DC/DC轉換器的規格說明

 

板載DC-DC轉zhuan換huan器qi的de規gui格ge是shi重zhong要yao且qie詳xiang細xi的de過guo程cheng。選xuan型xing正zheng確que後hou，它ta會hui產chan生sheng符fu合he所suo有you應ying用yong的de經jing濟ji高gao效xiao的de解jie決jue方fang案an。錯cuo誤wu選xuan擇ze轉zhuan換huan器qi會hui導dao致zhi成cheng本ben過guo高gao
，或huo者zhe不bu適shi合he該gai應ying用yong。本ben常chang見jian問wen題ti解jie答da將jiang介jie紹shao板ban載zaiDC/DC轉換器的主要規格，以及包括熱管理和電磁兼容性考慮因素。

這款效率為96％的40A負載點（PoL）非隔離式板裝DC/DC轉換器尺寸為33mm x 13.5mm x 10.2mm。（圖片：TDK）

 

效率通常是DC/DC轉換器最重要的規格，它對係統設計的許多方麵都具有重大影響。即使在高效率的設計中
，效率的提高也會產生重大影響。效率為95％的設計熱損耗為5%，效率為80％的DC/DC轉換器熱損耗為20%，相差四倍。這種差異會影響係統設計的許多方麵：

可以降低工作溫度，或者可以在相同工作溫度下提高係統功率密度

係統的物理尺寸減小

由於可使用較小甚至無需使用散熱器
，因此係統成本將更低

可靠性大幅提高

對於交流電源係統，前端交流/直流電源將更小且成本更低

電池供電的係統可以使用較小的電池或在給定的供電水平下運行更長時間

對係統的能源成本和環境影響將減少

 

5V DC/1A輸出的DC / DC轉換器在各種輸入電壓下的效率曲線。圖片：RECOM

 

效率可以通過多種方式體現，例如在各種輸入電壓電平
，各種輸出功率電平等情況下的典型值（非常常見），baozhengdezuixiaozhi。bingqie，zaisuokaolvdefanweinei，xiaolvtongchangbushipingtande。duiyushuchugonglvyuxiaolvdeguanxi，zhongyaodeshiyaokaolvxiaolvquxiandexingzhuang，bingjiangqiyuxitongdeyuqiyunxingzhuangtaixiangpipei，yizaishijiyunxingtiaojianxiazuidahuaxiaolv。

 

在許多應用中，尤其是電池供電的設備，空載功耗可能是重要的指標，它與開關電路的功耗有關，是整體效率的限製因素。

 

輸出調節

 

額定輸出電流是一個簡單明了的規格。某些DC/DC轉(zhuan)換(huan)器(qi)還(hai)規(gui)定(ding)了(le)最(zui)小(xiao)負(fu)載(zai)。根(gen)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)不(bu)同(tong)，低(di)於(yu)最(zui)小(xiao)負(fu)載(zai)的(de)運(yun)行(xing)會(hui)對(dui)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)產(chan)生(sheng)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)，但(dan)不(bu)會(hui)損(sun)壞(huai)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)是(shi)要(yao)指(zhi)定(ding)的(de)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)參(can)數(shu)。提(ti)供(gong)用(yong)於(yu)指(zhi)定(ding)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)起(qi)點(dian)的(de)兩(liang)個(ge)因(yin)素(su)是(shi)標(biao)稱(cheng)值(zhi)或(huo)“設定點”，以及該標稱值與各種獨立參數（例如輸出負載的變化，輸入電壓的變化和工作溫度變化。)

 

設定值規格的一個例子是在額定輸入電壓
，滿載和25°C下為±1％。電源和負載調整率通常指定為百分比或絕對範圍，例如，±0.1％或±5mV。溫度調節通常指定為“每攝氏度”


，例如±0.01％/°C或百萬分之一（PPM），如PPM /°C所示。一些DC/DC轉換器供應商提供了針對所有可能變化的“總調節”的單一規範，而不是提供上麵概述的各個規範。對於低於3V的電壓，詳細規定輸出電壓調節可能更為重要。

 

在(zai)典(dian)型(xing)應(ying)用(yong)中(zhong)，與(yu)輸(shu)出(chu)負(fu)載(zai)水(shui)平(ping)相(xiang)比(bi)

，在(zai)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)期(qi)間(jian)，線(xian)路(lu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)和(he)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)相(xiang)對(dui)較(jiao)小(xiao)。結(jie)果(guo)，負(fu)載(zai)調(tiao)節(jie)是(shi)更(geng)關(guan)鍵(jian)的(de)規(gui)格(ge)。另(ling)外(wai)，由(you)於(yu)輸(shu)出(chu)負(fu)載(zai)中(zhong)階(jie)躍(yue)函(han)數(shu)的(de)變(bian)化(hua)而(er)產(chan)生(sheng)動(dong)態(tai)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)（有時稱為瞬態響應）。

 

動態調節

 

對於許多係統，動態調節比靜態電壓調節更為關鍵。在指定動態調節時，有必要對負載的絕對變化

，變化率，“恢複”的定義以及達到恢複的時間進行量化。例如：“負載變化為25％至75％，dI/dt為0.1A/µs
，最大偏差為3％，並在200ms內恢複到設定值的1％。”輸出電壓將在電流增加時減小，而在電流減小時增加。

 

輸出電壓動態調節，顯示瞬態響應偏差和恢複時間。（圖片：Keysight Technologies）

 

動態響應既是係統設計的考慮因素，也是電源設計的考慮因素。配電網絡的阻抗和去耦設計對動態調節具有重大影響。對於板上安裝的DC/DC轉換器
，為FPGA和微處理器等大型數字IC供電時，動態調節尤其重要。

 

開關DC/DC轉換器的輸出包含低頻（紋波）和高頻（噪聲）分量，通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示。對於5V輸出，紋波和噪聲的典型規格峰峰值為75mV。紋波的頻率與轉換器的開關頻率有關。噪聲的可變性更大
，並且是由開關模式轉換器工作中固有的高dI/dt寄生電感振鈴引起的。噪聲在開關轉換期間突然出現
，並疊加在較低的頻率紋波上。使用板載DC / DC轉換器時電磁兼容性需要詳細考慮。

 

保護功能

 

過流保護旨在保護轉換器免受係統故障（例如短路）的de影ying響xiang。有you三san種zhong常chang見jian的de方fang法fa來lai實shi現xian限xian流liu保bao護hu
，最zui大da限xian流liu
，折zhe返fan限xian流liu和he打da嗝ge限xian流liu。在zai最zui大da電dian流liu限xian製zhi中zhong，負fu載zai電dian流liu被bei限xian製zhi在zai不bu超chao過guo最zui大da值zhi的de範fan圍wei內nei。當dang達da到dao該gai值zhi時shi
，輸shu出chu電dian壓ya下xia降jiang。在zai電dian流liu限xian製zhi階jie段duan，DC / DCzhuanhuanqizhongdegonghaotongchangbizhengchangcaozuozhongdegonghaogao。zhefandianliuxianzhikezaijiancedaoguzhangshijiangdishuchudianliu。yuzuidadianliuxianzhixiangbi，zhekeyishixianjiaodidezuidagonghao。danshi，zhefandianliuxianzhikenenghuizaiqidongshitigongjiaoshaodedianliu。jieguo，ruguoqidongqijiandefuzaidianliudayuzhefandianliujixianzhichidezhi，zeshuchudeshangshengsuduhuibianman，fouzezhuanhuanqikenengwufaqidong。

 

當電流檢測電路在打嗝電流限製中發現過電流情況時
，DC/DC轉換器將關閉一段時間，然後嚐試再次啟動。如果消除了過載條件，轉換器將啟動並正常運行；否fou則ze
，控kong製zhi器qi將jiang認ren為wei是shi另ling一yi種zhong過guo電dian流liu情qing況kuang並bing關guan閉bi，重zhong複fu該gai循xun環huan。打da嗝ge操cao作zuo消xiao除chu了le其qi他ta兩liang種zhong過guo流liu保bao護hu方fang法fa的de缺que點dian。但dan是shi，由you於yu需xu要yao定ding時shi電dian路lu
，因yin此ci更geng加jia複fu雜za。

 

打嗝電流限製比最大電流限製或折返電流限製更為複雜。帶有打ic保護功能的轉換器每次嚐試重新啟動時都會發出“滴答”聲。圖片：RECOM

 

通常
，將轉換器故障導致的輸出過壓條件鉗位在特定水平。裝置通常在短路狀態下發生故障，從而防止損壞主機係統。某些DC/DC轉換器還具有欠壓鎖定功能，可在低輸入電壓下將其關閉。轉換器在“掉電模式”下工作，在該模式下
，輸出功率受限，以防止過多的輸入電流流入。

 

一般規格

 

在特定應用中，許多附加規範可能很重要，例如用於轉換器配置和監視的PMBus通信功能。遠程開關功能可控製多個轉換器的上電和斷電順序或出於安全原因選擇遠程，遙感功能對某些應用可能很重要。

 

大多數板上安裝的DC/DC轉zhuan換huan器qi是shi非fei隔ge離li的de降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi。不bu過guo
，有you時shi還hai是shi需xu要yao隔ge離li轉zhuan換huan器qi，並bing且qie需xu要yao指zhi定ding隔ge離li電dian壓ya的de水shui平ping。隔ge離li電dian容rong也ye很hen重zhong要yao，主zhu要yao是shi隔ge離li式shi轉zhuan換huan器qi中zhong變bian壓ya器qi初chu級ji繞rao組zu和he次ci級ji繞rao組zu之zhi間jian的de寄ji生sheng耦ou合he。

 

二、EMC和EMI

 

電磁兼容性（EMC）和電磁幹擾（EMI）是影響電源係統設計的係統級考慮，尤其是在分布式電源架構（DPA）中使用多個板載DC / DC轉換器的情況下。EMC / EMI是一個多方麵的考慮因素，其中包括轉換器的輸入和輸出的差模和共模噪聲
，輻射噪聲和傳導噪聲以及轉換器的磁化率和發射水平。

 

EMC被定義為即使在給定範圍內遭受各種EMI形式影響，設備仍可按規定運行的能力。板上安裝的DC / DC轉換器可能是很大的EMI源，必須對其進行控製以確保係統正常運行。而且它還容易受到幹擾，特別是在輸入側。

 

高頻板上安裝的DC / DC轉zhuan換huan器qi需xu要yao選xuan擇ze轉zhuan換huan器qi中zhong磁ci性xing元yuan件jian的de尺chi寸cun最zui小xiao化hua
，從cong而er減jian小xiao了le整zheng體ti解jie決jue方fang案an。使shi用yong較jiao小xiao的de無wu源yuan器qi件jian可ke以yi使shi設she計ji緊jin湊cou的de電dian路lu更geng為wei簡jian單dan，從cong而er獲huo得de更geng好hao的deEMC / EMI特性。

 

但是，高頻也會導致轉換器中電源開關電路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET開關沿導致較高的dI / dt（取決於上升時間，其頻率高達幾百MHz），這受MOSFET輸出電容，結電容
，肖特基二極管的反向恢複電容等因素。

 

電磁兼容/電磁幹擾

 

EMI耦合機製（圖片來源：Boyd Corp.）

 

如上所述，EMI可以通過傳導，輻射或耦合發射的形式出現。根據應用和係統設計，在DPA中使用多個板上安裝的降壓DC / DC轉換器時
，每種EMI產生方式都可能成為一個重大問題。

 

傳導發射是通過導線

，電路板走線等帶入電子係統的有害電磁能量。它可以采取共模或差模（也稱為正常模式）能量的形式。

 

耦合發射包括從幹擾源到電子係統的電容或電感耦合的電磁能。

 

輻射發射是從幹擾源到電子係統的整個空間輻射的電磁能。

 

EMI標準

 

有兩種類型的EMC標準，基本和與通用/產品相關。像IEC 61000-4和CISPR 16一樣，基本EMC標準也沒有規定發射限值或抗擾度測試等級。它們指定如何執行測量。通用EMC標準和產品（係列）EMC標準（例如CISPR / EN 55022/32和FCC）指定了限製和測試級別，有關測試設置和方法規範，請參閱Basic EMC出版物。

 

IT和多媒體設備的設計者必須在適用的150kHz至30MHz頻率範圍內使用準峰值和平均信號檢測器來滿足傳導發射的EN 55022/32 A類和B類限製。必須同時滿足準峰值和均值限製。專為北美市場設計的產品必須符合FCC 15規定的等效限製。B類設置的傳導排放限值與CISPR 22和EN 55022/32中的限值相同。

 

CISPR / EN 55022/32 A類和B類準峰值（QP）和平均（AVG）傳導發射限值（圖片：德州儀器（Texas Instruments））

 

IEC 61000基本EMC標準由幾個部分組成。常規（61000-1），環境（61000-2）

，限值（61000-3），測試和測量技術（61000-4），安裝指南（61000-5）
，通用標準（61000-6）
，其他（61000-9）。

 

CISPR 1‐6基本EMC標準包括四個部分：CISPR 16-1有六個子部分，並指定了電壓，電流和現場測量設備以及測試地點。這些包括測量設備的校準和驗證。CISPR 16-2有五個子部分，規定了測量高頻EMC現象

，應對幹擾和抗擾度的方法。CISPR 16-3是IEC技術報告（TR），其中包含特定的技術報告和有關CISPR曆史的信息。CISPR 16-4包括五個子部分，其中包含與不確定性，統計數據和極限建模有關的信息。

 

傳導性EMI的主要非軍事通用/產品標準摘要（圖片：德州儀器）

 

遏製EMI

 

控製EMI很重要
，原因有二：不符合上述EMI標準的係統在許多市場都被禁止
，並且EMI過多會降低係統性能。EMI是一個多維問題
，有幾種途徑控製EMI。如果使用可靠供應商提供的板裝DC / DCzhuanhuanqi
，tongchangbuhuichuxianfushefasheheouhefashewenti。danshi，zhuanhuanqideshuruduanxuyaozhuyiyizuixiaohuazhuanhuanqidechuandaofashelianjiedaodianyuanzongxianshang，bingchulikenengduidianyuanzongxiandeshunbianminganyingxiangzhuanhuanqixingnengdekenengxing。yixieyibandezhuyishixiangbaokuo：

 

電路設計：baochidianliuhuanlujiaoxiao，yizuidachengdudijianshaodaotitongguoganyinghuofusheouhenengliangdenengli
，bingshejishidangdedianrongqiheshejizhongdeqitazujianyizuidachengdudijianshaoouhe。ciwai
，shiyongjiangpinlvzhanpinyukaiguanpinlvdoudongxiangjiehedebanshanganzhuangshiDC / DC轉換器
，可以通過允許在任何一個相當長的時間內保持在任何一個頻率上發射，從而有效地降低EMI。

 

采用2x 2板載封裝的六側屏蔽60W隔離式DC / DC轉換器。圖片：RECOM

 

過濾器：將過濾器盡可能靠近轉換器。旁路電容引線應盡可能短。在典型的板裝降壓DC / DC轉換器應用中，輸入濾波通常是最關鍵的。功率MOSFET與輸出之間有一個電感，至少在某種程度上減輕了EMI。但是，輸入側的EMI會在整個係統中傳播
，因為它將由主電源總線承載。盡管輸入側最為關鍵
，但在考慮EMI時忽略輸出側並非明智之舉。對於板上安裝的DC / DC轉換器供應商，通常在數據表中列出滿足特定EMC / EMI標準所需的外部組件。

 

屏蔽：有一個經驗法則，當頻率低於200MHz時，接地可能是可行的解決方案

，但是當頻率高於200MHzshi，tahuichanshengfushe
，zuihaodejiejuefanganjiushipingbi。duiyudianxin，guochengkongzhi，guangbo，gongyeyijiceshiheceliangshebeidengyingyong，tongchangjianyishiyongdaiyouliumianjinshupingbidebanzhuangshiDC / DC轉換器來最大化EMC / EMI性能。

 

歸根結底，EMC / EMI是係統級問題。優化板載DC / DC轉換器的EMC / EMI性能是一個重要的考慮因素，但是其他係統元素通常對EMC / EMI性能更重要。