图文并茂！讲解自制升降压转换器

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2020-9-1 14:07:07 2022 转换器

0 ` 01 概述图 1：100 W 降压-升压转换器的演示电路板 02 项目范围设计一款满足以下要求的升降压转换器： · 18 Vout / Vin 14-24 Vdc 时 Pout 最高为 100 WIin max. = 7 A Iout max. = 5.55 A · · 输出100W 时效率超过95% · · 符合CISPR32 Class B干扰限值（传导和辐射） · · 低输出纹波（低于 20mVpp） · · 无法屏蔽 · · 长输入和输出线缆（各1m） · · 尽可能紧凑 · · 性价比尽可能高 · 为了满足这些严格的要求，必须设计出一种电感非常低、紧凑布局，以及能够匹配转换器的滤波器。如果考虑EMC，输入和输出线缆是频率范围高达1GHz的主要天线。由于现代四开关升降压转换器在输入和输出端都具有高频电流环路，因此必须根据工作模式对输入和输出进行滤波。这可以防止由于MOSFET快速开关导致的高频干扰进入线缆并产生辐射。图2：高频 ΔI/Δt 环路和临界ΔU/Δt开关节点电路图，具体取决于转换器工作模式本应用使用了来自Linear Technology (Analog Devices) 的开关稳压器LT3790。其输入电压范围高达60VDC，开关频率可调，可控制四个外部MOSFET，使设计具有高度灵活性。 03 设计和测量升降压电路设计的主要特点： · 双面6层印刷电路板 · · 400kHz开关频率 · · 扼流圈中的电流纹波约为额定电流的30% · · 紧凑型60V MOSFET，具有较低的Rdson、Rth和封装ESL · · 1Ω栅极串联电阻 · 图3：转换器功率级简图 3.1.电感选择利用REDEXPERT在线平台，可以快速、轻松、精确地选择合适的电感。在此案例中，必须先为降压操作输入一次操作参数（Vin、fsw、Iout、Vout、ΔI），再为升压操作输入一次。在降压操作中，需求一个更大的电感以及一个更小的最大峰值电流 (7.52 µH/5.83 A)。在升压操作中，电感减小了，但最大峰值电流会增大 (4.09 µH/7.04 A)。使用REDEXPERT选择电感的另一个好处是：可以根据不同器件复杂的交流和直流损耗、产生的器件发热以及它们的明显参数（尺寸、额定电流等），对它们进行比较。在此案例中，选择了WE-XHMI系列屏蔽电感，电感值为6.8μH，额定电流为15A。由于采用现代制造威廉希尔官方网站，该器件的RDC极低，尺寸极小，仅15x15x10mm（长/宽/高）。其创新的磁芯配比材料还使其具有不受温度影响的软饱和特性。图 5：WE-XHMI 74439370068 的 REDEXPERT 仿真（降压操作） 3.2.输入电容器选择由于流过滤波电容器的脉冲电流较高，并且要确保较低的输出纹波，因此铝聚合物和陶瓷电容器的组合成为最佳选择。一旦最大输入和输出电压纹波设置完成后，可使用以下公式计算所需电容。选择的电容：6 x 4.7µF / 50V / X7R = 28.2 µF (WCAP-CSGP 885012209048) 使用REDEXPERT，可以轻松、快速地确定MLCC的直流偏置，得出的值更接近实际，参见图6。结果：必须考虑到输入电压为24V 时电容会减少20％；因此有效容值只有23μF，但已足够。此外，将一个 68μF/35V WCAP-PSLC铝聚合物电容器与陶瓷电容器并联使用，串联一个0.22Ω SMD电阻。这有助于转换器的负输入阻抗与输入滤波器保持稳定（更多信息请参见ANP044）。由于该电容器也会有一定量的高脉冲电流流过，因此铝电解电容器在此案例中不太适用。较高的ESR会导致该类电容器温度过高。图6：所选MLCC的REDEXPERT阻抗、ESR和直流偏置图。 3.3.输出电容器选择选择的电容：6 x 4.7 µF / 50 V / X7R = 28.2 µF – 15% 直流偏置 = 24 µF (WCAP-CSGP 885012209048) 另加：1个铝聚合物电容器以快速响应瞬态信号： WCAP-PSLC 220µF/25V 图7：100W升降压转换器电路图（包括所有滤波器器件） 3.4.PCB 顶层布局分析图8：降压-升压转换器的 EMC 优化顶层布局（省略输入和输出滤波器组） 1.陶瓷滤波电容器布置紧密，使得高 △l/△t 的输入和输出环路结构非常紧凑。 2.电路中的敏感的、高阻抗的模拟部分的 AGND 覆铜表面分离且顺滑（仅 PIN30 连接到 PGND）。 3.非常靠近开关电源IC的紧凑型自举电路。 4.并联电容的电流测量连接按差分线路布线，采用干净的开尔文连接。 5.通过宽带 π型滤波器对开关稳压器 IC 的内部电源做去耦滤波 6.为了达到电路板底部和内部PGND层的低电感和低阻抗需使用尽量多的过孔。 7.大面积覆铜可以作为良好的散热片并提供低 RDC，但不得超过必要的面积，特别是在两个“热”△U/△t 开关节点上，以免形成不必要的天线。 3.5.PCB 底层布局分析图 9：降压-升压转换器的EMC优化底层布局，包括四个功率MOSFET、剩余的滤波电容器、并联电容和续流二极管 8.在靠近FET的位置布置陶瓷滤波电容器，使得高△l/△t的输入和输出环路结构非常紧凑。 9.几何形状布局和覆铜表面的使用意味着FET之间以及FET与并联电容之间的连接的阻抗和电感极低。 10.具反向几何形状的电容分流器，可进一步降低寄生电感；因此，HF电流环路也可减至最小。 11.由于没有其它大型器件阻碍热传导，因此PCB底面上的半导体可以得到更好的冷却。 12.超快恢复肖特基二极管紧邻相应的开关FET布置。 13.大面积覆铜可以作为良好的散热片并提供低RDC，但不得超过必要的面积，特别是在两个“热”△U/△t开关节点上，以免形成不必要的天线。 3.6.中间层布局分析图 10：中间层3的布局图 11：中间层2、4、5的布局 · 所有四个中间层基本都为PGND覆铜表面，因此具备相应的优点： · · 热损失分布均匀。 · · 电流馈电和返回路径始终形成尽可能小的环路面积，从而最大限度减少关键EMC环路天线。 · · 一定量的关键EMC高频噪声HF 在PGND表面转换为热量（涡流效应）并因此被吸收。这种效应会随着PGND和HF相关部件之间的距离减小而增加。 · · 部分屏蔽。 · · MOSFET栅极的引线在两个PGND层内布线，因此可完全屏蔽。 · · 具有GND电位的过孔围绕PGND边缘以规则的间隔布置。这些可以抵消潜在的边缘辐射。 · ` 1
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