Проектирование схемы импульсного источника питания: Какую частоту переключения использовать?

Блок питания сетевого коммутатора

Разработчики силовой электроники и импульсных источников питания (SMPS) должны знать, что работа с более высокими частотами переключения может привести к увеличению потерь на переключении в вашей системе. Однако стремление к миниатюризации блоков питания и компонентов, входящих в их состав, заставляет разработчиков работать с более высокими частотами переключения в их схемах SMPS. Это, в свою очередь, создает проблемы, при которых потери на переключении и шум могут стать серьезными в вашей системе.

Как и в большинстве инженерных решений, выбор правильной частоты переключения представляет собой набор компромиссов, включающих уменьшение размера компонентов, снижение потерь и устранение шума; достичь всех трех целей одновременно может быть сложно или невозможно. Однако, принимая умные решения по размещению компонентов на печатной плате, вы можете сбалансировать необходимость в более высоких частотах и скоростях нарастания сигнала в вашей схеме SMPS с необходимостью свести к минимуму шум.

Оптимизация частоты, потерь и шума в схеме SMPS

Для того чтобы импульсный источник питания (SMPS) работал с меньшими компонентами, сигнал широтно-импульсной модуляции (PWM) должен работать на более высокой частоте. Выходной индуктор, конденсатор и диод разработаны для передачи постоянного тока через выход, фильтруя при этом шум переключения, любые остаточные пульсации от входного напряжения (например, от схемы выпрямителя) и любые спурийные гармоники, которые могут присутствовать на входе. Другими словами, выход действует как фильтр нижних частот (на самом деле это полосовой фильтр RLC) в определенной полосе пропускания. Мы можем определить частоту среза для этого фильтра (не путать с частотой изгиба цифрового сигнала переключения).

Для предотвращения распространения шума PWM через выход, частота переключения PWM должна быть выше частоты среза схемы. Независимо от того, работаете ли вы с топологией понижающего или повышающего преобразователя в вашей схеме SMPS, частота среза выхода будет обратно пропорциональна выходной емкости и индуктивности. Другими словами, вы можете использовать меньшие компоненты в вашей схеме SMPS, если используете достаточно высокую частоту переключения PWM.

Схема импульсного источника питания типа "понижающий-повышающий"

Обычно предполагается, что частота переключения сигнала ШИМ в вашей схеме ИИП будет основным фактором потерь, которые затем преобразуются в тепло. Эта проблема с использованием более высокой частоты верна, но частота не является единственным параметром, определяющим потери в MOSFET. На самом деле, при использовании мощных MOSFET в схемах ИИП, скорость нарастания сигнала является важным фактором тепловых потерь в схеме ИИП.

Ни один элемент схемы не идеален, но мы склонны рассматривать их как таковые, когда это неуместно. То же относится к MOSFET, показанному выше. Когда сигнал ШИМ падает до 0 В, MOSFET может не выключиться полностью и может продолжать проводить, когда скорость нарастания сигнала слишком медленная. Если вы увеличите скорость нарастания сигнала ШИМ, MOSFET может быть полностью переключен, и он будет меньше проводить в выключенном состоянии. Это на самом деле снижает потери мощности, даже когда частота переключения установлена на более высокое значение.

Комбинация более высокой частоты ШИМ и более быстрого скоростного режима переключения ШИМ позволяет использовать более мелкие компоненты в схеме импульсного источника питания (SMPS). Поскольку потери мощности (т.е. рассеивание тепла) ниже, можно использовать более маленький радиатор. Однако, сигнал ШИМ высокой частоты сильно излучает, а более быстрый режим переключения приводит к переходному процессу в схеме. Это поведение полностью связано с паразитной емкостью и индуктивностью на уровне корпуса MOSFET и разводки платы. Вам нужно будет убедиться, что ваша схема SMPS разработана таким образом, чтобы минимизировать паразитную индуктивность.

Уменьшение шумовых пиков SMPS с помощью умного выбора разводки

Паразитная индуктивность в вашей схеме SMPS (которая включает в себя последующую PDN) будет определять размер напряженческого пика в схеме SMPS. Паразитная емкость также способствует возникновению пиков напряжения/тока в схеме SMPS, но это не становится доминирующим до тех пор, пока вы не работаете на уровне кВ. Этот конкретный напряженческий пик, обусловленный паразитной индуктивностью, занимает контуры схемы в вашей разводке SMPS, что может привести к выходу компонентов из строя.

Если вы используете более высокую скорость нарастания сигнала, это вызовет больший переходный ток в вашей схеме SMPS. Даже относительно короткий след (несколько см) на стандартной толщины FR4 будет иметь ~10 нГн паразитной индуктивности. Быстрое нарастание сигнала в ШИМ с током включения в несколько ампер может вызвать скачок напряжения на несколько вольт. Со временем это ставит под угрозу компоненты и приводит к выходу из строя SMPS.

С более высокой частотой переключения и более быстрыми скоростями нарастания сигнала ШИМ, вы можете использовать компоненты меньшего размера, чем этот индуктор и эти конденсаторы.

Преодоление этой проблемы может быть сложным, поскольку это требует извлечения паразитных элементов в схеме SMPS. Типичная стратегия при проектировании одной из этих схем заключается в проведении симуляций по вашей схеме для проверки функциональности, за которыми следует тестирование после создания прототипа. Надеемся, что с соблюдением изложенных здесь рекомендаций, вы сможете уменьшить количество необходимых итераций прототипирования для получения работающего устройства.

Инструменты проектирования в Altium Designer^® идеально подходят для разработки вашей схемы SMPS и создания крепкой компоновки, которую вы можете передать на производство и сборку. С помощью инструментов предварительного и постпроектировочного моделирования вы можете изучить ваш проект перед переходом к производству. Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для компоновки, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.