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克服当今最紧迫的电源设计挑战
克服当今最紧迫的电源设计挑战
电源设计人员在产品设计和开发过程中面临许多挑战。如果您是一名年轻的电源工程师，那么寻找能够让您快速了解电源转换基础知识的机会非常重要。然而，无论您有多少经验，总有更多东西需要学习——新的半导体材料、新的拓扑结构，甚至是鲜为人知的技巧和窍门。
值得庆幸的是，有许多很棒的资源可用于在线培训。因此，在本文中，我将探讨现代电力电子工程师面临的一些挑战，它们都有一个共同点：它们都是德州仪器(TI) 2022电源设计研讨会(PSDS)中的主题。
布局不好的后果
设计电源的印刷电路板(PCB)布局与其他应用的PCB布局有很大不同。考虑到在数百千赫到几兆赫频率范围内的大电流切换，走线宽度、长度和布局变得极为重要。
图 1 和图 2 显示了仅几纳亨的寄生电感如何在电源内部的开关节点上产生噪声或破坏性电压尖峰，甚至会导致输出电压的纹波过大。在这种情况下，寄生电感仅仅是由于输入电容器放置在距离转换器内部的开关场效应晶体管几毫米的地方而引起的。
图 1：开关节点（顶部）和输出纹波（底部）波形表明输入电容放置不当
图 2：正确输入布局的开关节点（顶部）和输出纹波（底部）波形
糟糕的布局还会影响电源的许多其他方面，包括热性能、电磁干扰(EMI)、噪声、调节和安全性。您可以通过检查一些最典型的错误并了解如何修复它们来避免大多数布局错误，详见PSDS主题“电源布局中的常见错误以及如何避免它们”。
控制噪声和纹波
某些应用（例如测试和测量）对噪声非常敏感，即使是完美的布局也可能不足以将输出噪声和纹波保持在可接受的限值以下，有时必须低至几毫伏。简单的解决方案是在开关电源的输出端添加一个LDO线性稳压器，这种方法效率非常低，会占用宝贵的PCB空间并增加成本。大幅降低噪声的一个简单方法是选择具有低串联电感的输出电容器。
图 3 显示了一个穿心电容器（而不是标准的两端陶瓷电容器）如何将开关噪声从数百毫伏降低到10mV以下。
图 3：低电感馈通电容器可大大降低输出噪声
另一种降低噪声和纹波的技术是使用铁氧体磁珠添加第二级滤波器，但使用两级滤波器保持反馈环路可能具有挑战性。这些是PSDS主题“用于无需LDO的高效、低损耗电源的低噪声和低纹波技术”中讨论的众多技术中的两个示例。
减轻EMI的来源
向任何电力工程师询问有关EMI的问题，您很可能会引发一种与生俱来的恐慌感。对EMI问题进行故障排除可能是开发周期中最困难的任务之一。有很多可能的EMI来源，要找出具体问题的确切原因可能会花费大量时间。
为了最大限度地减少遇到EMI问题的机会，最好从具有内置功能以帮助减轻EMI的电源控制器或转换器开始。例如，DC/DC 转换器集成电路现在可以在封装内集成输入去耦电容器，如图4所示。这种集成显着降低了高频开关节点振铃，这通常是EMI问题的根源。
图4：TI LMQ61460-Q1中的集成电容器
图5显示了与没有电容器的相同器件相比，集成这些电容器如何使传导EMI降低8dBµV。将铁氧体磁珠添加到不带集成电容器的器件的输入端时，带集成电容器的器件仍要好 2dBµV。现代电源控制器集成了许多其他EMI缓解技术，包括有源EMI滤波器和开关频率的扩频调制，所有这些都在PSDS主题“用于降低EMI的高级电源转换器特性”中进行了详细说明。
图 5：TI 的LM61460-Q1和LMQ61460-Q1汽车降压转换器之间的EMI比较
利用GaN的力量
每隔一段时间，就会出现一种新技术，它有望颠覆和改变一个行业。使用氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的宽带隙器件已开始为电源行业实现这一承诺，特别是在高压和大功率应用中。GaN 功率开关可以在比硅器件高得多的频率下开关，因为它们的品质因数要好得多，这基本上意味着对于给定的导通电阻，GaN器件的电容比硅低得多。由于电容低，使用GaN的电源可以在更高的频率下运行并保持出色的效率。更高的开关频率使设计人员能够选择物理上更小的储能元件，例如电感器和电容器，
图6中的图表显示了如何将谐振转换器中的频率从100 kHz提高到500 kHz可以使变压器体积减少大约65%。鉴于设计人员在使用GaN优化电源设计时需要考虑许多其他事项，包括拓扑选择、栅极驱动和布局，因此2022 PSDS包含主题“优化基于GaN的高压、高功率设计”。
图 6：变压器体积与频率
PSDS始于1977年，可能是电源行业中运行时间最长的系列研讨会。这是超过44年的电源建议和培训内容，其中大部分都可以在线获得。无论您是电源行业的新手还是几十年来一直在设计电源，都可以利用此类资源来学习新概念或复习基础知识。这样做最终将帮助您克服未来项目中的障碍。