圖文並茂講解自製升降壓轉換器!

01

概述

圖 1：100 W 降壓-升壓轉換器的演示電路板

02

項目範圍

設計一款滿足以下要求的升降壓轉換器：

18 Vout / Vin 14-24 Vdc 時 Pout 最高為 100 W

Iin max. = 7 A Iout max. = 5.55 A

輸出100W 時效率超過95%

符合CISPR32 Class B幹擾限值（傳導和輻射）

低輸出紋波（低於 20mVpp）

無法屏蔽

長輸入和輸出線纜（各1m）

儘可能緊湊

性價比儘可能高

為了滿足這些嚴格的要求，必須設計出一種電感非常低、緊湊布局，以及能夠匹配轉換器的濾波器。如果考慮EMC，輸入和輸出線纜是頻率範圍高達1GHz的主要天線。由於現代四開關升降壓轉換器在輸入和輸出端都具有高頻電流環路，因此必須根據工作模式對輸入和輸出進行濾波。這可以防止由於MOSFET快速開關導致的高頻幹擾進入線纜並產生輻射。

圖2：高頻 ΔI/Δt 環路和臨界ΔU/Δt開關節點電路圖，具體取決於轉換器工作模式

本應用使用了來自Linear Technology (Analog Devices) 的開關穩壓器LT3790。其輸入電壓範圍高達60VDC，開關頻率可調，可控制四個外部MOSFET，使設計具有高度靈活性。

03

設計和測量

升降壓電路設計的主要特點：

雙面6層印刷電路板

400kHz開關頻率

扼流圈中的電流紋波約為額定電流的30%

緊湊型60V MOSFET，具有較低的Rdson、Rth和封裝ESL

1Ω柵極串聯電阻

圖3：轉換器功率級簡圖

3.1.電感選擇

利用REDEXPERT在線平臺，可以快速、輕鬆、精確地選擇合適的電感。在此案例中，必須先為降壓操作輸入一次操作參數（Vin、fsw、Iout、Vout、ΔI），再為升壓操作輸入一次。

在降壓操作中，需求一個更大的電感以及一個更小的最大峰值電流 (7.52 H/5.83 A)。在升壓操作中，電感減小了，但最大峰值電流會增大 (4.09 H/7.04 A)。

使用REDEXPERT選擇電感的另一個好處是：可以根據不同器件複雜的交流和直流損耗、產生的器件發熱以及它們的明顯參數（尺寸、額定電流等），對它們進行比較。

在此案例中，選擇了WE-XHMI系列屏蔽電感，電感值為6.8μH，額定電流為15A。由於採用現代製造技術，該器件的RDC極低，尺寸極小，僅15x15x10mm（長/寬/高）。其創新的磁芯配比材料還使其具有不受溫度影響的軟飽和特性。

3.2.輸入電容器選擇

由於流過濾波電容器的脈衝電流較高，並且要確保較低的輸出紋波，因此鋁聚合物和陶瓷電容器的組合成為最佳選擇。一旦最大輸入和輸出電壓紋波設置完成後，可使用以下公式計算所需電容。

使用REDEXPERT，可以輕鬆、快速地確定MLCC的直流偏置，得出的值更接近實際，參見圖6。結果：必須考慮到輸入電壓為24V 時電容會減少20％；因此有效容值只有23μF，但已足夠。此外，將一個 68μF/35V WCAP-PSLC鋁聚合物電容器與陶瓷電容器並聯使用，串聯一個0.22Ω SMD電阻。這有助於轉換器的負輸入阻抗與輸入濾波器保持穩定（更多信息請參見ANP044）。由於該電容器也會有一定量的高脈衝電流流過，因此鋁電解電容器在此案例中不太適用。較高的ESR會導致該類電容器溫度過高。

圖6：所選MLCC的REDEXPERT阻抗、ESR和直流偏置圖。

3.3.輸出電容器選擇

另加：1個鋁聚合物電容器以快速響應瞬態信號：

WCAP-PSLC 220 F/25V

圖7：100W升降壓轉換器電路圖（包括所有濾波器器件）

3.4.PCB 頂層布局分析

圖8：降壓-升壓轉換器的 EMC 優化頂層布局（省略輸入和輸出濾波器組）

1.陶瓷濾波電容器布置緊密，使得高 l/t 的輸入和輸出環路結構非常緊湊。

2.電路中的敏感的、高阻抗的模擬部分的 AGND 覆銅表面分離且順滑（僅 PIN30 連接到 PGND）。

3.非常靠近開關電源IC的緊湊型自舉電路。

4.並聯電容的電流測量連接按差分線路布線，採用乾淨的開爾文連接。

5.通過寬帶 π型 濾波器對開關穩壓器 IC 的內部電源做去耦濾波

6.為了達到電路板底部和內部PGND層的低電感和低阻抗需使用儘量多的過孔。

7.大面積覆銅可以作為良好的散熱片並提供低 RDC，但不得超過必要的面積，特別是在兩個「熱」U/t 開關節點上，以免形成不必要的天線。

3.5.PCB 底層布局分析

圖 9：降壓-升壓轉換器的EMC優化底層布局，包括四個功率MOSFET、剩餘的濾波電容器、並聯電容和續流二極體

8.在靠近FET的位置布置陶瓷濾波電容器，使得高l/t的輸入和輸出環路結構非常緊湊。

9.幾何形狀布局和覆銅表面的使用意味著FET之間以及FET與並聯電容之間的連接的阻抗和電感極低。

10.具反向幾何形狀的電容分流器，可進一步降低寄生電感；因此，HF電流環路也可減至最小。

11.由於沒有其它大型器件阻礙熱傳導，因此PCB底面上的半導體可以得到更好的冷卻。

12.超快恢復肖特基二極體緊鄰相應的 開關FET布置。

13.大面積覆銅可以作為良好的散熱片並提供低RDC，但不得超過必要的面積，特別是在兩個「熱」U/t開關節點上，以免形成不必要的天線。

3.6.中間層布局分析

圖 10：中間層3的布局

圖 11：中間層2、4、5的布局

所有四個中間層基本都為PGND覆銅表面，因此具備相應的優點：

熱損失分布均勻。

電流饋電和返迴路徑始終形成儘可能小的環路面積，從而最大限度減少關鍵EMC環路天線。

一定量的關鍵EMC高頻噪聲HF 在PGND表面轉換為熱量（渦流效應）並因此被吸收。這種效應會隨著PGND和HF相關部件之間的距離減小而增加。

部分屏蔽。

MOSFET柵極的引線在兩個PGND層內布線，因此可完全屏蔽。

具有GND電位的過孔圍繞PGND邊緣以規則的間隔布置。這些可以抵消潛在的邊緣輻射。

3.7.輸入和輸出濾波器器件

選擇濾波器器件時，必須能夠達到150kHz – 300MHz 的寬帶幹擾抑制。這應足以抑制預期的傳導和輻射EMC幹擾。但如果輸入或輸出處使用的線纜被縮短或省略了，則濾波器也可被簡化。

3.8.不含濾波器的EMC測量 (100W Pout)

為滿足大多數應用的需要，轉換器的幹擾不得超出Class B （家用）限值，包括傳導 (150kHz – 30MHz) 和輻射 (30MHz – 1GHz) 範圍，參見圖12 和13。

鑑於此處需要的電流，除了插入損耗非常重要之外，電感元件還必須具有儘可能低的RDC，從而將效率和自熱保持在一個可接受的水平。遺憾的是，低RDC通常意味著需要增大設計尺寸。因此，使用最先進的元器件在這裡也尤為重要，它們可以在RDC、阻抗和尺寸之間達到完美的平衡。

WE-MPSB系列以及WE-XHMI系列的緊湊設計特別適合於此案例。廉價的鋁電解電容器（如 WCAP-ASLI）適合作為電容值為10μF以上的濾波器的電容器件。與上面提到的刻薄電容器不同，此處不會出現高紋波電流（濾波器電感會有效阻止這些電流），因此它們不需要承受高紋波電流。因此，較高的ESR也不是問題，這甚至還有助於保持低的濾波器係數，從而防止其它不必要的振蕩。

圖12：不含輸入濾波器時的傳導幹擾測量。果然，儘管布局良好，但幹擾超出了B類限值。

圖13：不含輸入和輸出濾波器時的輻射幹擾測量。

在大約180MHz 下，幹擾和限值之間的差異非常小，這可能會導致後續測量出現問題。其原因是肖特基恢復電流的快速反向恢復時間刺激了寄生 LC 諧振。

圖15 顯示了輸入和輸出濾波器的結構（共模和差模）。圖16 顯示了該濾波器在EMC相關頻率範圍內對差模插入阻尼的仿真。

圖14：三種不同頻率範圍的濾波器元件框圖

圖15：輸入和輸出濾波器組差模插入阻尼的LTSpice仿真（僅漏感與CMC相關）

圖16：仿真差模插入衰減與兩個濾波器組的寄生特性

最高 500MHz 下，可實現超過80dB的插入損耗。

其它的濾波器損耗由電感器中的歐姆損耗導致：

輸出濾波器損耗：I2 Rdc = 5.5 A2 30 mΩ = 907 mW

輸入濾波器損耗：|2 Rdc = 7 A2 18.4 mΩ = 902 mW

共模電感的選擇標準如下：

在較寬的頻率範圍內（此案例為150kHz至300MHz）儘可能達到最大共模阻抗。

分段繞組技術，以獲儘可能大的漏感（差模幹擾抑制）。

低RDC。

緊湊型設計和SMT。

3.9.具輸入和輸出濾波器的PCB上表面布局分析

1.布置兩個濾波器組時，儘可能消除與電路主要部分的電感和電容耦合；否則可能會影響濾波效果。

2.內層中的PGND覆銅表面僅與濾波器的兩個鋁電解電容器連接。濾波器組下沒有覆銅，即便中間層也是如此。這可以避免電流耦合，否則會降低濾波電容器的抑制效果。

圖17：使用的兩個WE-UCF共模電感的共模和差模阻抗曲線

3.設計T型濾波器時，儘可能消除三個器件內不必要的電容和電感耦合。

4.兩個共模電感下方沒有覆銅，以便最大限度減少電容耦合

圖18：頂層視圖，包括符合CISPR32 B類的所有濾波器元件

圖 19：頂層測量

3.10. 100 W Pout (Ta = 22 °C)下濾波器的溫度和效率測量

100 W Pout 下的效率測量結果：

降壓模式 96.5 %

升壓模式 95.6 %

元器件的最高溫度低於64°C，這為更高的環境溫度提供了足夠的餘量，同時器件上受到的壓力也比較低。同樣效率也非常高，特別是考慮到這會影響所有過濾器器件。

圖20：底層測量

04

總結

儘管具有精細的布局以及合適的有源和無源器件，但此案例中苛刻的規格要求（如長電纜、缺少屏蔽等）意味著如果不額外加裝濾波器，就無法符合Class B標準。但是，由於這一問題在意料之中，可以從一開始就設計合適的濾波器。因此，本文檔設計了一款靈活、高效且符合B類標準的100W降壓-升壓轉換器。為使電路板更加緊湊，可將兩個濾波器組旋轉90°或布置在PCB底面。藉助如REDEXPERT和LTSpice等設計和仿真軟體，可以快速、低成本地得出結果。

圖21：含上述輸入濾波器時的傳導幹擾。在整個測量範圍內，平均和準峰值幹擾均未超出規定限值

圖22：含上述輸入和輸出濾波器時的輻射幹擾

在整個測量範圍內，幹擾均未超出規定限值（水平和垂直）。

A. 附錄

A.1. 物料清單