DC/DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格說明

 

板載DC-DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格是重要且詳細(xì)的過程。選型正確后，它會產(chǎn)生符合所有應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。錯誤選擇轉(zhuǎn)換器會導(dǎo)致成本過高，或者不適合該應(yīng)用。本常見問題解答將介紹板載DC/DC轉(zhuǎn)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(fù)載點(diǎn)（PoL）非隔離式板裝DC/DC轉(zhuǎn)換器尺寸為33mm x 13.5mm x 10.2mm。（圖片：TDK）

 

效率通常是DC/DC轉(zhuǎn)換器最重要的規(guī)格，它對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多方面都具有重大影響。即使在高效率的設(shè)計(jì)中，效率的提高也會產(chǎn)生重大影響。效率為95％的設(shè)計(jì)熱損耗為5%，效率為80％的DC/DC轉(zhuǎn)換器熱損耗為20%，相差四倍。這種差異會影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)行更長時(shí)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(zhuǎn)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(nèi)，效率通常不是平坦的。對于輸出功率與效率的關(guān)系，重要的是要考慮效率曲線的形狀，并將其與系統(tǒng)的預(yù)期運(yùn)行狀態(tài)相匹配，以在實(shí)際運(yùn)行條件下最大化效率。

 

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

 

輸出調(diào)節(jié)

 

額定輸出電流是一個(gè)簡單明了的規(guī)格。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還規(guī)定了最小負(fù)載。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的不同，低于最小負(fù)載的運(yùn)行會對電壓調(diào)節(jié)產(chǎn)生負(fù)面影響，但不會損壞轉(zhuǎn)換器。輸出電壓是要指定的更復(fù)雜的參數(shù)。提供用于指定輸出電壓的起點(diǎn)的兩個(gè)因素是標(biāo)稱值或“設(shè)定點(diǎn)”，以及該標(biāo)稱值與各種獨(dú)立參數(shù)（例如輸出負(fù)載的變化，輸入電壓的變化和工作溫度變化。)

 

設(shè)定值規(guī)格的一個(gè)例子是在額定輸入電壓，滿載和25°C下為±1％。電源和負(fù)載調(diào)整率通常指定為百分比或絕對范圍，例如，±0.1％或±5mV。溫度調(diào)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(zhuǎn)換器供應(yīng)商提供了針對所有可能變化的“總調(diào)節(jié)”的單一規(guī)范，而不是提供上面概述的各個(gè)規(guī)范。對于低于3V的電壓，詳細(xì)規(guī)定輸出電壓調(diào)節(jié)可能更為重要。

 

在典型應(yīng)用中，與輸出負(fù)載水平相比，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，線路輸入電壓和工作溫度變化相對較小。結(jié)果，負(fù)載調(diào)節(jié)是更關(guān)鍵的規(guī)格。另外，由于輸出負(fù)載中階躍函數(shù)的變化而產(chǎn)生動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（有時(shí)稱為瞬態(tài)響應(yīng)）。

 

動態(tài)調(diào)節(jié)

 

對于許多系統(tǒng)，動態(tài)調(diào)節(jié)比靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)更為關(guān)鍵。在指定動態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)，有必要對負(fù)載的絕對變化，變化率，“恢復(fù)”的定義以及達(dá)到恢復(fù)的時(shí)間進(jìn)行量化。例如：“負(fù)載變化為25％至75％，dI/dt為0.1A/µs，最大偏差為3％，并在200ms內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定值的1％。”輸出電壓將在電流增加時(shí)減小，而在電流減小時(shí)增加。

 

輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié)，顯示瞬態(tài)響應(yīng)偏差和恢復(fù)時(shí)間。（圖片：Keysight Technologies）

 

動態(tài)響應(yīng)既是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮因素，也是電源設(shè)計(jì)的考慮因素。配電網(wǎng)絡(luò)的阻抗和去耦設(shè)計(jì)對動態(tài)調(diào)節(jié)具有重大影響。對于板上安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器，為FPGA和微處理器等大型數(shù)字IC供電時(shí)，動態(tài)調(diào)節(jié)尤其重要。

 

開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率有關(guān)。噪聲的可變性更大，并且是由開關(guān)模式轉(zhuǎn)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(guān)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器時(shí)電磁兼容性需要詳細(xì)考慮。

 

保護(hù)功能

 

過流保護(hù)旨在保護(hù)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)限流保護(hù)，最大限流，折返限流和打嗝限流。在最大電流限制中，負(fù)載電流被限制在不超過最大值的范圍內(nèi)。當(dāng)達(dá)到該值時(shí)，輸出電壓下降。在電流限制階段，DC / DC轉(zhuǎn)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(shí)降低輸出電流。與最大電流限制相比，這可以實(shí)現(xiàn)較低的最大功耗。但是，折返電流限制可能會在啟動時(shí)提供較少的電流。結(jié)果，如果啟動期間的負(fù)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(zhuǎn)換器可能無法啟動。

 

當(dāng)電流檢測電路在打嗝電流限制中發(fā)現(xiàn)過電流情況時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉一段時(shí)間，然后嘗試再次啟動。如果消除了過載條件，轉(zhuǎn)換器將啟動并正常運(yùn)行；否則，控制器將認(rèn)為是另一種過電流情況并關(guān)閉，重復(fù)該循環(huán)。打嗝操作消除了其他兩種過流保護(hù)方法的缺點(diǎn)。但是，由于需要定時(shí)電路，因此更加復(fù)雜。

 

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

 

通常，將轉(zhuǎn)換器故障導(dǎo)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(jī)系統(tǒng)。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還具有欠壓鎖定功能，可在低輸入電壓下將其關(guān)閉。轉(zhuǎn)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(yīng)用中，許多附加規(guī)范可能很重要，例如用于轉(zhuǎn)換器配置和監(jiān)視的PMBus通信功能。遠(yuǎn)程開關(guān)功能可控制多個(gè)轉(zhuǎn)換器的上電和斷電順序或出于安全原因選擇遠(yuǎn)程，遙感功能對某些應(yīng)用可能很重要。

 

大多數(shù)板上安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器是非隔離的降壓轉(zhuǎn)換器。不過，有時(shí)還是需要隔離轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)的系統(tǒng)級考慮，尤其是在分布式電源架構(gòu)（DPA）中使用多個(gè)板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的情況下。EMC / EMI是一個(gè)多方面的考慮因素，其中包括轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出的差模和共模噪聲，輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲以及轉(zhuǎn)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(nèi)遭受各種EMI形式影響，設(shè)備仍可按規(guī)定運(yùn)行的能力。板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器可能是很大的EMI源，必須對其進(jìn)行控制以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。而且它還容易受到干擾，特別是在輸入側(cè)。

 

高頻板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器需要選擇轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(dǎo)致轉(zhuǎn)換器中電源開關(guān)電路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET開關(guān)沿導(dǎo)致較高的dI / dt（取決于上升時(shí)間，其頻率高達(dá)幾百M(fèi)Hz），這受MOSFET輸出電容，結(jié)電容，肖特基二極管的反向恢復(fù)電容等因素。

 

電磁兼容/電磁干擾

 

EMI耦合機(jī)制（圖片來源：Boyd Corp.）

 

如上所述，EMI可以通過傳導(dǎo)，輻射或耦合發(fā)射的形式出現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在DPA中使用多個(gè)板上安裝的降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，每種EMI產(chǎn)生方式都可能成為一個(gè)重大問題。

 

傳導(dǎo)發(fā)射是通過導(dǎo)線，電路板走線等帶入電子系統(tǒng)的有害電磁能量。它可以采取共模或差模（也稱為正常模式）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(gè)空間輻射的電磁能。

 

EMI標(biāo)準(zhǔn)

 

有兩種類型的EMC標(biāo)準(zhǔn)，基本和與通用/產(chǎn)品相關(guān)。像IEC 61000-4和CISPR 16一樣，基本EMC標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品（系列）EMC標(biāo)準(zhǔn)（例如CISPR / EN 55022/32和FCC）指定了限制和測試級別，有關(guān)測試設(shè)置和方法規(guī)范，請參閱Basic EMC出版物。

 

IT和多媒體設(shè)備的設(shè)計(jì)者必須在適用的150kHz至30MHz頻率范圍內(nèi)使用準(zhǔn)峰值和平均信號檢測器來滿足傳導(dǎo)發(fā)射的EN 55022/32 A類和B類限制。必須同時(shí)滿足準(zhǔn)峰值和均值限制。專為北美市場設(shè)計(jì)的產(chǎn)品必須符合FCC 15規(guī)定的等效限制。B類設(shè)置的傳導(dǎo)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(zhǔn)峰值（QP）和平均（AVG）傳導(dǎo)發(fā)射限值（圖片：德州儀器（Texas Instruments））

 

IEC 61000基本EMC標(biāo)準(zhǔn)由幾個(gè)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(shù)（61000-4），安裝指南（61000-5），通用標(biāo)準(zhǔn)（61000-6），其他（61000-9）。

 

CISPR 1‐6基本EMC標(biāo)準(zhǔn)包括四個(gè)部分：CISPR 16-1有六個(gè)子部分，并指定了電壓，電流和現(xiàn)場測量設(shè)備以及測試地點(diǎn)。這些包括測量設(shè)備的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。CISPR 16-2有五個(gè)子部分，規(guī)定了測量高頻EMC現(xiàn)象，應(yīng)對干擾和抗擾度的方法。CISPR 16-3是IEC技術(shù)報(bào)告（TR），其中包含特定的技術(shù)報(bào)告和有關(guān)CISPR歷史的信息。CISPR 16-4包括五個(gè)子部分，其中包含與不確定性，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和極限建模有關(guān)的信息。

 

傳導(dǎo)性EMI的主要非軍事通用/產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)多維問題，有幾種途徑控制EMI。如果使用可靠供應(yīng)商提供的板裝DC / DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的輸入端需要注意以最小化轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)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(zhuǎn)換器性能的可能性。一些一般的注意事項(xiàng)包括：

 

電路設(shè)計(jì)：保持電流環(huán)路較小，以最大程度地減少導(dǎo)體通過感應(yīng)或輻射耦合能量的能力，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娙萜骱驮O(shè)計(jì)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(guān)頻率抖動相結(jié)合的板上安裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器，可以通過允許在任何一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)保持在任何一個(gè)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(cè)屏蔽60W隔離式DC / DC轉(zhuǎn)換器。圖片：RECOM

 

過濾器：將過濾器盡可能靠近轉(zhuǎn)換器。旁路電容引線應(yīng)盡可能短。在典型的板裝降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，輸入濾波通常是最關(guān)鍵的。功率MOSFET與輸出之間有一個(gè)電感，至少在某種程度上減輕了EMI。但是，輸入側(cè)的EMI會在整個(gè)系統(tǒng)中傳播，因?yàn)樗鼘⒂芍麟娫纯偩€承載。盡管輸入側(cè)最為關(guān)鍵，但在考慮EMI時(shí)忽略輸出側(cè)并非明智之舉。對于板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商，通常在數(shù)據(jù)表中列出滿足特定EMC / EMI標(biāo)準(zhǔn)所需的外部組件。

 

屏蔽：有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，當(dāng)頻率低于200MHz時(shí)，接地可能是可行的解決方案，但是當(dāng)頻率高于200MHz時(shí)，它會產(chǎn)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(shè)備等應(yīng)用，通常建議使用帶有六面金屬屏蔽的板裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器來最大化EMC / EMI性能。

 

歸根結(jié)底，EMC / EMI是系統(tǒng)級問題。優(yōu)化板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的EMC / EMI性能是一個(gè)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。