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移相控制下的雙路輸出降壓變換器兩種不同的PCB布局

電子設(shè)計(jì) ? 來源:電子設(shè)計(jì) ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2022-01-13 15:44 ? 次閱讀
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作者:德州儀器Gavin Wang

電源設(shè)計(jì)工程師通常在汽車系統(tǒng)中使用一些DC/DC降壓變換器來為多個(gè)電源軌提供支持。然而,在選擇這些類型的降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)需要考慮幾個(gè)因素。例如,一方面需要為汽車信息娛樂系統(tǒng)/主機(jī)單元選擇高開關(guān)頻率DC/DC變換器(工作頻率高于2 MHz),以避免干擾無線電AM頻段;另一方面,還需要通過選擇相對(duì)較小的電感器來減小解決方案尺寸。此外,高開關(guān)頻率DC/DC降壓變換器還可以幫助減少輸入電流紋波,從而優(yōu)化輸入電磁干擾(EMI)濾波器的尺寸。

然而,對(duì)于正在嘗試創(chuàng)建最新汽車系統(tǒng)的大型汽車原始設(shè)計(jì)制造商(ODM)來說,符合所要求的EMI標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。這些要求非常嚴(yán)格,制造商必須遵守諸多標(biāo)準(zhǔn),如國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì)(CISPR) 25標(biāo)準(zhǔn)。在很多情況下,如果制造商不符合標(biāo)準(zhǔn),汽車制造商就無法接受相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

因此,對(duì)于DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的EMI性能提升,PCB布局至關(guān)重要。而要獲得良好的EMI性能,優(yōu)化大電流功率回路,減小寄生參數(shù)對(duì)于環(huán)路的影響是關(guān)鍵。

以LMR14030-Q1構(gòu)成的兩路輸出降壓轉(zhuǎn)換器DC/DC降壓變換器為例,如圖1和圖2所示的兩種不同的印刷電路板(PCB)布局。紅線顯示的是功率回路在布局中的流動(dòng)方式。圖1中功率回路的流動(dòng)方向呈U型,而圖2中的流動(dòng)方向呈I型。這兩種布局是汽車和工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中最常見的布局。那么,哪一種布局更好呢?

傳導(dǎo)EMI被分為差模和共模兩種類型,差模噪聲源自電流變化率(di/dt),而共模噪聲則源自電壓變化率(dv/dt)。而無論是di/dt還是dv/dt, EMI性能的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何盡量減小寄生電感。

圖3是降壓變換器的等效電路。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都知道如何盡量減小高頻回路中Lp1、Lp3、Lp4和Lp5的寄生電感,但忽略了Lp2和Lp6。對(duì)于兩種不同的布局U型和I型,U型布局的Lp2和Lp6上的寄生電感相較于I型布局更小。在U型布局中,減小開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)的功率回路也將有助于提高EMI性能。

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圖3:降壓變換器等效電路

為了驗(yàn)證最佳布局,測(cè)量EMI數(shù)據(jù)顯得至關(guān)重要。圖4和圖5對(duì)一個(gè)兩路輸出的變換器傳導(dǎo)EMI進(jìn)行了對(duì)比。同時(shí),該電路采用移相控制,減小輸入電流紋波,從而優(yōu)化輸入濾波器。從測(cè)試結(jié)果可以看出,U型布局的EMI性能優(yōu)于I型布局的EMI性能,尤其是在高頻的部分。

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圖4:移相控制下的U型EMI性能

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圖5:移相控制下的I型EMI性能

加入EMI濾波器可以有效地提高EMI性能。圖6所示為一款簡(jiǎn)化版EMI濾波器,其中包括一個(gè)共模(CM)濾波器和一個(gè)差模(DM)濾波器。一般來說,差模濾波器的噪聲小于30MHz,共模濾波器的噪聲范圍為30MHz至100MHz。兩個(gè)濾波器都會(huì)影響EMI需要限制的整個(gè)頻段。圖7和圖8分別對(duì)帶有共模濾波器和差模濾波器的傳導(dǎo)性EMI進(jìn)行了對(duì)比。U型布局可以符合CISPR 25 3類標(biāo)準(zhǔn),而I型布局則不符合。

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圖 6:簡(jiǎn)化的EMI濾波器

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圖7:采用差模和共模濾波器的U型布局的EMI性能

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圖8:采用差模和共模濾波器的I型布局的EMI性能

本文比較了移相控制下的雙路輸出降壓變換器兩種不同的PCB布局,可以看出,U型布局的EMI性能優(yōu)于I型布局。欲了解更多信息,請(qǐng)參見TI官網(wǎng)應(yīng)用報(bào)告“How SYNC Logic Affects EMI Performance for Dual-Channel Buck Converters

審核編輯:何安

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