图 1：100 W 降压-升压转换器的演示电路板
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 W
Iin 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
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。
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。由于采用现代制造技术，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。
3.7.输入和输出滤波器器件
选择滤波器器件时，必须能够达到150kHz – 300MHz 的宽带干扰抑制。这应足以抑制预期的传导和辐射EMC干扰。但如果输入或输出处使用的线缆被缩短或省略了，则滤波器也可被简化。
3.8.不含滤波器的EMC测量 (100W Pout)
为满足大多数应用的需要，转换器的干扰不得超出Class B （家用）限值，包括传导 (150kHz – 30MHz) 和辐射 (30MHz – 1GHz) 范围，参见图12 和13。
鉴于此处需要的电流，除了插入损耗非常重要之外，电感元件还必须具有尽可能低的RDC，从而将效率和自热保持在一个可接受的水平。遗憾的是，低RDC通常意味着需要增大设计尺寸。因此，使用最先进的元器件在这里也尤为重要，它们可以在RDC、阻抗和尺寸之间达到完美的平衡。
WE-MPSB系列以及WE-XHMI系列的紧凑设计特别适合于此案例。廉价的铝电解电容器（如 WCAP-ASLI）适合作为电容值为10μF以上的滤波器的电容器件。与上面提到的刻薄电容器不同，此处不会出现高纹波电流（滤波器电感会有效阻止这些电流），因此它们不需要承受高纹波电流。因此，较高的ESR也不是问题，这甚至还有助于保持低的滤波器系数，从而防止其它不必要的振荡。
图12：不含输入滤波器时的传导干扰测量。果然，尽管布局良好，但干扰超出了B类限值。
图13：不含输入和输出滤波器时的辐射干扰测量。
在大约180MHz 下，干扰和限值之间的差异非常小，这可能会导致后续测量出现问题。其原因是肖特基恢复电流的快速反向恢复时间刺激了寄生 LC 谐振。
图15 显示了输入和输出滤波器的结构（共模和差模）。图16 显示了该滤波器在EMC相关频率范围内对差模插入阻尼的仿真。
图14：三种不同频率范围的滤波器元件框图
图15：输入和输出滤波器组差模插入阻尼的LTSpice仿真（仅漏感与CMC相关）
图16：仿真差模插入衰减与两个滤波器组的寄生特性
最高 500MHz 下，可实现超过80dB的插入损耗。
其它的滤波器损耗由电感器中的欧姆损耗导致：
输出滤波器损耗：I2 • Rdc = 5.5 A2 • 30 mΩ = 907 mW
输入滤波器损耗：|2 • Rdc = 7 A2 • 18.4 mΩ = 902 mW
共模电感的选择标准如下：
在较宽的频率范围内（此案例为150kHz至300MHz）尽可能达到最大共模阻抗。
分段绕组技术，以获尽可能大的漏感（差模干扰抑制）。
低RDC。
紧凑型设计和SMT。
3.9.具输入和输出滤波器的PCB上表面布局分析
1.布置两个滤波器组时，尽可能消除与电路主要部分的电感和电容耦合；否则可能会影响滤波效果。
2.内层中的PGND覆铜表面仅与滤波器的两个铝电解电容器连接。滤波器组下没有覆铜，即便中间层也是如此。这可以避免电流耦合，否则会降低滤波电容器的抑制效果。
图17：使用的两个WE-UCF共模电感的共模和差模阻抗曲线
3.设计T型滤波器时，尽可能消除三个器件内不必要的电容和电感耦合。
4.两个共模电感下方没有覆铜，以便最大限度减少电容耦合
图18：顶层视图，包括符合CISPR32 B类的所有滤波器元件
图 19：顶层测量
3.10. 100 W Pout (Ta = 22 °C)下滤波器的温度和效率测量
100 W Pout 下的效率测量结果：
降压模式 96.5 %
升压模式 95.6 %
元器件的最高温度低于64°C，这为更高的环境温度提供了足够的余量，同时器件上受到的压力也比较低。同样效率也非常高，特别是考虑到这会影响所有过滤器器件。
图20：底层测量
总结
尽管具有精细的布局以及合适的有源和无源器件，但此案例中苛刻的规格要求（如长电缆、缺少屏蔽等）意味着如果不额外加装滤波器，就无法符合Class B标准。但是，由于这一问题在意料之中，可以从一开始就设计合适的滤波器。因此，本文档设计了一款灵活、高效且符合B类标准的100W降压-升压转换器。为使电路板更加紧凑，可将两个滤波器组旋转90°或布置在PCB底面。借助如REDEXPERT和LTSpice等设计和仿真软件，可以快速、低成本地得出结果。
图21：含上述输入滤波器时的传导干扰。在整个测量范围内，平均和准峰值干扰均未超出规定限值
图22：含上述输入和输出滤波器时的辐射干扰
在整个测量范围内，干扰均未超出规定限值（水平和垂直）。
该内容是小编转载自网络，仅供学习交流使用，如有侵权，请联系删除。如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息，敬请关注微信公众号 【上海衡丽贸易有限公司】
,
