很重要，主要是隔離式轉換器中變壓器初級繞組和次級繞組之間的寄生耦合。

 

二、EMC和EMI

 

電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）是影響電源系統(tǒng)設計的系統(tǒng)級考慮，尤其是在分布式電源架構（DPA）中使用多個板載DC / DC轉換器的情況下。EMC / EMI是一個多方面的考慮因素，其中包括轉換器的輸入和輸出的差模和共模噪聲，輻射噪聲和傳導噪聲以及轉換器的磁化率和發(fā)射水平。

 

EMC被定義為即使在給定范圍內遭受各種EMI形式影響，設備仍可按規(guī)定運行的能力。板上安裝的DC / DC轉換器可能是很大的EMI源，必須對其進行控制以確保系統(tǒng)正常運行。而且它還容易受到干擾，特別是在輸入側。

 

高頻板上安裝的DC / DC轉換器需要選擇轉換器中磁性元件的尺寸最小化，從而減小了整體解決方案。使用較小的無源器件可以使設計緊湊的電路更為簡單，從而獲得更好的EMC / EMI特性。

 

但是，高頻也會導致轉換器中電源開關電路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET開關沿導致較高的dI / dt（取決于上升時間，其頻率高達幾百MHz），這受MOSFET輸出電容，結電容，肖特基二極管的反向恢復電容等因素。

 

電磁兼容/電磁干擾

 

EMI耦合機制（圖片來源：Boyd Corp.）

 

如上所述，EMI可以通過傳導，輻射或耦合發(fā)射的形式出現(xiàn)。根據(jù)應用和系統(tǒng)設計，在DPA中使用多個板上安裝的降壓DC / DC轉換器時，每種EMI產生方式都可能成為一個重大問題。

 

傳導發(fā)射是通過導線，電路板走線等帶入電子系統(tǒng)的有害電磁能量。它可以采取共?；虿钅＃ㄒ卜Q為正常模式）能量的形式。

 

耦合發(fā)射包括從干擾源到電子系統(tǒng)的電容或電感耦合的電磁能。

 

輻射發(fā)射是從干擾源到電子系統(tǒng)的整個空間輻射的電磁能。

 

EMI標準

 

有兩種類型的EMC標準，基本和與通用/產品相關。像IEC 61000-4和CISPR 16一樣，基本EMC標準也沒有規(guī)定發(fā)射限值或抗擾度測試等級。它們指定如何執(zhí)行測量。通用EMC標準和產品（系列）EMC標準（例如CISPR / EN 55022/32和FCC）指定了限制和測試級別，有關測試設置和方法規(guī)范，請參閱Basic EMC出版物。

 

IT和多媒體設備的設計者必須在適用的150kHz至30MHz頻率范圍內使用準峰值和平均信號檢測器來滿足傳導發(fā)射的EN 55022/32 A類和B類限制。必須同時滿足準峰值和均值限制。專為北美市場設計的產品必須符合FCC 15規(guī)定的等效限制。B類設置的傳導排放限值與CISPR 22和EN 55022/32中的限值相同。

 

CISPR / EN 55022/32 A類和B類準峰值（QP）和平均（AVG）傳導發(fā)射限值（圖片：德州儀器（Texas Instruments））

 

IEC 61000基本EMC標準由幾個部分組成。常規(guī)（61000-1），環(huán)境（61000-2），限值（61000-3），測試和測量技術（61000-4），安裝指南（61000-5），通用標準（61000-6），其他（61000-9）。

 

CISPR 1‐6基本EMC標準包括四個部分：CISPR 16-1有六個子部分，并指定了電壓，電流和現(xiàn)場測量設備以及測試地點。這些包括測量設備的校準和驗證。CISPR 16-2有五個子部分，規(guī)定了測量高頻EMC現(xiàn)象，應對干擾和抗擾度的方法。CISPR 16-3是IEC技術報告（TR），其中包含特定的技術報告和有關CISPR歷史的信息。CISPR 16-4包括五個子部分，其中包含與不確定性，統(tǒng)計數(shù)據(jù)和極限建模有關的信息。

 

傳導性EMI的主要非軍事通用/產品標準摘要（圖片：德州儀器）

 

遏制EMI

 

控制EMI很重要，原因有二：不符合上述EMI標準的系統(tǒng)在許多市場都被禁止，并且EMI過多會降低系統(tǒng)性能。EMI是一個多維問題，有幾種途徑控制EMI。如果使用可靠供應商提供的板裝DC / DC轉換器，通常不會出現(xiàn)輻射發(fā)射和耦合發(fā)射問題。但是，轉換器的輸入端需要注意以最小化轉換器的傳導發(fā)射連接到電源總線上，并處理可能對電源總線的瞬變敏感影響轉換器性能的可能性。一些一般的注意事項包括：

 

電路設計：保持電流環(huán)路較小，以最大程度地減少導體通過感應或輻射耦合能量的能力，并設計適當?shù)碾娙萜骱驮O計中的其他組件以最大程度地減少耦合。此外，使用將頻率展頻與開關頻率抖動相結合的板上安裝式DC / DC轉換器，可以通過允許在任何一個相當長的時間內保持在任何一個頻率上發(fā)射，從而有效地降低EMI。

 

采用2x 2板載封裝的六側屏蔽60W隔離式DC / DC轉換器。圖片：RECOM

 

過濾器：將過濾器盡可能靠近轉換器。旁路電容引線應盡可能短。在典型的板裝降壓DC / DC轉換器應用中，輸入濾波通常是最關鍵的。功率MOSFET與輸出之間有一個電感，至少在某種程度上減輕了EMI。但是，輸入側的EMI會在整個系統(tǒng)中傳播，因為它將由主電源總線承載。盡管輸入側最為關鍵，但在考慮EMI時忽略輸出側并非明智之舉。對于板上安裝的DC / DC轉換器供應商，通常在數(shù)據(jù)表中列出滿足特定EMC / EMI標準所需的外部組件。

 

屏蔽：有一個經驗法則，當頻率低于200MHz時，接地可能是可行的解決方案，但是當頻率高于200MHz時，它會產生輻射，最好的解決方案就是屏蔽。對于電信，過程控制，廣播，工業(yè)以及測試和測量設備等應用，通常建議使用帶有六面金屬屏蔽的板裝式DC / DC轉換器來最大化EMC / EMI性能。

 

歸根結底，EMC / EMI是系統(tǒng)級問題。優(yōu)化板載DC / DC轉換器的EMC / EMI性能是一個重要的考慮因素，但是其他系統(tǒng)元素通常對EMC / EMI性能更重要。