干货 | 关于DC-DC转换器的选型及设计详细指南

电子工程世界 2021-01-21 00:00 3812浏览 0评论 10点赞

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DC/DC转换器的规格说明

板载DC-DC转换器的规格是重要且详细的过程。选型正确后，它会产生符合所有应用的经济高效的解决方案。错误选择转换器会导致成本过高，或者不适合该应用。本常见问题解答将介绍板载DC/DC转换器的主要规格，以及包括热管理和电磁兼容性考虑因素。

这款效率为96％的40A负载点（PoL）非隔离式板装DC/DC转换器尺寸为33mm x 13.5mm x 10.2mm。（图片：TDK）

效率通常是DC/DC转换器最重要的规格，它对系统设计的许多方面都具有重大影响。即使在高效率的设计中，效率的提高也会产生重大影响。效率为95％的设计热损耗为5%，效率为80％的DC/DC转换器热损耗为20%，相差四倍。这种差异会影响系统设计的许多方面：

可以降低工作温度，或者可以在相同工作温度下提高系统功率密度
系统的物理尺寸减小
由于可使用较小甚至无需使用散热器，因此系统成本将更低
可靠性大幅提高
对于交流电源系统，前端交流/直流电源将更小且成本更低
电池供电的系统可以使用较小的电池或在给定的供电水平下运行更长时间
对系统的能源成本和环境影响将减少

5V DC/1A输出的DC / DC转换器在各种输入电压下的效率曲线。图片：RECOM

效率可以通过多种方式体现，例如在各种输入电压电平，各种输出功率电平等情况下的典型值（非常常见），保证的最小值。并且，在所考虑的范围内，效率通常不是平坦的。对于输出功率与效率的关系，重要的是要考虑效率曲线的形状，并将其与系统的预期运行状态相匹配，以在实际运行条件下最大化效率。

在许多应用中，尤其是电池供电的设备，空载功耗可能是重要的指标，它与开关电路的功耗有关，是整体效率的限制因素。

输出调节

额定输出电流是一个简单明了的规格。某些DC/DC转换器还规定了最小负载。根据转换器的不同，低于最小负载的运行会对电压调节产生负面影响，但不会损坏转换器。输出电压是要指定的更复杂的参数。提供用于指定输出电压的起点的两个因素是标称值或“设定点”，以及该标称值与各种独立参数（例如输出负载的变化，输入电压的变化和工作温度变化。)

设定值规格的一个例子是在额定输入电压，满载和25°C下为±1％。电源和负载调整率通常指定为百分比或绝对范围，例如，±0.1％或±5mV。温度调节通常指定为“每摄氏度”，例如±0.01％/°C或百万分之一（PPM），如PPM /°C所示。一些DC/DC转换器供应商提供了针对所有可能变化的“总调节”的单一规范，而不是提供上面概述的各个规范。对于低于3V的电压，详细规定输出电压调节可能更为重要。

在典型应用中，与输出负载水平相比，在系统运行期间，线路输入电压和工作温度变化相对较小。结果，负载调节是更关键的规格。另外，由于输出负载中阶跃函数的变化而产生动态电压调节（有时称为瞬态响应）。

动态调节

对于许多系统，动态调节比静态电压调节更为关键。在指定动态调节时，有必要对负载的绝对变化，变化率，“恢复”的定义以及达到恢复的时间进行量化。例如：“负载变化为25％至75％，dI/dt为0.1A/µs，最大偏差为3％，并在200ms内恢复到设定值的1％。”输出电压将在电流增加时减小，而在电流减小时增加。

输出电压动态调节，显示瞬态响应偏差和恢复时间。（图片：Keysight Technologies）

动态响应既是系统设计的考虑因素，也是电源设计的考虑因素。配电网络的阻抗和去耦设计对动态调节具有重大影响。对于板上安装的DC/DC转换器，为FPGA和微处理器等大型数字IC供电时，动态调节尤其重要。

开关DC/DC转换器的输出包含低频（纹波）和高频（噪声）分量，通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示。对于5V输出，纹波和噪声的典型规格峰峰值为75mV。纹波的频率与转换器的开关频率有关。噪声的可变性更大，并且是由开关模式转换器工作中固有的高dI/dt寄生电感振铃引起的。噪声在开关转换期间突然出现，并叠加在较低的频率纹波上。使用板载DC / DC转换器时电磁兼容性需要详细考虑。

保护功能

过流保护旨在保护转换器免受系统故障（例如短路）的影响。有三种常见的方法来实现限流保护，最大限流，折返限流和打嗝限流。在最大电流限制中，负载电流被限制在不超过最大值的范围内。当达到该值时，输出电压下降。在电流限制阶段，DC / DC转换器中的功耗通常比正常操作中的功耗高。折返电流限制可在检测到故障时降低输出电流。与最大电流限制相比，这可以实现较低的最大功耗。但是，折返电流限制可能会在启动时提供较少的电流。结果，如果启动期间的负载电流大于折返电流极限支持的值，则输出的上升速度会变慢，否则转换器可能无法启动。

当电流检测电路在打嗝电流限制中发现过电流情况时，DC/DC转换器将关闭一段时间，然后尝试再次启动。如果消除了过载条件，转换器将启动并正常运行；否则，控制器将认为是另一种过电流情况并关闭，重复该循环。打嗝操作消除了其他两种过流保护方法的缺点。但是，由于需要定时电路，因此更加复杂。

打嗝电流限制比最大电流限制或折返电流限制更为复杂。带有打ic保护功能的转换器每次尝试重新启动时都会发出“滴答”声。图片：RECOM

通常，将转换器故障导致的输出过压条件钳位在特定水平。装置通常在短路状态下发生故障，从而防止损坏主机系统。某些DC/DC转换器还具有欠压锁定功能，可在低输入电压下将其关闭。转换器在“掉电模式”下工作，在该模式下，输出功率受限，以防止过多的输入电流流入。

一般规格

在特定应用中，许多附加规范可能很重要，例如用于转换器配置和监视的PMBus通信功能。远程开关功能可控制多个转换器的上电和断电顺序或出于安全原因选择远程，遥感功能对某些应用可能很重要。

大多数板上安装的DC/DC转换器是非隔离的降压转换器。不过，有时还是需要隔离转换器，并且需要指定隔离电压的水平。隔离电容也很重要，主要是隔离式转换器中变压器初级绕组和次级绕组之间的寄生耦合。

二、EMC和EMI

电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）是影响电源系统设计的系统级考虑，尤其是在分布式电源架构（DPA）中使用多个板载DC / DC转换器的情况下。EMC / EMI是一个多方面的考虑因素，其中包括转换器的输入和输出的差模和共模噪声，辐射噪声和传导噪声以及转换器的磁化率和发射水平。

EMC被定义为即使在给定范围内遭受各种EMI形式影响，设备仍可按规定运行的能力。板上安装的DC / DC转换器可能是很大的EMI源，必须对其进行控制以确保系统正常运行。而且它还容易受到干扰，特别是在输入侧。

高频板上安装的DC / DC转换器需要选择转换器中磁性元件的尺寸最小化，从而减小了整体解决方案。使用较小的无源器件可以使设计紧凑的电路更为简单，从而获得更好的EMC / EMI特性。

但是，高频也会导致转换器中电源开关电路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET开关沿导致较高的dI / dt（取决于上升时间，其频率高达几百MHz），这受MOSFET输出电容，结电容，肖特基二极管的反向恢复电容等因素。

电磁兼容/电磁干扰

EMI耦合机制（图片来源：Boyd Corp.）

如上所述，EMI可以通过传导，辐射或耦合发射的形式出现。根据应用和系统设计，在DPA中使用多个板上安装的降压DC / DC转换器时，每种EMI产生方式都可能成为一个重大问题。

传导发射是通过导线，电路板走线等带入电子系统的有害电磁能量。它可以采取共模或差模（也称为正常模式）能量的形式。

耦合发射包括从干扰源到电子系统的电容或电感耦合的电磁能。

辐射发射是从干扰源到电子系统的整个空间辐射的电磁能。

EMI标准

有两种类型的EMC标准，基本和与通用/产品相关。像IEC 61000-4和CISPR 16一样，基本EMC标准也没有规定发射限值或抗扰度测试等级。它们指定如何执行测量。通用EMC标准和产品（系列）EMC标准（例如CISPR / EN 55022/32和FCC）指定了限制和测试级别，有关测试设置和方法规范，请参阅Basic EMC出版物。

IT和多媒体设备的设计者必须在适用的150kHz至30MHz频率范围内使用准峰值和平均信号检测器来满足传导发射的EN 55022/32 A类和B类限制。必须同时满足准峰值和均值限制。专为北美市场设计的产品必须符合FCC 15规定的等效限制。B类设置的传导排放限值与CISPR 22和EN 55022/32中的限值相同。

CISPR / EN 55022/32 A类和B类准峰值（QP）和平均（AVG）传导发射限值（图片：德州仪器（Texas Instruments））

IEC 61000基本EMC标准由几个部分组成。常规（61000-1），环境（61000-2），限值（61000-3），测试和测量技术（61000-4），安装指南（61000-5），通用标准（61000-6），其他（61000-9）。

CISPR 1‐6基本EMC标准包括四个部分：CISPR 16-1有六个子部分，并指定了电压，电流和现场测量设备以及测试地点。这些包括测量设备的校准和验证。CISPR 16-2有五个子部分，规定了测量高频EMC现象，应对干扰和抗扰度的方法。CISPR 16-3是IEC技术报告（TR），其中包含特定的技术报告和有关CISPR历史的信息。CISPR 16-4包括五个子部分，其中包含与不确定性，统计数据和极限建模有关的信息。

传导性EMI的主要非军事通用/产品标准摘要（图片：德州仪器）

遏制EMI

控制EMI很重要，原因有二：不符合上述EMI标准的系统在许多市场都被禁止，并且EMI过多会降低系统性能。EMI是一个多维问题，有几种途径控制EMI。如果使用可靠供应商提供的板装DC / DC转换器，通常不会出现辐射发射和耦合发射问题。但是，转换器的输入端需要注意以最小化转换器的传导发射连接到电源总线上，并处理可能对电源总线的瞬变敏感影响转换器性能的可能性。一些一般的注意事项包括：

电路设计：保持电流环路较小，以最大程度地减少导体通过感应或辐射耦合能量的能力，并设计适当的电容器和设计中的其他组件以最大程度地减少耦合。此外，使用将频率展频与开关频率抖动相结合的板上安装式DC / DC转换器，可以通过允许在任何一个相当长的时间内保持在任何一个频率上发射，从而有效地降低EMI。

采用2x 2板载封装的六侧屏蔽60W隔离式DC / DC转换器。图片：RECOM

过滤器：将过滤器尽可能靠近转换器。旁路电容引线应尽可能短。在典型的板装降压DC / DC转换器应用中，输入滤波通常是最关键的。功率MOSFET与输出之间有一个电感，至少在某种程度上减轻了EMI。但是，输入侧的EMI会在整个系统中传播，因为它将由主电源总线承载。尽管输入侧最为关键，但在考虑EMI时忽略输出侧并非明智之举。对于板上安装的DC / DC转换器供应商，通常在数据表中列出满足特定EMC / EMI标准所需的外部组件。

屏蔽：有一个经验法则，当频率低于200MHz时，接地可能是可行的解决方案，但是当频率高于200MHz时，它会产生辐射，最好的解决方案就是屏蔽。对于电信，过程控制，广播，工业以及测试和测量设备等应用，通常建议使用带有六面金属屏蔽的板装式DC / DC转换器来最大化EMC / EMI性能。

归根结底，EMC / EMI是系统级问题。优化板载DC / DC转换器的EMC / EMI性能是一个重要的考虑因素，但是其他系统元素通常对EMC / EMI性能更重要。

三、热管理及热分析

系统级热设计对于DC / DC转换器的电气规格同样重要。越来越多的分布式电源架构（DPA）使用增加了热设计的复杂性。单个多路输出AC / DC电源用于在常规电源架构中为各种负载供电。集中式电源的使用集中了电源转换过程的散热，从而实现了直接的散热设计。

在DPA中，单输出AC / DC电源产生相对较高的分配电压（例如12VDC或48VDC），并通过多个非隔离式降压DC / DC转换器为低压负载供电。DPA体系结构将功率转换过程的散热散布在整个系统中，并使散热设计复杂化。使用DPA的好处是可以包括较小的总体解决方案尺寸，更高的效率和更低的成本。

DC / DC转换器选择注意事项

效率通常被认为是最重要的规范。效率对热管理有重大影响。因此，使用高效的DC / DC转换器非常重要。但并不是那么简单。效率通常是在满载条件下指定的，而DC / DC转换器通常会降额使用，并且工作功率低于满功率，以提高系统可靠性。而且系统通常不会一直在最大功率下运行。事实证明，为给定应用选择最高效的转换器并不像初次看起来那样简单。了解系统工作条件后，设计人员可以选择效率特性符合系统需求的DC / DC转换器。

此外，DPA中使用的降压转换器具有多种设计，每种设计都有不同的效率权衡。例如，在高负载下，同步降压转换器比非同步降压转换器效率更高。但是最佳选择取决于系统的运行特性。与同步设计相比，非同步降压在轻载条件下通常更为有效。在大量时间在低功率水平下运行且仅偶尔需要峰值功率的系统中，非同步降压可以提供更高的整体运行效率。由于其设计更简单，因此非同步降压的成本更低，并且更可靠。

额定12V输入和1.5V输出的同步和非同步DC / DC转换器的效率比较。图片：德州仪器（Texas Instruments）

在要求最高效率的系统中，新兴的半导体材料（例如氮化镓（GaN））的使用可以提供更高的效率和更小的尺寸。GaN是一种宽带隙材料，具有比传统硅更高的导电性。与硅器件相比，GaN晶体管更小，具有相同导通电阻的较低电容。零QRR可减少高频损耗。GaN的开关性能可实现更高的功率密度，更高的频率，更高的开关精度，更高的总线电压和更少的电压转换损耗。

硅与氮化镓（GaN）的48V至12V DC / DC转换器的效率比较。（图片：EPC）

在散热设计和散热能力方面，并非所有板上安装的DC / DC转换器都相同。有些在绝缘金属基板上构建，以增强热性能。有些包含用于改善导热性的散热孔，有些则开始使用3D封装，该封装使用堆叠的，嵌入式的或平面的组件显着减小尺寸。

减小物理尺寸不仅增加了功率密度，而且减少了寄生效应和较小的电流环路，这意味着，即使使用MHz的开关频率，也可以将EMI控制好。权衡使热管理可能变得更加复杂。DC-DC转换器的整体温度性能在很大程度上取决于最终应用。

随着不断受限的电路板空间中性能的提高，需要诸如3D电源封装之类的技术进步来确保功耗不会迅速增加。否则，性能极限将取决于温度，而不是设计的最大功率。图片：RECOM

系统热分布

热量管理始于在设计阶段通过系统热分布图测量工作温度来识别发热点和其他重点区域。对于特定的操作环境而言，热图对于实现正确的热管理系统设计是必需的。它有助于确定系统运行期间需要监视（测量）的区域。

如果使用红外（IR）摄像机进行的热成像表明一个或多个热点PCB的温度高于预期温度，这可能表明存在问题。重要的是要考虑到靠近较高热量附近的组件；他们可能会经历长期的老化影响。为了检测热点，需要足够的几何分辨率。只有通过足够数量的像素才能很好分辨的细节以及正确测量。因此，高分辨率红外摄像机系统是在系统开发过程中使用的不错选择。

在产品开发过程中，通常将高分辨率红外摄像头系统用于热成像。图片：InfraTec

与热电偶或点测高温计不同，高分辨率红外热像仪可以在系统和设备上获取准确的温度读数。而且散热设计并非一成不变。在不断变化的系统运行状况下，整个系统的散热通常会变化（有时会迅速变化）。一些红外热像仪可以记录高速数据，并具有表征快速热瞬态和稳态热条件所需的灵敏度和空间分辨率。

监控热性能

内置热关断功能通常用于板装DC / DC转换器，连续监控转换器的工作温度通常非常有用，以下是可用于热监控的组件的两个示例。

热敏电阻是随温度变化的电阻，通常由导电材料制成，例如金属氧化物陶瓷或聚合物。最常见的热敏电阻的电阻温度系数（NTC）为负，通常称为NTC。使用NTC需要信号调理。热敏电阻通常与分压器中的固定值电阻器一起使用，其输出使用模数转换器（ADC）进行数字化。

显示热敏电阻如何与ADC接口的基本电路。电阻R1和热敏电阻形成一个分压器，其输出电压取决于温度。（图片：Maxim）

温度传感器IC利用PN结的热特性。由于它们是使用常规半导体工艺构建的有源电路，因此它们可以采用多种形式，并具有多种功能（例如数字接口，ADC输入和风扇控制功能）。温度传感器IC的工作温度范围从-55°C到+ 125°C，一些器件的工作温度上限约为+ 150°C。

四、故障率及可靠性

板载DC / DC转换器的可靠性对于理解和量化非常重要。它是随时间变化的系统或设备故障发生频率的度量。可靠性是观察到的故障率，它定义为两次故障之间的时间（以小时为单位），称为平均故障间隔时间（MTBF），或者直到第一次故障之间的时间（也以小时为单位），称为平均故障间隔时间（MTTF）。有时，可靠性是通过MTBF数字的倒数（基于109小时）来量化的，称为时间失败单位（FIT）：FIT = 109 / MTBF。

每个设备都有一个故障率λ，它是每单位时间发生故障的单元数——故障率在设备的整个生命周期中以可预测的方式变化。当绘制为故障率与时间的关系时，通常称为可靠性浴盆曲线。它显示了早期故障率的总和，以及产品整个生命周期中的恒定（随机）故障率，再加上寿命终止时的磨损率。

浴盆曲线用于说明观察到的电子系统故障率。图片：维基百科

在产品寿命的第一阶段，由于材料缺陷或制造错误（未在最终测试和检查中发现）而导致所谓的失效，因此故障率不断下降，λ下降。板装式DC / DC转换器的大多数失效发生在运行的最初24小时内。

在电子产品中，Arrhenius方程用于确定在给定温度下工作组件的预计寿命。它适用于化学方法，可测量与温度有关的反应速率，并观察到将温度降低10°C将使产品可靠性提高一倍。相反，提高工作温度会加快电子设备的故障率。

Arrhenius方程是电子设备和系统失效的理由。例如，刚制造的DC / DC转换器在老化室内在满负荷和高温下运行约4小时，可以消除许多早期失效现象。通常使用40或50°C进行老化，有时会进一步使用较高的温度和较高的湿度。高可靠性DC / DC转换器通常会进行24小时老化。

在产品和系统开发过程中，用于高度加速寿命测试（HALT）和高度加速应力筛选（HASS）的加速应力测试系统会发现产品设计的弱点。执行HALT和HASS可以最大限度地提高实验室效率，同时降低与保修和召回相关的成本，从而提高产品可靠性。HALT和HASS使用温度和振动应力来消除设计问题，开发出更可靠的产品并筛除早期产品故障问题。HALT和HASS决定了产品的运行和破坏极限，因为在对产品施加压力的同时对其进行了功能测试并不断监测其故障。

HALT和HASS测试箱用于产品开发和产品测试。图片：Thermotron

在大多数DC / DC转换器的使用周期中，除了初始故障率之外，它们会经历恒定的故障率λ，并且可靠性曲线基本上是平坦的。恒定故障率持续的时间取决于各种因素，例如应用环境的固有应力，所用组件的质量，DC / DC转换器的制造质量等等。随着在产品使用寿命到期时的磨损过程中，故障率会不断提高。

预测可靠性

预测可靠性的两个最常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性预测程序SR-332。这些和其他可靠性预测部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217最初是由美国军方开发的，可产生MTBF和MTTF数据，而Telcordia SR-332是为电信行业开发的，可产生FIT数据。当前，MIL-HDBK-217是使用最广泛的可靠性计算方法。

可以使用零件计数分析（PCA），零件应力分析（PSA）或通过现场数据证明，通过几种方式预测和量化可靠性。这些量化可靠性的方法中的每一种对于电力系统设计人员都有特定的用途。PCA需要最少的数据，通常在产品开发过程中使用。PCA分析仅根据物料清单和预期用途得出估算的产品故障率λP，从而可以计算仍在设计的产品的MTBF：λP=（ΣNCλC）（1 + 0.2πE）πFπQπL（公式来源：RECOM）

其中：

NC =零件数（每种组件类型）

λC=从数据库中获取的每个零件的故障率

πE=特定于应用的环境压力因子

πF=混合函数应力c通过组件交互

πQ=标准零件或预筛选零件的筛选水平

πL=成熟因子是经过验证的设计还是新方法

为使用的每个组件计算PCA，并通过将所有单个预测相加得出总可靠性预测。

用于简单DC / DC转换器的PCA可靠性分析。（表：RECOM）

MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲线拟合从现场操作和测试获得的经验数据，提供恒定故障率模型。像PCA分析一样，PSA模型具有恒定的基本故障率，该故障率由环境，温度，应力，质量和其他因素决定。但是PSA方法假定没有对一般恒定故障率的修正。尽管它广泛适用于板载DC / DC转换器等器件，但MIL-HDBK-217方法最初旨在提供零件的结果，而不是设备或子系统的结果。

MIL-HDBK-217和Telcordia SR-332的主要概念相似，但是Telcordia SR-332还具有合并老化、现场和实验室测试数据的能力，可用于贝叶斯分析方法。贝叶斯推断是一种统计推断的方法，其中随着更多证据或信息的获得，贝叶斯被用于更新假设的概率。

系统设计注意事项

DC / DC转换器故障率分析的重点是工作温度，输入电压和输出功率，以估算整体应力。良好的热管理是使用板上安装的DC / DC转换器设计可靠系统的最重要方面。良好的热管理始于了解转换器的效率如何影响系统性能。采用更高限额的产品始终是一个好习惯。标称性能规格并非始终是最佳选择。与其查看指定的典型额定值，不如查看最坏情况的额定值，特别是为了提高效率，通常是一个不错的起点。

用诸如上图所示的管脚兼容的开关稳压器代替线性稳压器可显着提高效率，减少热量并有助于提高可靠性。图片：RECOM

效率通常是在25°C时指定的，但对于在较高温度下运行的系统来说是很常见的。随着温度升高，功率半导体和电路板走线的损耗会增加。铜的温度系数为+ 0.393％/°C。如果温度比室温高1°C，电阻将增加0.393％。转换器效率随输入电压而变化，并随输入与标称电压的变化而降低。

结果，在系统开发过程中进行热成像对于识别热点和其他关注区域是必要的。通过热映射，可以针对特定的操作环境设计正确的热管理系统。它有助于确定系统运行期间需要监视（测量）的区域。热映射还可以识别点热源，例如线性稳压器，可能需要用效率更高的板载DC / DC转换器（例如，开关稳压器）代替。

尽管热管理是主要考虑因素，但不应忽视输入电压的特性。在临界值的高线或低线下长时间运行会降低可靠性，而输入端的浪涌，尖峰和静电放电（ESD）也会降低产品性能和寿命。在转换器的输入端使用保护装置可以大大提高系统的可靠性。

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