Diseño de potencia: diseño EMC en CC de alta potencia

Elegir la tecnología de condensadores, los inductores de potencia, la frecuencia de conmutación y los semiconductores correctos es fundamental para la eficiencia de un controlador de interruptores CC-CC, aconseja Andreas Nadler.

Tomar las decisiones correctas asegurará que su controlador esté listo para el mercado al ser eficiente y cumplir con todas las pautas de EMC necesarias.

Para convertidores DC-DC con entradas y salidas relativamente altas, a menudo se deben implementar filtros en la entrada y salida para reducir las emisiones de interferencia. Pero puede ser difícil encontrar un compromiso entre la eficiencia, el tamaño, la atenuación y el costo de los filtros, y la etapa de potencia real; por ejemplo, el uso de un diseño de CC-CC de 100 W buck-boost muestra qué consideraciones se deben tener en términos de diseño. y selección de componentes.

Un proyecto típico sería desarrollar un convertidor reductor-elevador con 100 W Pout a 18 Vout/Vin 14-24 Vdc con 7A Iin (max) y Iout 5.55A (max) y eficiencia >95% a 100W de potencia de salida.

También se requiere cumplir con las emisiones de Clase B (conducidas y radiadas) de acuerdo con CISPR32 tener una baja ondulación residual del voltaje de salida (menos de 20 mVpp). No es posible apantallar y habrá cables largos (1 m) en la entrada y en la salida. El convertidor también debe ser compacto y económico.

Estos requisitos estrictos significan que es esencial crear un diseño compacto y de muy baja inductividad, con filtros que coincidan con el convertidor. En términos de EMC, los cables de entrada y salida son las antenas dominantes en el rango de frecuencia de hasta 1 GHz.

Dependiendo de su modo de operación, el convertidor tiene bucles de corriente de alta frecuencia en la entrada y salida (Figura 1), por lo que ambos deben ser filtrados. Esto evita que la interferencia de alta frecuencia de la conmutación rápida de mosfet se irradie a través de los cables.

Este ejemplo de aplicación ofrece una amplia libertad de diseño a través de un amplio rango de voltaje de entrada de hasta 60 V CC con una frecuencia de conmutación ajustable y la capacidad de controlar cuatro mosfets externos.

El diseño se basa en una PCB de doble cara con seis capas y una frecuencia de conmutación de 400 kHz. La ondulación de corriente en el estrangulador debe ser aproximadamente el 30% de la corriente nominal. Los mosfets de 60 V cuentan con una resistencia de paso baja (RDS(on)) y una resistencia térmica baja (Rth).

Utilizando la plataforma de diseño en línea, Redexpert, se puede seleccionar el inductor. En este ejemplo, todos los parámetros operativos (voltaje de entrada Vin, frecuencia de conmutación, corriente de salida Iout, voltaje de salida Vout y la corriente de ondulación) deben ingresarse una vez para la operación reductora y una segunda vez para la operación de refuerzo. En el modo reductor, el resultado es una mayor inductancia y una corriente pico máxima más pequeña (7,52 µH y 5,83 A). El modo Boost da como resultado una inductancia más pequeña, pero una corriente pico máxima mayor (4,09 µH y 7,04 A).

En este ejemplo, se seleccionó una bobina blindada de 6,8 µH y 15 A de la serie WE-XHMI. El dispositivo compacto mide 15x15x10 mm y tiene un RDC bajo. Su material central permite un comportamiento de saturación suave e independiente de la temperatura.

Con altas corrientes de pulso a través de los condensadores de bloqueo y baja ondulación, se seleccionó una combinación de polímero de aluminio y condensadores cerámicos como la mejor opción para este diseño. Al determinar la ondulación de voltaje máxima permitida en la entrada y la salida, las capacitancias requeridas se pueden calcular de la siguiente manera:

La herramienta en línea ayudó a determinar la polarización de CC de los condensadores cerámicos multicapa (MLCC), lo que resultó en un valor más práctico. Se puede esperar una capacitancia un 20 % más baja con un voltaje de entrada de 24 V. Esto da como resultado una capacidad efectiva de solo 23 µF, que sigue siendo suficiente.

En paralelo a los condensadores cerámicos, se conecta en serie un condensador de 68 µF/35 V (en este caso, el condensador de polímero de aluminio WCAP‑PSLC) con una resistencia SMD de 0,22 Ω. Esto se usa para mantener la estabilidad con respecto a la impedancia de entrada negativa del convertidor de voltaje en combinación con el filtro de entrada.

Dado que este capacitor también está sujeto a altas corrientes de pulso, un capacitor electrolítico de aluminio es menos adecuado ya que se calentaría rápidamente debido a la mayor ESR. Los capacitores de salida se seleccionan de la misma manera.

El WCAP-PSLC 220µF/25V también proporciona una capacidad de respuesta lo suficientemente rápida para transitorios.

El diseño de la PCB también necesita consideración. Por ejemplo, los bucles de entrada y salida que provocan un valor alto de ΔI/Δt deben permanecer compactos ubicando los capacitores cerámicos de bloqueo juntos. El circuito de arranque debe ser compacto y estar cerca del regulador de conmutación IC.

Se necesita un filtro Pi de banda ancha para desacoplar la fuente de alimentación interna del regulador de conmutación. También se recomienda utilizar tantas vías como sea posible para establecer una conexión de baja inductancia y baja impedancia a las capas GND de alimentación interna y la parte inferior de la placa.

Si bien las áreas de cobre grandes brindan excelentes disipadores de calor y un RDC bajo, no deben ser demasiado grandes para evitar acoplamientos capacitivos e inductivos a los circuitos vecinos.

Para cumplir con la mayoría de las aplicaciones, el convertidor debe cumplir con los límites de Clase B (hogar) en sus emisiones de interferencia, tanto en el rango conducido (150kHz a 30MHz) como radiado (30MHz a 1GHz).

Además de la pérdida de inserción, es importante para las altas corrientes requeridas que los componentes inductivos tengan el RDC más bajo posible para mantener la eficiencia y el calor dentro de un rango aceptable.

Desafortunadamente, un RDC bajo también significa un diseño más grande. Por lo tanto, es particularmente importante utilizar componentes que ofrezcan un buen compromiso entre RDC, impedancia y tamaño.

Para componentes de filtro capacitivos por encima de 10 µF, se pueden usar condensadores electrolíticos de aluminio económicos. No hay que lidiar con corrientes de ondulación elevadas, ya que el inductor del filtro bloquea eficazmente estas corrientes. Por lo tanto, una ESR más grande no es un problema, lo que provoca una calidad de filtro inferior que evita resonancias no deseadas. Las pérdidas adicionales a través de los filtros se deben a las pérdidas óhmicas de los inductores.

El criterio de selección clave para los componentes del filtro es que logren una supresión de interferencias de banda ancha de 150 kHz a 300 MHz para EMC conductivo y radiado. El esfuerzo de filtrado se puede reducir si se utilizan cables más cortos o sin cables en la entrada o la salida. La figura 2 muestra los rangos activos de los componentes de filtro individuales en el rango de frecuencia respectivo.

La temperatura máxima de los componentes medida con una cámara termográfica es inferior a 64 °C, lo que significa un buen margen de seguridad para temperaturas ambiente más altas, así como un bajo estrés para los componentes. La eficiencia también está en un nivel muy alto (modo reductor: 96,5 %; modo impulso: 95,6 %), especialmente teniendo en cuenta que se han tenido en cuenta todos los componentes de los filtros.

Las Figuras 3 y 4 muestran los resultados de medición mejorados del circuito con los filtros colocados. La Figura 3 muestra la medición de la emisión de interferencia radiada con filtros en la entrada y la salida. Se puede mantener una distancia suficiente al valor límite (horizontal y vertical) en el rango de medición.

La figura 4 muestra la medida de emisiones conducidas con filtros a la entrada. Tanto el valor límite medio como el cuasi-pico se respetan en todo el rango de medición.

Tanto los picos claros en el rango de frecuencia inferior de la radiación de interferencia conductiva como la curva de medición completa de la emisión de interferencia radiada ahora muestran suficiente reserva por debajo de los valores límite requeridos.

A pesar de un diseño ejecutado con mucho cuidado, así como de componentes activos y pasivos adecuados, no se puede lograr ningún convertidor CC-CC de alta potencia que cumpla con la Clase B sin filtros adicionales con especificaciones muy estrictas, como líneas largas o falta de blindaje, por ejemplo.

El software de diseño y simulación se anticipó a esto y fue posible diseñar los filtros adecuados con anticipación. El resultado es un convertidor reductor-elevador de 100 W flexible, altamente eficiente y compatible con Clase B. Para crear una placa de circuito impreso aún más compacta, los dos bancos de filtros se pueden girar 90° o colocarse en la parte inferior de la placa de circuito impreso.