克服當今最緊迫的電源設計挑戰

2022-07-20

克服當今最緊迫的電源設計挑戰

電源設計人員在產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨許多挑戰。如果您是一名年輕的電源工程師，那么尋找能夠讓您快速了解電源轉換基礎知識的機會(huì )非常重要。然而，無(wú)論您有多少經(jīng)驗，總有更多東西需要學(xué)習——新的半導體材料、新的拓撲結構，甚至是鮮為人知的技巧和竅門(mén)。

值得慶幸的是，有許多很棒的資源可用于在線(xiàn)培訓。因此，在本文中，我將探討現代電力電子工程師面臨的一些挑戰，它們都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們都是德州儀器(TI) 2022電源設計研討會(huì )(PSDS)中的主題。

布局不好的后果

設計電源的印刷電路板(PCB)布局與其他應用的PCB布局有很大不同?？紤]到在數百千赫到幾兆赫頻率范圍內的大電流切換，走線(xiàn)寬度、長(cháng)度和布局變得極為重要。

圖 1 和圖 2 顯示了僅幾納亨的寄生電感如何在電源內部的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上產(chǎn)生噪聲或破壞性電壓尖峰，甚至會(huì )導致輸出電壓的紋波過(guò)大。在這種情況下，寄生電感僅僅是由于輸入電容器放置在距離轉換器內部的開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應晶體管幾毫米的地方而引起的。

圖 1：開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（頂部）和輸出紋波（底部）波形表明輸入電容放置不當

圖 2：正確輸入布局的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（頂部）和輸出紋波（底部）波形

糟糕的布局還會(huì )影響電源的許多其他方面，包括熱性能、電磁干擾(EMI)、噪聲、調節和安全性。您可以通過(guò)檢查一些最典型的錯誤并了解如何修復它們來(lái)避免大多數布局錯誤，詳見(jiàn)PSDS主題“電源布局中的常見(jiàn)錯誤以及如何避免它們”。

控制噪聲和紋波

某些應用（例如測試和測量）對噪聲非常敏感，即使是完美的布局也可能不足以將輸出噪聲和紋波保持在可接受的限值以下，有時(shí)必須低至幾毫伏。簡(jiǎn)單的解決方案是在開(kāi)關(guān)電源的輸出端添加一個(gè)LDO線(xiàn)性穩壓器，這種方法效率非常低，會(huì )占用寶貴的PCB空間并增加成本。大幅降低噪聲的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是選擇具有低串聯(lián)電感的輸出電容器。

圖 3 顯示了一個(gè)穿心電容器（而不是標準的兩端陶瓷電容器）如何將開(kāi)關(guān)噪聲從數百毫伏降低到10mV以下。

圖 3：低電感饋通電容器可大大降低輸出噪聲

另一種降低噪聲和紋波的技術(shù)是使用鐵氧體磁珠添加第二級濾波器，但使用兩級濾波器保持反饋環(huán)路可能具有挑戰性。這些是PSDS主題“用于無(wú)需LDO的高效、低損耗電源的低噪聲和低紋波技術(shù)”中討論的眾多技術(shù)中的兩個(gè)示例。

減輕EMI的來(lái)源

向任何電力工程師詢(xún)問(wèn)有關(guān)EMI的問(wèn)題，您很可能會(huì )引發(fā)一種與生俱來(lái)的恐慌感。對EMI問(wèn)題進(jìn)行故障排除可能是開(kāi)發(fā)周期中最困難的任務(wù)之一。有很多可能的EMI來(lái)源，要找出具體問(wèn)題的確切原因可能會(huì )花費大量時(shí)間。

為了最大限度地減少遇到EMI問(wèn)題的機會(huì )，最好從具有內置功能以幫助減輕EMI的電源控制器或轉換器開(kāi)始。例如，DC/DC 轉換器集成電路現在可以在封裝內集成輸入去耦電容器，如圖4所示。這種集成顯著(zhù)降低了高頻開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴，這通常是EMI問(wèn)題的根源。

圖4：TI LMQ61460-Q1中的集成電容器

圖5顯示了與沒(méi)有電容器的相同器件相比，集成這些電容器如何使傳導EMI降低8dBμV。將鐵氧體磁珠添加到不帶集成電容器的器件的輸入端時(shí)，帶集成電容器的器件仍要好 2dBμV?，F代電源控制器集成了許多其他EMI緩解技術(shù)，包括有源EMI濾波器和開(kāi)關(guān)頻率的擴頻調制，所有這些都在PSDS主題“用于降低EMI的高級電源轉換器特性”中進(jìn)行了詳細說(shuō)明。

圖 5：TI 的LM61460-Q1和LMQ61460-Q1汽車(chē)降壓轉換器之間的EMI比較

利用GaN的力量

每隔一段時(shí)間，就會(huì )出現一種新技術(shù)，它有望顛覆和改變一個(gè)行業(yè)。使用氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)的寬帶隙器件已開(kāi)始為電源行業(yè)實(shí)現這一承諾，特別是在高壓和大功率應用中。GaN 功率開(kāi)關(guān)可以在比硅器件高得多的頻率下開(kāi)關(guān)，因為它們的品質(zhì)因數要好得多，這基本上意味著(zhù)對于給定的導通電阻，GaN器件的電容比硅低得多。由于電容低，使用GaN的電源可以在更高的頻率下運行并保持出色的效率。更高的開(kāi)關(guān)頻率使設計人員能夠選擇物理上更小的儲能元件，例如電感器和電容器，

圖6中的圖表顯示了如何將諧振轉換器中的頻率從100 kHz提高到500 kHz可以使變壓器體積減少大約65%。鑒于設計人員在使用GaN優(yōu)化電源設計時(shí)需要考慮許多其他事項，包括拓撲選擇、柵極驅動(dòng)和布局，因此2022 PSDS包含主題“優(yōu)化基于GaN的高壓、高功率設計”。

圖 6：變壓器體積與頻率

PSDS始于1977年，可能是電源行業(yè)中運行時(shí)間最長(cháng)的系列研討會(huì )。這是超過(guò)44年的電源建議和培訓內容，其中大部分都可以在線(xiàn)獲得。無(wú)論您是電源行業(yè)的新手還是幾十年來(lái)一直在設計電源，都可以利用此類(lèi)資源來(lái)學(xué)習新概念或復習基礎知識。這樣做最終將幫助您克服未來(lái)項目中的障礙。