克服当今最紧迫的電(diàn)源设计挑战

2022-07-20

克服当今最紧迫的電(diàn)源设计挑战

電(diàn)源设计人员在产品设计和开发过程中面临许多(duō)挑战。如果您是一名年轻的電(diàn)源工程师，那么寻找能(néng)够让您快速了解電(diàn)源转换基础知识的机会非常重要。然而，无论您有(yǒu)多(duō)少经验，总有(yǒu)更多(duō)东西需要學(xué)习——新(xīn)的半导體(tǐ)材料、新(xīn)的拓扑结构，甚至是鲜為(wèi)人知的技巧和窍门。

值得庆幸的是，有(yǒu)许多(duō)很(hěn)棒的资源可(kě)用(yòng)于在線(xiàn)培训。因此，在本文(wén)中，我将探讨现代電(diàn)力電(diàn)子工程师面临的一些挑战，它们都有(yǒu)一个共同点：它们都是德州仪器(TI) 2022電(diàn)源设计研讨会(PSDS)中的主题。

布局不好的后果

设计電(diàn)源的印刷電(diàn)路板(PCB)布局与其他(tā)应用(yòng)的PCB布局有(yǒu)很(hěn)大不同。考虑到在数百千赫到几兆赫频率范围内的大電(diàn)流切换，走線(xiàn)宽度、長(cháng)度和布局变得极為(wèi)重要。

图 1 和图 2 显示了仅几纳亨的寄生電(diàn)感如何在電(diàn)源内部的开关节点上产生噪声或破坏性電(diàn)压尖峰，甚至会导致输出電(diàn)压的纹波过大。在这种情况下，寄生電(diàn)感仅仅是由于输入電(diàn)容器放置在距离转换器内部的开关场效应晶體(tǐ)管几毫米的地方而引起的。

图 1：开关节点（顶部）和输出纹波（底部）波形表明输入電(diàn)容放置不当

图 2：正确输入布局的开关节点（顶部）和输出纹波（底部）波形

糟糕的布局还会影响電(diàn)源的许多(duō)其他(tā)方面，包括热性能(néng)、電(diàn)磁干扰(EMI)、噪声、调节和安全性。您可(kě)以通过检查一些最典型的错误并了解如何修复它们来避免大多(duō)数布局错误，详见PSDS主题“電(diàn)源布局中的常见错误以及如何避免它们”。

控制噪声和纹波

某些应用(yòng)（例如测试和测量）对噪声非常敏感，即使是完美的布局也可(kě)能(néng)不足以将输出噪声和纹波保持在可(kě)接受的限值以下，有(yǒu)时必须低至几毫伏。简单的解决方案是在开关電(diàn)源的输出端添加一个LDO線(xiàn)性稳压器，这种方法效率非常低，会占用(yòng)宝贵的PCB空间并增加成本。大幅降低噪声的一个简单方法是选择具有(yǒu)低串联電(diàn)感的输出電(diàn)容器。

图 3 显示了一个穿心電(diàn)容器（而不是标准的两端陶瓷電(diàn)容器）如何将开关噪声从数百毫伏降低到10mV以下。

图 3：低電(diàn)感馈通電(diàn)容器可(kě)大大降低输出噪声

另一种降低噪声和纹波的技术是使用(yòng)铁氧體(tǐ)磁珠添加第二级滤波器，但使用(yòng)两级滤波器保持反馈环路可(kě)能(néng)具有(yǒu)挑战性。这些是PSDS主题“用(yòng)于无需LDO的高效、低损耗電(diàn)源的低噪声和低纹波技术”中讨论的众多(duō)技术中的两个示例。

减轻EMI的来源

向任何電(diàn)力工程师询问有(yǒu)关EMI的问题，您很(hěn)可(kě)能(néng)会引发一种与生俱来的恐慌感。对EMI问题进行故障排除可(kě)能(néng)是开发周期中最困难的任務(wù)之一。有(yǒu)很(hěn)多(duō)可(kě)能(néng)的EMI来源，要找出具體(tǐ)问题的确切原因可(kě)能(néng)会花(huā)费大量时间。

為(wèi)了最大限度地减少遇到EMI问题的机会，最好从具有(yǒu)内置功能(néng)以帮助减轻EMI的電(diàn)源控制器或转换器开始。例如，DC/DC 转换器集成電(diàn)路现在可(kě)以在封装内集成输入去耦電(diàn)容器，如图4所示。这种集成显着降低了高频开关节点振铃，这通常是EMI问题的根源。

图4：TI LMQ61460-Q1中的集成電(diàn)容器

图5显示了与没有(yǒu)電(diàn)容器的相同器件相比，集成这些電(diàn)容器如何使传导EMI降低8dBµV。将铁氧體(tǐ)磁珠添加到不带集成電(diàn)容器的器件的输入端时，带集成電(diàn)容器的器件仍要好 2dBµV。现代電(diàn)源控制器集成了许多(duō)其他(tā)EMI缓解技术，包括有(yǒu)源EMI滤波器和开关频率的扩频调制，所有(yǒu)这些都在PSDS主题“用(yòng)于降低EMI的高级電(diàn)源转换器特性”中进行了详细说明。

图 5：TI 的LM61460-Q1和LMQ61460-Q1汽車(chē)降压转换器之间的EMI比较

利用(yòng)GaN的力量

每隔一段时间，就会出现一种新(xīn)技术，它有(yǒu)望颠覆和改变一个行业。使用(yòng)氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的宽带隙器件已开始為(wèi)電(diàn)源行业实现这一承诺，特别是在高压和大功率应用(yòng)中。GaN 功率开关可(kě)以在比硅器件高得多(duō)的频率下开关，因為(wèi)它们的品质因数要好得多(duō)，这基本上意味着对于给定的导通電(diàn)阻，GaN器件的電(diàn)容比硅低得多(duō)。由于電(diàn)容低，使用(yòng)GaN的電(diàn)源可(kě)以在更高的频率下运行并保持出色的效率。更高的开关频率使设计人员能(néng)够选择物(wù)理(lǐ)上更小(xiǎo)的储能(néng)元件，例如電(diàn)感器和電(diàn)容器，

图6中的图表显示了如何将谐振转换器中的频率从100 kHz提高到500 kHz可(kě)以使变压器體(tǐ)积减少大约65%。鉴于设计人员在使用(yòng)GaN优化電(diàn)源设计时需要考虑许多(duō)其他(tā)事项，包括拓扑选择、栅极驱动和布局，因此2022 PSDS包含主题“优化基于GaN的高压、高功率设计”。

图 6：变压器體(tǐ)积与频率

PSDS始于1977年，可(kě)能(néng)是電(diàn)源行业中运行时间最長(cháng)的系列研讨会。这是超过44年的電(diàn)源建议和培训内容，其中大部分(fēn)都可(kě)以在線(xiàn)获得。无论您是電(diàn)源行业的新(xīn)手还是几十年来一直在设计電(diàn)源，都可(kě)以利用(yòng)此类资源来學(xué)习新(xīn)概念或复习基础知识。这样做最终将帮助您克服未来项目中的障碍。