DC/DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格說明

 

板載DC-DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格是重要且詳細的過程。選型正確后，它會產(chǎn)生符合所有應用的經(jīng)濟高效的解決方案。錯誤選擇轉(zhuǎn)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(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負載點（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(chǎn)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(zhuǎn)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(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(diào)節(jié)

 

額定輸出電流是一個簡單明了的規(guī)格。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還規(guī)定了最小負載。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的不同，低于最小負載的運行會對電壓調(diào)節(jié)產(chǎn)生負面影響，但不會損壞轉(zhuǎn)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(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規(guī)范。對于低于3V的電壓，詳細規(guī)定輸出電壓調(diào)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(diào)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(chǎn)生動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（有時稱為瞬態(tài)響應）。

 

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)更為關鍵。在指定動態(tài)調(diào)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(nèi)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(diào)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(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，動態(tài)調(diào)節(jié)尤其重要。

 

開關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)換器的開關頻率有關。噪聲的可變性更大，并且是由開關模式轉(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)換器時電磁兼容性需要詳細考慮。

 

保護功能

 

過流保護旨在保護轉(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(nèi)。當達到該值時，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器還具有欠壓鎖定功能，可在低輸入電壓下將其關閉。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。遠程開關功能可控制多個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器是非隔離的降壓轉(zhuǎn)換器。不過，有時還是需要隔離轉(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(zhuǎn)換器的情況下。EMC / EMI是一個多方面的考慮因素，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，設備仍可按規(guī)定運行的能力。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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器時，每種EMI產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(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(zhuǎn)換器，可以通過允許在任何一個相當長的時間內(nèi)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(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。旁路電容引線應盡可能短。在典型的板裝降壓DC / DC轉(zhuǎn)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(cè)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(cè)最為關鍵，但在考慮EMI時忽略輸出側(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(jīng)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。