전원 설계: 고전력 DC의 EMC 설계

Andreas Nadler는 올바른 커패시터 기술, 전력 인덕터, 스위칭 주파수 및 반도체를 선택하는 것이 DC-DC 스위치 컨트롤러의 효율성에 매우 중요하다고 조언합니다.

올바른 선택을 하면 컨트롤러가 효율적이고 필요한 모든 EMC 지침을 준수하여 시장에 출시될 준비가 되어 있음을 보장할 수 있습니다.

상대적으로 입력 및 출력이 높은 DC-DC 컨버터의 경우 간섭 방출을 줄이기 위해 입력 및 출력에 필터를 배치해야 하는 경우가 많습니다. 그러나 필터의 효율성, 크기, 감쇠 및 비용과 실제 전력단 사이에서 절충안을 찾는 것은 어려울 수 있습니다. 예를 들어 100W 벅 부스트 DC-DC 설계를 사용하면 레이아웃 측면에서 어떤 고려 사항을 고려해야 하는지 알 수 있습니다. 그리고 구성품 선택.

일반적인 프로젝트는 7A Iin(최대) 및 Iout 5.55A(최대), 18Vout/Vin 14-24Vdc에서 100W Pout, 100W 출력 전력에서 95% 이상의 효율성을 갖춘 벅 부스트 컨버터를 개발하는 것입니다.

또한 CISPR32에 따라 클래스 B 방출(전도 및 복사)을 준수해야 하며 출력 전압의 잔류 리플이 낮습니다(20mVpp 미만). 차폐가 불가능하며 입력과 출력에 긴(1m) 케이블이 있습니다. 또한 컨버터는 컴팩트하고 비용 효율적이어야 합니다.

이러한 엄격한 요구 사항은 컨버터와 일치하는 필터를 사용하여 유도율이 매우 낮고 컴팩트한 레이아웃을 만드는 것이 필수적임을 의미합니다. EMC 측면에서 입력 및 출력 케이블은 최대 1GHz의 주파수 범위에서 주요 안테나입니다.

작동 모드에 따라 컨버터에는 입력 및 출력에 고주파 전류 루프가 있으므로(그림 1) 둘 다 필터링해야 합니다. 이는 케이블을 통해 방출되는 빠른 MOSFET 스위칭으로 인한 고주파 간섭을 방지합니다.

이 애플리케이션 예는 조정 가능한 스위칭 주파수와 4개의 외부 MOSFET을 구동할 수 있는 기능을 통해 최대 60Vdc의 넓은 입력 전압 범위를 통해 광범위한 설계 자유를 제공합니다.

이 설계는 6개 레이어와 400kHz의 스위칭 주파수를 갖춘 양면 PCB를 기반으로 합니다. 초크의 전류 리플은 정격 전류의 약 30%여야 합니다. 60V MOSFET은 낮은 관통 저항(RDS(on))과 낮은 열 저항(Rth)이 특징입니다.

온라인 설계 플랫폼인 Redexpert를 사용하여 인덕터를 선택할 수 있습니다. 이 예에서는 모든 작동 매개변수(입력 전압 Vin, 스위칭 주파수, 출력 전류 Iout, 출력 전압 Vout 및 리플 전류)를 벅에 대해 한 번 입력하고 부스트 작동에 대해 두 번째 입력해야 합니다. 벅 모드에서는 인덕턴스가 더 높아지고 최대 피크 전류는 더 작아집니다(7.52μH 및 5.83A). 부스트 모드에서는 인덕턴스가 더 작아지지만 최대 피크 전류는 더 커집니다(4.09μH 및 7.04A).

이 예에서는 WE-XHMI 시리즈의 차폐형 6.8μH, 15A 등급 코일이 선택되었습니다. 이 소형 장치의 크기는 15x15x10mm이며 RDC가 낮습니다. 핵심 소재는 부드럽고 온도에 무관한 포화 동작을 허용합니다.

차단 커패시터를 통한 높은 펄스 전류와 낮은 리플을 통해 알루미늄 폴리머와 세라믹 커패시터의 조합이 이 설계에 가장 적합한 선택으로 선택되었습니다. 입력 및 출력에서 ​​허용되는 최대 전압 리플을 결정하여 필요한 정전 용량을 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

온라인 도구는 MLCC(다층 세라믹 커패시터)의 DC 바이어스를 결정하는 데 도움이 되었으며, 그 결과 보다 실용적인 가치를 얻을 수 있었습니다. 24V 입력 전압에서 20% 더 낮은 정전용량을 기대할 수 있습니다. 그 결과 유효 용량은 23μF에 불과해 여전히 충분합니다.

세라믹 커패시터와 병렬로 0.22Ω SMD 저항기를 갖춘 68μF/35V 커패시터(이 경우 WCAP-PSLC 알루미늄 폴리머 커패시터)가 직렬로 연결됩니다. 이는 입력 필터와 결합하여 전압 변환기의 음의 입력 임피던스에 대한 안정성을 유지하는 데 사용됩니다.

이 커패시터도 높은 펄스 전류를 받기 때문에 알루미늄 전해 커패시터는 더 높은 ESR로 인해 빠르게 가열되므로 적합하지 않습니다. 출력 커패시터는 동일한 방식으로 선택됩니다.