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大功率直流电源设计的关键步骤有哪些?

大功率直流电源在今天的电子产品中几乎是必不可少的部分。其优点就是转换效率高、发热少,针对每一种应用可以有多种选择。开关稳压是通过脉宽调制(PWM)的方式解决热热扩散和效率的问题。在设计大功率直流电源电路的时候需要考虑的因素有很多,价格不应该是唯一的因素。全面地了解到这些因素可以帮助你选择性价比最合适的器件,在这里我们按照重要性列出了设计大功率直流电源的时候关键的7步:


1 输出负载的需求:

开关DC-DC的输出端需要实现的电压和常规电流显然是设计中非常重要的因素。元器件数据手册只是给出了部分的信息,你需要计算系统需要大功率直流电源提供的最大输出功率,以保证你选用的器件能够提供安全的运行并有一定的余量。


同一个型号的器件经常会有不同的封装,每种封装的热性能是不同的,输出的能力也就不一样。不同的封装有不同的热阻,有的封装在处理热扩散方面比较有优势。选择封装的时候需要考虑产品空间的要求,同时也要考虑到可制造性、总体的气流以及电路板的布局。一般有限的空间或封装需要非常紧凑的设计,需要对在不影响产品其它部分的情况下如何散热进行认真的评估,即热量要被正确释放,才不会影响产品的其它部分,因为由于热量导致的温度梯度会带给超低噪声电路、高性能系统、光学电路一系列的性能问题。


比如 - 凌力尔特公司(现ADI)的LT1170,一个型号有几种不同的封装,从最通用的TO-220到DIP-8、8-SOIC、16-SOIC以及D2PAK-5表面贴装版本, SOIC-16提供最差的热性能。 因此,选用LT1170时,这个器件能够提供的功率(与任何大功率直流电源元器件一样)将取决于所选的封装、电路的配置、外围的元器件、电路板的布局以及散热的设计等等。


如果你选中了一个开关稳压器件,最好先弄一个该器件的评估板,事先评估一下其在特定应用时的性能。 开关频率可能是一个问题,将这个器件同系统中的其它部分一同工作起来,这样就能够测出来是否需要额外的过滤、散热器,或其它器件。


2 输入端的考虑


一些系统的供电电源的电压是确定的,但在其它情况下,电源输入级必须考虑到各种可能,例如不同的电池电压或波动的电源。这在汽车应用中尤其要注意 - 电源元器件可能必须承受冷启动和负载突降。


某些电源(如电池)可能会随着时间的推移而恶化。你的大功率直流电源电路应能够应付这种恶化,以在各种系统条件下提供稳定的输出。因此在设计电源时了解输入范围和工作条件非常重要。


例如,隔离是一个很好的特性,但并不总是必要的。如果它是在前一阶段集成的,那么在同一系统中可能会有一个隔离的AC-DC转换器,因此在该电路中实现了隔离。或者,系统可以是基于电池的,并且不需要隔离。


隔离式大功率直流电源是非常复杂和昂贵的,可以根据必要性进行选用。 请注意,没有隔离的交流线电压可能会引发安全和监管问题。 即使在直流供电系统的情况下,接地回路也会给设计带来巨大的麻烦,隔离是解决未知问题的好方法。


3 处理好发热和散热的问题

通常,标称的输出功率是在最佳温度条件下、提供给元器件最佳散热器的情况下获得的。但实际情况是,在目标应用中负载所需的功率下,温度可能会高于室温。如果您的产品进行了某些包装,那么空气的流动将受到限制。你需要根据需要制定适当的热策略和可能的散热。


如果要使用外部散热器,最好是跟结构设计团队来一起评估热量的流动。当然也可以用其它的方式帮助散热,例如直接在外壳或其他结构支撑中。一些散热器需要额外的工作,例如热化合物,绝缘体或螺钉支撑,而一些散热器设计的方便自动安装。可能的替代方案是使用该印刷电路板(PCB)来释放热量。


大功率直流电源设计的关键步骤有哪些?

图1 16PSOP封装下方的热垫有助于将热量释放到PCB


接下来,选用器件正确的封装。 飞兆半导体ML6554降压稳压器采用16PSOP封装,可能被误认为是SOIC-16,但它下面有一个导热垫,用于元件释放热量到PCB(图1)。 这就是元器件如何来处理散热的, 如果未放置导热垫,元器件将因热问题而过早的关闭。 另外请注意,基于层上的铜盎司(0.5,1,2等),平面的散热能力会有所不同,较薄的层需要更宽的面积才能达到相同的冷却效果。


还应考虑元器件的工作温度范围。比如电解电容在低温范围内受到限制,并且在极端温度下电容会发生显着变化。


4 确保使用的元器件的质量


元件的质量在开关稳压器性能中起着重要作用。除了元器件的值之外,其他参数必须是正确的。例如,相同电感值的电感器可能具有不同的饱和度。电感饱和是指器件的磁特性受到超过其能力的应力,并且器件不像所需的电感器那样工作。

电容器的电容值也随温度和频率而变化,因此正确的类型和质量才能实现正确的工作。即使来自同一制造商的类似电容器也可能具有不同的特征和价格。 United Chemi-Con公司拥有各种电解电容器,有些是KMG系列的通用型的;其他如MZA系列是低阻抗; MVH系列能够提供更高的纹波电流。其他供应商提供类似的品种,因此,只关注电容值和类型是不够的。


源阻抗非常重要。开关稳压器输入端的一些电感可以阻止大功率直流电源产生的电流尖峰耦合到源极。但在某些情况下,它可能会在输入电压上产生一些振铃和尖峰。每个DC-DC转换器芯片都设计用于特定的元器件组合,具有从最小到最大的可接受值范围,因此必须仔细检查数据手册中的表格以确定任何潜在的限制。最好是通过xls表格进行所有的计算,计算的时候所有元器件的值都有一个从最小值到最大值的范围。


另一方面,选择不合适的元器件会危及产品的认证。大功率直流电源往往有很多噪声,到一定程度可能会引起电磁干扰(EMI)。使用屏蔽的电感和高质量电容器可以最大限度地减少系统中的噪声。电容器的等效串联电阻(ESR)在电路稳定性和性能方面发挥着重要作用。某些配置可能需要特定的ESR,因此您并不总是需要低ESR。


尤其要注意输入和输出电容。

输入电容可降低转换器输入端的纹波电压幅度,从而将RMS纹波电流降至大容量电容可处理的水平。陶瓷电容具有降低纹波电压幅度所需的极低ESR。因此,将它们靠近开关转换器输入是很重要的。当转换器切换时,它必须从输入源汲取电流脉冲。额外的电解电容或钽电容有助于为负载提供足够的能量。

输出电容能够滤波并最大限度地降低输出端的纹波。它是电容器ESR的功能,同时也会影响稳压器环路的稳定性。优质电容器具有指定的ESR,通用的电解电容器仅指定120Hz时的ESR,但高频电容器在20 kHz至100 kHz的较高频率范围内其ESR都能够得到保证。 如果工作温度降低,ESR将会增加,输出纹波电压将相应增加。在-40°C时,典型铝电解电容的ESR可能会增加40倍,因此要在低温应用中充分评估电解电容的使用。

还应考虑输出电容可以处理的纹波电流。由于功率损耗,该电流会增加电容器内部的温度,因此忽略验证电容器的纹波电流可能会产生烟火后果。并联的电容器可用于满足ESR以及RMS电流处理的要求。

某些电源可能需要元器件认证。你要确保哪些部件需要测试以及如何测试,以便您的设计同你的目标标准能够做到一致。如果光耦合器用于隔离转换器,其设计应考虑随时间的光衰减,温度限制和共模的可能性。


5 做最坏的打算

大功率直流电源设计的关键步骤有哪些?

图2 通过对开关电路的仿真,可以查看最终电压和负载情况,可以通过检查电压和电流的波形来以验证瞬态的变化和波纹。


运行仿真以验证设计能否在所需时间内处理输出电压下的输出电流是非常有必要的(图2)。 重要的是要了解元器件随频率、负载和温度的变化是如何变化的。 由于某些开关稳压器的动态特性,它们的最差条件可能不是极端负载,而是介于两者之间。 通过运行你的目标电路来测试你的电源在所有可能的变化情况下的状态非常重要。

大功率直流电源设计的关键步骤有哪些?

图3 通过对最坏情况的仿真能够深入了解哪些元器件可能会对设计产生比较大的影响,并能够发现其它问题。


在做任何实际的电路之前,要对整个工作温度范围内的正常工作状态进行仿真。使用Spice进行仿真可以运行蒙特卡罗分析或最坏情况分析,以确定在不同元器件容限变化下的性能(图3), 它还可用于改变负载条件。 凌力尔特公司的LTSpice是用起来非常棒的免费仿真工具。其它供应商也提供了各种工具来简化仿真、器件选型以及元器件评估。

大功率直流电源设计的关键步骤有哪些?

图4 用于仿真TI的大功率直流电源器件的WEBENCH工具


设计人员还可以使用德州仪器的WEBENCH工具来选择和调整DC-DC元器件和配置(图4)。 用户可以输入所有设计要求,如电压输入范围、电压输出、电流输出和温度,软件将选择所有元器件并显示电路的配置。 在大多数情况下,它会提供一系列选项,如封装、元器件的数量和成本。


对于每种设计,软件将显示热分析和效率图。 用户可以运行多个温度场景,WEBENCH软件当前还无法同时运行。 例如,对于Vin_min = 8 V,Vin_max = 48 V,Vout = 5 V和Iout = 7.5 A,LM5116在不同的工作温度下显示不同的数据(见表)。

大功率直流电源设计的关键步骤有哪些?


所以,不要把第一个结果视为理所当然!并且,检查从最低温度到高温的所有电路状况。在确定配置之前,请确保它是最适合目标应用程序和环境的配置。 WEBENCH总是以30°C的温度开始。并且,WEBENCH未涵盖所有TI开关稳压器,因此请查看TI网站上的元器件选择并进行单独验证。


许多其它供应商提供多种开关稳压器 - 超高效率、极低泄漏、更宽输入范围、低噪声、多输出等等,有的型号是组合了线性稳压功能的开关稳压器。然后,审慎地审查所有潜在选项的适用性、成本和性能。


与任何元器件一样,开关功率器件在其温度范围内具有降额因数。要使用较差的条件来估算你的设备所需的功率输出。在一定频率范围内的功率元件的特性参数也能看出EMI的性能。


在最坏的情况下运行您的仿真并验证元器件的容限,以确保它们在温度和容限范围内随着负载在一定范围内变化依然能够获得良好的性能。使用不同元器件进行仿真可能会提供广泛的替代方案,为成本决策提供更好的视角,并为验证元器件大小调整提供机会。


6 合理利用PCB的区域、布局和封装

一些器件可看成是PCB的散热器,这些器件占用的区域在散热方面起到一定的作用。另外,还要考虑铜层的厚度以及是否应该有任何额外的热过孔和分布。如果您正在使用它们,请确保您的制造厂能够在其生产线上处理散热孔。有些库中没有能够支持更大电流的封装,这就可能需要在PCB布局中添加额外的铜定义。


使用短而宽的PCB走线来降低压降并最大限度地降低电感。高频开关使得良好的元件布局势在必行。首先放置开关元件并靠近储能元件。最大限度地减少输入和输出回路,以减少辐射和高频共振问题。该策略将最小化PCB上的电流回路,这是电磁辐射的主要元凶。此外,在进行元器件布局的时候一定要参考该器件的评估板和参考设计。可靠的地平面和铺地将有助于散热并增强功率传递。


7 性能测试

按照器件的设计指南以及元器件的选择公式,可以在一定程度上验证设计。电路仿真可能会在边界条件下的操作方面回答一些其它问题。但是,最重要的还是最终性能的测试。只有在您的目标应用的真实电路板上才能进行最终的电源和EMI验证。


联邦通信委员会要求在美国进行测试。由于所有大功率直流电源都会发出一定程度的EMI,因此它们可能成为失败的罪魁祸首。仔细放置元件、布局、产品集成和包装可能会减少总体排放,但需要在最终产品中进行验证。


一些新的开关稳压器允许改变开关频率,这应该在EMI违规的情况下进行探讨。一些DC-DC稳压器提供抖动,可以在运行中不断改变开关频率。因此,能量在更宽的范围内扩散,并且在每个单独频率处产生的发射能量的幅度更低。


某些情况可能需要在开关元件上增加一个缓冲器,以降低噪声,但需要额外的功率。最后,应进行全温度范围测试和现场操作,以确认大功率直流电源和与产品相关的其余电子设备的合适的性能。

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