Конструкция электропитания: конструкция ЭМС для постоянного тока высокой мощности.

Выбор правильной технологии конденсаторов, силовых индукторов, частоты переключения и полупроводников имеет решающее значение для эффективности контроллера переключателя постоянного тока, советует Андреас Надлер.

Правильный выбор обеспечит готовность вашего контроллера к выходу на рынок, поскольку он будет эффективным и будет соответствовать всем необходимым рекомендациям по электромагнитной совместимости.

Для преобразователей постоянного тока с относительно высокими входными и выходными данными часто необходимо использовать фильтры на входе и выходе, чтобы уменьшить излучение помех. Но может быть трудно найти компромисс между эффективностью, размером, затуханием и стоимостью фильтров, а также фактической ступенью мощности – например, использование понижающе-повышающей схемы постоянного тока мощностью 100 Вт показывает, какие соображения следует учитывать с точки зрения компоновки. и выбор компонентов.

Типичным проектом будет разработка повышающе-понижающего преобразователя с выходной мощностью 100 Вт при выходном напряжении 18 В/напряжении 14–24 В постоянного тока с током 7 А на входе (макс.) и выходом I 5,55 А (макс.) и КПД >95 % при выходной мощности 100 Вт.

Также требуется соответствие требованиям класса B по излучению (кондуктивным и излучаемым) в соответствии со стандартом CISPR32, иметь низкую остаточную пульсацию выходного напряжения (менее 20 мВ пик-пик). Экранирование невозможно, и на входе и выходе будут длинные (1 м) кабели. Преобразователь также должен быть компактным и экономичным.

Эти строгие требования означают, что необходимо создать компактную схему с очень низкой индуктивностью и фильтрами, подходящими для преобразователя. С точки зрения ЭМС, входные и выходные кабели являются доминирующими антеннами в диапазоне частот до 1 ГГц.

В зависимости от режима работы преобразователь имеет на входе и выходе высокочастотные токовые петли (рис. 1), поэтому и то, и другое необходимо фильтровать. Это предотвращает распространение высокочастотных помех от быстрого переключения МОП-транзистора через кабели.

Этот пример применения предлагает широкую свободу проектирования благодаря широкому диапазону входного напряжения до 60 В постоянного тока с регулируемой частотой переключения и возможностью управления четырьмя внешними МОП-транзисторами.

В основе конструкции лежит двухсторонняя печатная плата с шестью слоями и частотой переключения 400 кГц. Пульсации тока на дросселе должны составлять около 30% номинального тока. МОП-транзисторы на 60 В имеют низкое сквозное сопротивление (RDS(on)) и низкое тепловое сопротивление (Rth).

С помощью онлайн-платформы проектирования Redexpert можно выбрать индуктор. В этом примере все рабочие параметры (входное напряжение Vin, частота переключения, выходной ток Iout, выходное напряжение Vout и пульсирующий ток) должны быть введены один раз для понижающего режима и второй раз для повышающего режима. В понижающем режиме результатом является более высокая индуктивность и меньший максимальный пиковый ток (7,52 мкГн и 5,83 А). Режим Boost обеспечивает меньшую индуктивность, но больший максимальный пиковый ток (4,09 мкГн и 7,04 А).

В этом примере была выбрана экранированная катушка 6,8 мкГн, номинал 15 А из серии WE-XHMI. Компактное устройство имеет размеры 15x15x10 мм и низкий RDC. Его основной материал обеспечивает мягкое и независимое от температуры поведение насыщения.

Благодаря высоким импульсным токам через блокировочные конденсаторы и низкой пульсации комбинация алюминиевых полимерных и керамических конденсаторов была выбрана как лучший выбор для этой конструкции. Определив максимально допустимые пульсации напряжения на входе и выходе, необходимые емкости можно рассчитать следующим образом:

Онлайн-инструмент помог определить смещение постоянного тока многослойных керамических конденсаторов (MLCC), что дало более практическую ценность. Можно ожидать снижения емкости на 20% при входном напряжении 24 В. В результате эффективная емкость составляет всего 23 мкФ, чего по-прежнему достаточно.

Параллельно керамическим конденсаторам последовательно подключен конденсатор емкостью 68 мкФ/35 В (в данном случае алюминиевый полимерный конденсатор WCAP‑PSLC) с резистором SMD сопротивлением 0,22 Ом. Это используется для поддержания стабильности по отношению к отрицательному входному сопротивлению преобразователя напряжения в сочетании с входным фильтром.

Поскольку этот конденсатор также подвержен высоким импульсным токам, алюминиевый электролитический конденсатор менее подходит, поскольку он будет быстро нагреваться из-за более высокого ESR. Выходные конденсаторы подбираются таким же образом.