Projektowanie obwodów SMPS: Którą częstotliwość przełączania wybrać?

Zasilanie w przełączniku sieciowym

Projektanci elektroniki mocy i przetwornic impulsowych (SMPS) powinni wiedzieć, że praca z wyższymi częstotliwościami przełączania może prowadzić do większych strat przełączania w systemie. Jednak dążenie do miniaturyzacji zasilaczy i komponentów, które są w nich stosowane, zmusza projektantów do pracy z wyższymi częstotliwościami przełączania w ich projektach obwodów SMPS. To z kolei tworzy problemy, gdzie straty przełączania i szumy mogą stać się poważne w systemie.

Jak w większości decyzji inżynierskich, wybór odpowiedniej częstotliwości przełączania stanowi zestaw kompromisów, które obejmują redukcję rozmiaru komponentów, zmniejszenie strat i eliminację szumów; może być trudne lub niemożliwe, aby osiągnąć te trzy cele jednocześnie. Jednak dzięki inteligentnym decyzjom dotyczącym układu PCB, można zrównoważyć potrzebę wyższych częstotliwości i szybkości narastania w obwodzie SMPS z potrzebą minimalizacji szumów.

Optymalizacja częstotliwości, strat i szumów w obwodzie SMPS

Aby przetwornica impulsowa (SMPS) mogła działać z mniejszymi komponentami, sygnał PWM przełączania musi pracować z wyższą częstotliwością. Cewka wyjściowa, kondensator i dioda są zaprojektowane do przepuszczania mocy stałej przez wyjście, jednocześnie filtrując szumy przełączania, wszelkie pozostałe tętnienia z napięcia wejściowego (np. z obwodu prostowniczego) oraz wszelkie przypadkowe harmoniczne, które mogą być obecne na wejściu. Innymi słowy, wyjście działa jak filtr dolnoprzepustowy (naprawdę jest to filtr pasmowoprzepustowy RLC) w pewnym paśmie częstotliwości. Możemy zdefiniować częstotliwość zaporową dla tego filtra (nie należy jej mylić z częstotliwością graniczną sygnału cyfrowego przełączającego).

Aby zapobiec propagacji szumów przełączania PWM przez wyjście, częstotliwość przełączania PWM musi być większa niż częstotliwość zaporowa obwodu. Niezależnie od tego, czy pracujesz z topologią obniżającą (buck) czy podwyższającą (boost) w swoim obwodzie SMPS, częstotliwość zaporowa wyjścia będzie odwrotnie proporcjonalna do pojemności wyjściowej i indukcyjności. Innymi słowy, możesz użyć mniejszych komponentów w swoim obwodzie SMPS, jeśli użyjesz wystarczająco wysokiej częstotliwości przełączania PWM.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Schemat obwodu przetwornicy impulsowej buck-boost

Ogólnie przyjmuje się, że częstotliwość przełączania sygnału PWM w układzie SMPS będzie głównym determinantem strat, które następnie są przekształcane w ciepło. Problem związany z użyciem wyższej częstotliwości jest prawidłowy, ale częstotliwość to nie jedyny parametr, który określa straty w tranzystorze MOSFET. W rzeczywistości, w przypadku tranzystorów MOSFET używanych w układach SMPS, szybkość narastania krawędzi jest ważnym determinantem strat cieplnych w układzie SMPS.

Żaden element obwodu nie jest idealny, ale mamy tendencję do traktowania ich jako takich, gdy nie jest to odpowiednie. To samo dotyczy pokazanego powyżej tranzystora MOSFET. Gdy sygnał PWM spada do 0 V, tranzystor MOSFET może nie wyłączyć się całkowicie i może kontynuować przewodzenie, gdy szybkość narastania krawędzi jest zbyt wolna. Jeśli zwiększysz szybkość narastania krawędzi sygnału PWM, tranzystor MOSFET może być w pełni przełączany i będzie mniej przewodził w stanie OFF. To faktycznie redukuje straty mocy, nawet gdy częstotliwość przełączania jest ustawiona na wyższą wartość.

Połączenie wyższej częstotliwości PWM i szybszego narastania impulsów PWM pozwala na użycie mniejszych komponentów w obwodzie SMPS. Ponieważ straty mocy (tj. rozpraszanie ciepła) są niższe, można użyć mniejszego radiatora. Jednakże, sygnał PWM o wyższej częstotliwości silnie promieniuje, a szybsze narastanie impulsów prowadzi do odpowiedzi przejściowej w obwodzie. To zachowanie jest całkowicie związane z pojemnością pasożytniczą i indukcyjnością na poziomie obudowy MOSFET i układu płytki. Musisz upewnić się, że twój obwód SMPS jest zaprojektowany w taki sposób, aby zminimalizować indukcyjność pasożytniczą.

Zmniejsz szumy SMPS dzięki inteligentnym wyborom układu

Indukcyjność pasożytnicza w twoim obwodzie SMPS (która obejmuje również dalszą sieć dystrybucji mocy, PDN) będzie decydować o wielkości szpilki napięciowej w obwodzie SMPS. Pojemność pasożytnicza również przyczynia się do szpilek napięcia/prądu w obwodzie SMPS, ale nie dominuje to, dopóki nie pracuje się na poziomach kV. Ta szczególna szpilka napięciowa, spowodowana indukcyjnością pasożytniczą, zajmuje pętle obwodowe w układzie SMPS, co może obciążyć komponenty do punktu awarii.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Learn More

Jeśli użyjesz szybszego zbocza sygnału, wyindukujesz większy prąd przejściowy w swoim obwodzie SMPS. Nawet stosunkowo krótka ścieżka (kilka cm) na standardowej grubości FR4 będzie miała około 10 nH pasożytniczej indukcyjności. Szybko narastające zbocze w sygnale PWM przy prądzie załączenia wynoszącym kilka amperów może wywołać skok napięcia o kilka woltów. Z czasem, obciąża to komponenty i prowadzi do awarii SMPS.

Przy wyższej częstotliwości przełączania i szybszych zboczach sygnału PWM, możesz użyć mniejszych komponentów niż ten dławik i te kondensatory.

Przezwyciężenie tego wyzwania może być trudne, ponieważ wymaga wydobycia pasożytniczych elementów w obwodzie SMPS. Typowa strategia podczas projektowania jednego z tych obwodów polega na przeprowadzaniu symulacji z twojego schematu w celu weryfikacji funkcjonalności, a następnie testowaniu po wykonaniu prototypu. Mamy nadzieję, że dzięki wytycznym przedstawionym tutaj, będziesz mógł zmniejszyć liczbę potrzebnych prób prototypowych, aby uzyskać działające urządzenie.

Narzędzia projektowe w Altium Designer^® są idealne do projektowania układu SMPS i tworzenia solidnego układu, który można przekazać do produkcji i montażu. Dzięki narzędziom symulacji przed i po układzie możesz zbadać swój projekt przed przejściem do produkcji. Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More