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克服當今最緊迫的電源設計挑戰
克服當今最緊迫的電源設計挑戰
電源設計人員在產品設計和開發過程中面臨許多挑戰。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非常重要。然而，無論您有多少經驗，總有更多東西需要學習——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。
值得慶幸的是，有許多很棒的資源可用于在線培訓。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，它們都有一個共同點：它們都是德州儀器(TI) 2022電源設計研討會(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，走線寬度、長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關節點上產生噪聲或破壞性電壓尖峰，甚至會導致輸出電壓的紋波過大。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關場效應晶體管幾毫米的地方而引起的。
圖 1：開關節點（頂部）和輸出紋波（底部）波形表明輸入電容放置不當
圖 2：正確輸入布局的開關節點（頂部）和輸出紋波（底部）波形
糟糕的布局還會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。您可以通過檢查一些最典型的錯誤并了解如何修復它們來避免大多數布局錯誤，詳見PSDS主題“電源布局中的常見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，有時必須低至幾毫伏。簡單的解決方案是在開關電源的輸出端添加一個LDO線性穩壓器，這種方法效率非常低，會占用寶貴的PCB空間并增加成本。大幅降低噪聲的一個簡單方法是選擇具有低串聯電感的輸出電容器。
圖 3 顯示了一個穿心電容器（而不是標準的兩端陶瓷電容器）如何將開關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路可能具有挑戰性。這些是PSDS主題“用于無需LDO的高效、低損耗電源的低噪聲和低紋波技術”中討論的眾多技術中的兩個示例。
減輕EMI的來源
向任何電力工程師詢問有關EMI的問題，您很可能會引發一種與生俱來的恐慌感。對EMI問題進行故障排除可能是開發周期中最困難的任務之一。有很多可能的EMI來源，要找出具體問題的確切原因可能會花費大量時間。
為了最大限度地減少遇到EMI問題的機會，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。這種集成顯著降低了高頻開關節點振鈴，這通常是EMI問題的根源。
圖4：TI LMQ61460-Q1中的集成電容器
圖5顯示了與沒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，帶集成電容器的器件仍要好 2dBμV。現代電源控制器集成了許多其他EMI緩解技術，包括有源EMI濾波器和開關頻率的擴頻調制，所有這些都在PSDS主題“用于降低EMI的高級電源轉換器特性”中進行了詳細說明。
圖 5：TI 的LM61460-Q1和LMQ61460-Q1汽車降壓轉換器之間的EMI比較
利用GaN的力量
每隔一段時間，就會出現一種新技術，它有望顛覆和改變一個行業。使用氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)的寬帶隙器件已開始為電源行業實現這一承諾，特別是在高壓和大功率應用中。GaN 功率開關可以在比硅器件高得多的頻率下開關，因為它們的品質因數要好得多，這基本上意味著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。更高的開關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優化電源設計時需要考慮許多其他事項，包括拓撲選擇、柵極驅動和布局，因此2022 PSDS包含主題“優化基于GaN的高壓、高功率設計”。
圖 6：變壓器體積與頻率
PSDS始于1977年，可能是電源行業中運行時間最長的系列研討會。這是超過44年的電源建議和培訓內容，其中大部分都可以在線獲得。無論您是電源行業的新手還是幾十年來一直在設計電源，都可以利用此類資源來學習新概念或復習基礎知識。這樣做最終將幫助您克服未來項目中的障礙。