Thiết kế mạch SMPS: Sử dụng tần số chuyển mạch nào?

Nguồn cấp trên một bộ chuyển mạch mạng

Những người thiết kế điện tử công suất và nguồn cấp điện chuyển mạch (SMPS) cần biết rằng làm việc với tần số chuyển mạch cao hơn có thể dẫn đến việc tăng tổn thất chuyển mạch trong hệ thống của bạn. Tuy nhiên, nhu cầu thu nhỏ nguồn cấp điện và các thành phần đi vào chúng buộc các nhà thiết kế phải làm việc với tần số chuyển mạch cao hơn trong thiết kế mạch SMPS của họ. Điều này sau đó tạo ra các vấn đề nơi mà tổn thất chuyển mạch và tiếng ồn có thể trở nên nghiêm trọng trong hệ thống của bạn.

Như hầu hết các quyết định kỹ thuật, việc chọn tần số chuyển mạch phù hợp đại diện cho một tập hợp các sự đánh đổi liên quan đến việc giảm kích thước thành phần, giảm tổn thất và loại bỏ tiếng ồn; việc đạt được cả ba mục tiêu này cùng một lúc có thể khó khăn hoặc không thể thực hiện được. Tuy nhiên, với một số quyết định bố trí PCB thông minh, bạn có thể cân bằng nhu cầu về tần số cao hơn và tốc độ biên trong mạch SMPS của mình với nhu cầu giữ tiếng ồn ở mức tối thiểu.

Tối ưu hóa Tần số, Tổn thất và Tiếng ồn trong một Mạch SMPS

Để một SMPS có thể hoạt động với các thành phần nhỏ hơn, tín hiệu PWM chuyển mạch phải chạy ở tần số cao hơn. Cuộn cảm đầu ra, tụ điện và diode được thiết kế để truyền điện DC qua đầu ra trong khi lọc tiếng ồn chuyển mạch, bất kỳ sóng dư nào từ điện áp đầu vào (ví dụ, từ một mạch chỉnh lưu), và bất kỳ hài âm nhiễu nào có thể xuất hiện tại đầu vào. Nói cách khác, đầu ra hoạt động như một bộ lọc thông thấp (thực sự, đây là một bộ lọc dải thông RLC) trong một băng thông nhất định. Chúng ta có thể xác định một tần số cắt cho bộ lọc này (không nên nhầm lẫn với tần số gối của một tín hiệu số chuyển mạch). Để ngăn chặn tiếng ồn chuyển mạch PWM lan truyền qua đầu ra, tần số chuyển mạch PWM phải lớn hơn tần số cắt của mạch. Cho dù bạn đang làm việc với một topologi buck hay boost trong mạch SMPS của mình, tần số cắt của đầu ra sẽ tỷ lệ nghịch với dung lượng tụ đầu ra và độ tự cảm. Nói cách khác, bạn có thể sử dụng các thành phần nhỏ hơn trong mạch SMPS của mình nếu bạn sử dụng một tần số chuyển mạch PWM đủ cao.

Sơ đồ mạch SMPS Buck-Boost

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Người ta thường cho rằng tần số chuyển mạch của tín hiệu PWM trong mạch SMPS của bạn sẽ là yếu tố quyết định chính cho sự mất mát năng lượng, sau đó được chuyển đổi thành nhiệt. Vấn đề khi sử dụng tần số cao hơn là đúng, nhưng tần số không phải là tham số duy nhất quyết định sự mất mát trong MOSFET. Trên thực tế, với các MOSFET công suất được sử dụng trong mạch SMPS, tốc độ biên là một yếu tố quan trọng quyết định sự mất mát nhiệt trong mạch SMPS.

Không có linh kiện nào là lý tưởng, nhưng chúng ta có xu hướng xử lý chúng như thế khi không phù hợp. Điều tương tự áp dụng cho MOSFET được hiển thị ở trên. Khi tín hiệu PWM giảm xuống 0 V, MOSFET có thể không tắt hoàn toàn và có thể tiếp tục dẫn điện khi tốc độ biên quá chậm. Nếu bạn tăng tốc độ biên của tín hiệu PWM, MOSFET có thể được chuyển mạch hoàn toàn và nó sẽ dẫn điện ít hơn trong trạng thái TẮT. Điều này thực sự giảm thiểu sự mất mát năng lượng, ngay cả khi tần số chuyển mạch được thiết lập ở một giá trị cao hơn.

Sự kết hợp giữa tần số PWM cao hơn và tốc độ cạnh PWM nhanh hơn cho phép sử dụng các thành phần nhỏ hơn trong mạch SMPS. Do tổn thất công suất (tức là, sự phân tán nhiệt) thấp hơn, một tản nhiệt nhỏ hơn có thể được sử dụng. Tuy nhiên, tín hiệu PWM tần số cao phát ra mạnh mẽ, và tốc độ cạnh nhanh dẫn đến một phản ứng chuyển tiếp trong mạch. Hành vi này hoàn toàn liên quan đến dung kháng và cảm kháng nhiễu tại cấp độ gói MOSFET và bố trí bảng mạch. Bạn cần đảm bảo mạch SMPS của mình được bố trí theo cách mà cảm kháng nhiễu được giảm thiểu.

Giảm Tiếng Ồn SMPS Với Lựa Chọn Bố Trí Thông Minh

Cảm kháng nhiễu trong mạch SMPS của bạn (bao gồm cả PDN hạ lưu) sẽ xác định kích thước của đỉnh điện áp trong mạch SMPS. Dung kháng nhiễu cũng góp phần vào đỉnh điện áp/dòng điện trong mạch SMPS, nhưng điều này không trở nên thống trị cho đến khi bạn làm việc ở mức kV. Đỉnh điện áp cụ thể này, do cảm kháng nhiễu, chiếm các vòng mạch trong bố trí SMPS của bạn, có thể làm căng thẳng các thành phần đến mức hỏng hóc.

Nếu bạn sử dụng tốc độ cạnh nhanh hơn, bạn sẽ gây ra dòng điện chuyển tiếp lớn hơn trong mạch SMPS của mình. Ngay cả một đường dẫn tương đối ngắn (vài cm) trên FR4 có độ dày tiêu chuẩn cũng sẽ có khoảng ~10 nH độ tự cảm nhiễu. Một cạnh tăng nhanh trong tín hiệu PWM với dòng điện ON của vài ampe có thể gây ra một đỉnh điện áp của vài volt. Theo thời gian, điều này làm căng thẳng các linh kiện và dẫn đến hỏng hóc của SMPS.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Learn More

Với tần số chuyển mạch cao hơn và tốc độ cạnh PWM nhanh hơn, bạn có thể sử dụng các linh kiện nhỏ hơn như cuộn cảm này và những tụ điện này.

Việc vượt qua thách thức này có thể khó khăn vì nó đòi hỏi phải trích xuất các thành phần nhiễu trong mạch SMPS. Chiến lược điển hình khi thiết kế một trong những mạch này là chạy mô phỏng từ sơ đồ của bạn để xác minh chức năng, tiếp theo là thử nghiệm sau khi bạn tạo một nguyên mẫu. Hy vọng rằng, với các hướng dẫn được đề cập ở đây, bạn có thể giảm số lần tạo nguyên mẫu cần thiết để có được một thiết bị hoạt động.

Các công cụ thiết kế trong Altium Designer^® là lý tưởng để thiết kế mạch SMPS của bạn và tạo ra một bố cục mạnh mẽ mà bạn có thể đưa vào sản xuất và lắp ráp. Với công cụ mô phỏng trước và sau khi bố trí, bạn có thể kiểm tra thiết kế của mình trước khi chuyển sang sản xuất. Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.