干貨 | 關于DC-DC轉換器的選型及設計詳細指南

時間：2021-1-22閱讀：2301

DC/DC轉換器的規格說明

板載DC-DC轉換器的規格是重要且詳細的過程。選型正確后，它會產生符合所有應用的經濟高效的解決方案。錯誤選擇轉換器會導致成本過高，或者不適合該應用。本常見問題解答將介紹板載DC/DC轉換器的主要規格，以及包括熱管理和電磁兼容性考慮因素。

這款效率為96％的40A負載點（PoL）非隔離式板裝DC/DC轉換器尺寸為33mm x 13.5mm x 10.2mm。（圖片：TDK）

效率通常是DC/DC轉換器重要的規格，它對系統設計的許多方面都具有重大影響。即使在高效率的設計中，效率的提高也會產生重大影響。效率為95％的設計熱損耗為5%，效率為80％的DC/DC轉換器熱損耗為20%，相差四倍。這種差異會影響系統設計的許多方面：

可以降低工作溫度，或者可以在相同工作溫度下提高系統功率密度
系統的物理尺寸減小
由于可使用較小甚至無需使用散熱器，因此系統成本將更低
可靠性大幅提高
對于交流電源系統，前端交流/直流電源將更小且成本更低
電池供電的系統可以使用較小的電池或在給定的供電水平下運行更長時間
對系統的能源成本和環境影響將減少

5V DC/1A輸出的DC / DC轉換器在各種輸入電壓下的效率曲線。圖片：RECOM

效率可以通過多種方式體現，例如在各種輸入電壓電平，各種輸出功率電平等情況下的典型值（非常常見），保證的較小值。并且，在所考慮的范圍內，效率通常不是平坦的。對于輸出功率與效率的關系，重要的是要考慮效率曲線的形狀，并將其與系統的預期運行狀態相匹配，以在實際運行條件下較大化效率。

在許多應用中，尤其是電池供電的設備，空載功耗可能是重要的指標，它與開關電路的功耗有關，是整體效率的限制因素。

輸出調節

額定輸出電流是一個簡單明了的規格。某些DC/DC轉換器還規定了較小負載。根據轉換器的不同，低于小負載的運行會對電壓調節產生負面影響，但不會損壞轉換器。輸出電壓是要的更復雜的參數。提供用于輸出電壓的起點的兩個因素是標稱值或“設定點”，以及該標稱值與各種獨立參數（例如輸出負載的變化，輸入電壓的變化和工作溫度變化。)

設定值規格的一個例子是在額定輸入電壓，滿載和25°C下為±1％。電源和負載調整率通常為百分比或范圍，例如，±0.1％或±5mV。溫度調節通常為“每攝氏度”，例如±0.01％/°C或百萬分之一（PPM），如PPM /°C所示。一些DC/DC轉換器供應商提供了針對所有可能變化的“總調節”的單一規范，而不是提供上面概述的各個規范。對于低于3V的電壓，詳細規定輸出電壓調節可能更為重要。

在典型應用中，與輸出負載水平相比，在系統運行期間，線路輸入電壓和工作溫度變化相對較小。結果，負載調節是更關鍵的規格。另外，由于輸出負載中階躍函數的變化而產生動態電壓調節（有時稱為瞬態響應）。

動態調節

對于許多系統，動態調節比靜態電壓調節更為關鍵。在動態調節時，有必要對負載的變化，變化率，“恢復”的定義以及達到恢復的時間進行量化。例如：“負載變化為25％至75％，dI/dt為0.1A/µs，較大偏差為3％，并在200ms內恢復到設定值的1％。”輸出電壓將在電流增加時減小，而在電流減小時增加。

輸出電壓動態調節，顯示瞬態響應偏差和恢復時間。（圖片：Keysight Technologies）

動態響應既是系統設計的考慮因素，也是電源設計的考慮因素。配電網絡的阻抗和去耦設計對動態調節具有重大影響。對于板上安裝的DC/DC轉換器，為FPGA和微處理器等大型數字IC供電時，動態調節尤其重要。

開關DC/DC轉換器的輸出包含低頻（紋波）和高頻（噪聲）分量，通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示。對于5V輸出，紋波和噪聲的典型規格峰峰值為75mV。紋波的頻率與轉換器的開關頻率有關。噪聲的可變性更大，并且是由開關模式轉換器工作中固有的高dI/dt寄生電感振鈴引起的。噪聲在開關轉換期間突然出現，并疊加在較低的頻率紋波上。使用板載DC / DC轉換器時電磁兼容性需要詳細考慮。

保護功能

過流保護旨在保護轉換器免受系統故障（例如短路）的影響。有三種常見的方法來實現限流保護，較大限流，折返限流和打嗝限流。在較大電流限制中，負載電流被限制在不超過較大值的范圍內。當達到該值時，輸出電壓下降。在電流限制階段，DC / DC轉換器中的功耗通常比正常操作中的功耗高。折返電流限制可在檢測到故障時降低輸出電流。與較大電流限制相比，這可以實現較低的較大功耗。但是，折返電流限制可能會在啟動時提供較少的電流。結果，如果啟動期間的負載電流大于折返電流極限支持的值，則輸出的上升速度會變慢，否則轉換器可能無法啟動。

當電流檢測電路在打嗝電流限制中發現過電流情況時，DC/DC轉換器將關閉一段時間，然后嘗試再次啟動。如果消除了過載條件，轉換器將啟動并正常運行；否則，控制器將認為是另一種過電流情況并關閉，重復該循環。打嗝操作消除了其他兩種過流保護方法的缺點。但是，由于需要定時電路，因此更加復雜。

打嗝電流限制比較大電流限制或折返電流限制更為復雜。帶有打ic保護功能的轉換器每次嘗試重新啟動時都會發出“滴答”聲。圖片：RECOM

通常，將轉換器故障導致的輸出過壓條件鉗位在特定水平。裝置通常在短路狀態下發生故障，從而防止損壞主機系統。某些DC/DC轉換器還具有欠壓鎖定功能，可在低輸入電壓下將其關閉。轉換器在“掉電模式”下工作，在該模式下，輸出功率受限，以防止過多的輸入電流流入。

一般規格

在特定應用中，許多附加規范可能很重要，例如用于轉換器配置和監視的PMBus通信功能。遠程開關功能可控制多個轉換器的上電和斷電順序或出于安全原因選擇遠程，遙感功能對某些應用可能很重要。

大多數板上安裝的DC/DC轉換器是非隔離的降壓轉換器。不過，有時還是需要隔離轉換器，并且需要隔離電壓的水平。隔離電容也很重要，主要是隔離式轉換器中變壓器初級繞組和次級繞組之間的寄生耦合。

二、EMC和EMI

電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）是影響電源系統設計的系統級考慮，尤其是在分布式電源架構（DPA）中使用多個板載DC / DC轉換器的情況下。EMC / EMI是一個多方面的考慮因素，其中包括轉換器的輸入和輸出的差模和共模噪聲，輻射噪聲和傳導噪聲以及轉換器的磁化率和發射水平。

EMC被定義為即使在給定范圍內遭受各種EMI形式影響，設備仍可按規定運行的能力。板上安裝的DC / DC轉換器可能是很大的EMI源，必須對其進行控制以確保系統正常運行。而且它還容易受到干擾，特別是在輸入側。

高頻板上安裝的DC / DC轉換器需要選擇轉換器中磁性元件的尺寸較小化，從而減小了整體解決方案。使用較小的無源器件可以使設計緊湊的電路更為簡單，從而獲得更好的EMC / EMI特性。

但是，高頻也會導致轉換器中電源開關電路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET開關沿導致較高的dI / dt（取決于上升時間，其頻率高達幾百MHz），這受MOSFET輸出電容，結電容，肖特基二極管的反向恢復電容等因素。

電磁兼容/電磁干擾

EMI耦合機制（圖片來源：Boyd Corp.）

如上所述，EMI可以通過傳導，輻射或耦合發射的形式出現。根據應用和系統設計，在DPA中使用多個板上安裝的降壓DC / DC轉換器時，每種EMI產生方式都可能成為一個重大問題。

傳導發射是通過導線，電路板走線等帶入電子系統的有害電磁能量。它可以采取共模或差模（也稱為正常模式）能量的形式。

耦合發射包括從干擾源到電子系統的電容或電感耦合的電磁能。

輻射發射是從干擾源到電子系統的整個空間輻射的電磁能。

EMI標準

有兩種類型的EMC標準，基本和與通用/產品相關。像IEC 61000-4和CISPR 16一樣，基本EMC標準也沒有規定發射限值或抗擾度測試等級。它們如何執行測量。通用EMC標準和產品（系列）EMC標準（例如CISPR / EN 55022/32和FCC）了限制和測試級別，有關測試設置和方法規范，請參閱Basic EMC出版物。

IT和多媒體設備的設計者必須在適用的150kHz至30MHz頻率范圍內使用準峰值和平均信號檢測器來滿足傳導發射的EN 55022/32 A類和B類限制。必須同時滿足準峰值和均值限制。專為北美市場設計的產品必須符合FCC 15規定的等效限制。B類設置的傳導排放限值與CISPR 22和EN 55022/32中的限值相同。

CISPR / EN 55022/32 A類和B類準峰值（QP）和平均（AVG）傳導發射限值（圖片：德州儀器（Texas Instruments））

IEC 61000基本EMC標準由幾個部分組成。常規（61000-1），環境（61000-2），限值（61000-3），測試和測量技術（61000-4），安裝指南（61000-5），通用標準（61000-6），其他（61000-9）。

CISPR 1‐6基本EMC標準包括四個部分：CISPR 16-1有六個子部分，電壓，電流和現場測量設備以及測試地點。這些包括測量設備的校準和驗證。CISPR 16-2有五個子部分，規定了測量高頻EMC現象，應對干擾和抗擾度的方法。CISPR 16-3是IEC技術報告（TR），其中包含特定的技術報告和有關CISPR歷史的信息。CISPR 16-4包括五個子部分，其中包含與不確定性，統計數據和極限建模有關的信息。

傳導性EMI的主要非軍事通用/產品標準摘要（圖片：德州儀器）

遏制EMI

控制EMI很重要，原因有二：不符合上述EMI標準的系統在許多市場都被禁止，并且EMI過多會降低系統性能。EMI是一個多維問題，有幾種途徑控制EMI。如果使用可靠供應商提供的板裝DC / DC轉換器，通常不會出現輻射發射和耦合發射問題。但是，轉換器的輸入端需要注意以較小化轉換器的傳導發射連接到電源總線上，并處理可能對電源總線的瞬變敏感影響轉換器性能的可能性。一些一般的注意事項包括：

電路設計：保持電流環路較小，以大程度地減少導體通過感應或輻射耦合能量的能力，并設計適當的電容器和設計中的其他組件以大程度地減少耦合。此外，使用將頻率展頻與開關頻率抖動相結合的板上安裝式DC / DC轉換器，可以通過允許在任何一個相當長的時間內保持在任何一個頻率上發射，從而有效地降低EMI。

采用2x 2板載封裝的六側屏蔽60W隔離式DC / DC轉換器。圖片：RECOM

過濾器：將過濾器盡可能靠近轉換器。旁路電容引線應盡可能短。在典型的板裝降壓DC / DC轉換器應用中，輸入濾波通常是關鍵的。功率MOSFET與輸出之間有一個電感，至少在某種程度上減輕了EMI。但是，輸入側的EMI會在整個系統中傳播，因為它將由主電源總線承載。盡管輸入側關鍵，但在考慮EMI時忽略輸出側并非明智之舉。對于板上安裝的DC / DC轉換器供應商，通常在數據表中列出滿足特定EMC / EMI標準所需的外部組件。

屏蔽：有一個經驗法則，當頻率低于200MHz時，接地可能是可行的解決方案，但是當頻率高于200MHz時，它會產生輻射，解決方案就是屏蔽。對于電信，過程控制，廣播，工業以及測試和測量設備等應用，通常建議使用帶有六面金屬屏蔽的板裝式DC / DC轉換器來較大化EMC / EMI性能。

歸根結底，EMC / EMI是系統級問題。優化板載DC / DC轉換器的EMC / EMI性能是一個重要的考慮因素，但是其他系統元素通常對EMC / EMI性能更重要。

三、熱管理及熱分析

系統級熱設計對于DC / DC轉換器的電氣規格同樣重要。越來越多的分布式電源架構（DPA）使用增加了熱設計的復雜性。單個多路輸出AC / DC電源用于在常規電源架構中為各種負載供電。集中式電源的使用集中了電源轉換過程的散熱，從而實現了直接的散熱設計。

在DPA中，單輸出AC / DC電源產生相對較高的分配電壓（例如12VDC或48VDC），并通過多個非隔離式降壓DC / DC轉換器為低壓負載供電。DPA體系結構將功率轉換過程的散熱散布在整個系統中，并使散熱設計復雜化。使用DPA的好處是可以包括較小的總體解決方案尺寸，更高的效率和更低的成本。

DC / DC轉換器選擇注意事項

效率通常被認為是重要的規范。效率對熱管理有重大影響。因此，使用高效的DC / DC轉換器非常重要。但并不是那么簡單。效率通常是在滿載條件下的，而DC / DC轉換器通常會降額使用，并且工作功率低于滿功率，以提高系統可靠性。而且系統通常不會一直在大功率下運行。事實證明，為給定應用選擇高效的轉換器并不像初次看起來那樣簡單。了解系統工作條件后，設計人員可以選擇效率特性符合系統需求的DC / DC轉換器。

此外，DPA中使用的降壓轉換器具有多種設計，每種設計都有不同的效率權衡。例如，在高負載下，同步降壓轉換器比非同步降壓轉換器效率更高。但是選擇取決于系統的運行特性。與同步設計相比，非同步降壓在輕載條件下通常更為有效。在大量時間在低功率水平下運行且僅偶爾需要峰值功率的系統中，非同步降壓可以提供更高的整體運行效率。由于其設計更簡單，因此非同步降壓的成本更低，并且更可靠。

額定12V輸入和1.5V輸出的同步和非同步DC / DC轉換器的效率比較。圖片：德州儀器（Texas Instruments）

在要求高效率的系統中，新興的半導體材料（例如氮化鎵（GaN））的使用可以提供更高的效率和更小的尺寸。GaN是一種寬帶隙材料，具有比傳統硅更高的導電性。與硅器件相比，GaN晶體管更小，具有相同導通電阻的較低電容。零QRR可減少高頻損耗。GaN的開關性能可實現更高的功率密度，更高的頻率，更高的開關精度，更高的總線電壓和更少的電壓轉換損耗。

硅與氮化鎵（GaN）的48V至12V DC / DC轉換器的效率比較。（圖片：EPC）

在散熱設計和散熱能力方面，并非所有板上安裝的DC / DC轉換器都相同。有些在絕緣金屬基板上構建，以增強熱性能。有些包含用于改善導熱性的散熱孔，有些則開始使用3D封裝，該封裝使用堆疊的，嵌入式的或平面的組件顯著減小尺寸。

減小物理尺寸不僅增加了功率密度，而且減少了寄生效應和較小的電流環路，這意味著，即使使用MHz的開關頻率，也可以將EMI控制好。權衡使熱管理可能變得更加復雜。DC-DC轉換器的整體溫度性能在很大程度上取決于終應用。

隨著不斷受限的電路板空間中性能的提高，需要諸如3D電源封裝之類的技術進步來確保功耗不會迅速增加。否則，性能極限將取決于溫度，而不是設計的大功率。圖片：RECOM

系統熱分布

熱量管理始于在設計階段通過系統熱分布圖測量工作溫度來識別發熱點和其他重點區域。對于特定的操作環境而言，熱圖對于實現正確的熱管理系統設計是必需的。它有助于確定系統運行期間需要監視（測量）的區域。

如果使用紅外（IR）攝像機進行的熱成像表明一個或多個熱點PCB的溫度高于預期溫度，這可能表明存在問題。重要的是要考慮到靠近較高熱量附近的組件；他們可能會經歷長期的老化影響。為了檢測熱點，需要足夠的幾何分辨率。只有通過足夠數量的像素才能很好分辨的細節以及正確測量。因此，高分辨率紅外攝像機系統是在系統開發過程中使用的不錯選擇。

在產品開發過程中，通常將高分辨率紅外攝像頭系統用于熱成像。圖片：InfraTec

與熱電偶或點測高溫計不同，高分辨率紅外熱像儀可以在系統和設備上獲取準確的溫度讀數。而且散熱設計并非一成不變。在不斷變化的系統運行狀況下，整個系統的散熱通常會變化（有時會迅速變化）。一些紅外熱像儀可以記錄高速數據，并具有表征快速熱瞬態和穩態熱條件所需的靈敏度和空間分辨率。

監控熱性能

內置熱關斷功能通常用于板裝DC / DC轉換器，連續監控轉換器的工作溫度通常非常有用，以下是可用于熱監控的組件的兩個示例。

熱敏電阻是隨溫度變化的電阻，通常由導電材料制成，例如金屬氧化物陶瓷或聚合物。常見的熱敏電阻的電阻溫度系數（NTC）為負，通常稱為NTC。使用NTC需要信號調理。熱敏電阻通常與分壓器中的固定值電阻器一起使用，其輸出使用模數轉換器（ADC）進行數字化。

顯示熱敏電阻如何與ADC接口的基本電路。電阻R1和熱敏電阻形成一個分壓器，其輸出電壓取決于溫度。（圖片：Maxim）

溫度傳感器IC利用PN結的熱特性。由于它們是使用常規半導體工藝構建的有源電路，因此它們可以采用多種形式，并具有多種功能（例如數字接口，ADC輸入和風扇控制功能）。溫度傳感器IC的工作溫度范圍從-55°C到+ 125°C，一些器件的工作溫度上限約為+ 150°C。

四、故障率及可靠性

板載DC / DC轉換器的可靠性對于理解和量化非常重要。它是隨時間變化的系統或設備故障發生頻率的度量。可靠性是觀察到的故障率，它定義為兩次故障之間的時間（以小時為單位），稱為平均故障間隔時間（MTBF），或者直到一次故障之間的時間（也以小時為單位），稱為平均故障間隔時間（MTTF）。有時，可靠性是通過MTBF數字的倒數（基于109小時）來量化的，稱為時間失敗單位（FIT）：FIT = 109 / MTBF。

每個設備都有一個故障率λ，它是每單位時間發生故障的單元數——故障率在設備的整個生命周期中以可預測的方式變化。當繪制為故障率與時間的關系時，通常稱為可靠性浴盆曲線。它顯示了早期故障率的總和，以及產品整個生命周期中的恒定（隨機）故障率，再加上壽命終止時的磨損率。

浴盆曲線用于說明觀察到的電子系統故障率。圖片：維基百科

在產品壽命的主要階段，由于材料缺陷或制造錯誤（未在終測試和檢查中發現）而導致所謂的失效，因此故障率不斷下降，λ下降。板裝式DC / DC轉換器的大多數失效發生在運行的初24小時內。

在電子產品中，Arrhenius方程用于確定在給定溫度下工作組件的預計壽命。它適用于化學方法，可測量與溫度有關的反應速率，并觀察到將溫度降低10°C將使產品可靠性提高一倍。相反，提高工作溫度會加快電子設備的故障率。

Arrhenius方程是電子設備和系統失效的理由。例如，剛制造的DC / DC轉換器在老化室內在滿負荷和高溫下運行約4小時，可以消除許多早期失效現象。通常使用40或50°C進行老化，有時會進一步使用較高的溫度和較高的濕度。高可靠性DC / DC轉換器通常會進行24小時老化。

在產品和系統開發過程中，用于高度加速壽命測試（HALT）和高度加速應力篩選（HASS）的加速應力測試系統會發現產品設計的弱點。執行HALT和HASS可以大限度地提高實驗室效率，同時降低與保修和召回相關的成本，從而提高產品可靠性。HALT和HASS使用溫度和振動應力來消除設計問題，開發出更可靠的產品并篩除早期產品故障問題。HALT和HASS決定了產品的運行和破壞極限，因為在對產品施加壓力的同時對其進行了功能測試并不斷監測其故障。

HALT和HASS測試箱用于產品開發和產品測試。圖片：Thermotron

在大多數DC / DC轉換器的使用周期中，除了初始故障率之外，它們會經歷恒定的故障率λ，并且可靠性曲線基本上是平坦的。恒定故障率持續的時間取決于各種因素，例如應用環境的固有應力，所用組件的質量，DC / DC轉換器的制造質量等等。隨著在產品使用壽命到期時的磨損過程中，故障率會不斷提高。

預測可靠性

預測可靠性的兩個常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性預測程序SR-332。這些和其他可靠性預測部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217初是由美國開發的，可產生MTBF和MTTF數據，而Telcordia SR-332是為電信行業開發的，可產生FIT數據。當前，MIL-HDBK-217是使用廣泛的可靠性計算方法。

可以使用零件計數分析（PCA），零件應力分析（PSA）或通過現場數據證明，通過幾種方式預測和量化可靠性。這些量化可靠性的方法中的每一種對于電力系統設計人員都有特定的用途。PCA需要少的數據，通常在產品開發過程中使用。PCA分析僅根據物料清單和預期用途得出估算的產品故障率λP，從而可以計算仍在設計的產品的MTBF：λP=（ΣNCλC）（1 + 0.2πE）πFπQπL（公式來源：RECOM）

其中：

NC =零件數（每種組件類型）

λC=從數據庫中獲取的每個零件的故障率

πE=特定于應用的環境壓力因子

πF=混合函數應力c通過組件交互

πQ=標準零件或預篩選零件的篩選水平

πL=成熟因子是經過驗證的設計還是新方法

為使用的每個組件計算PCA，并通過將所有單個預測相加得出總可靠性預測。

用于簡單DC / DC轉換器的PCA可靠性分析。（表：RECOM）

MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲線擬合從現場操作和測試獲得的經驗數據，提供恒定故障率模型。像PCA分析一樣，PSA模型具有恒定的基本故障率，該故障率由環境，溫度，應力，質量和其他因素決定。但是PSA方法假定沒有對一般恒定故障率的修正。盡管它廣泛適用于板載DC / DC轉換器等器件，但MIL-HDBK-217方法初旨在提供零件的結果，而不是設備或子系統的結果。

MIL-HDBK-217和Telcordia SR-332的主要概念相似，但是Telcordia SR-332還具有合并老化、現場和實驗室測試數據的能力，可用于貝葉斯分析方法。貝葉斯推斷是一種統計推斷的方法，其中隨著更多證據或信息的獲得，貝葉斯被用于更新假設的概率。

系統設計注意事項

DC / DC轉換器故障率分析的重點是工作溫度，輸入電壓和輸出功率，以估算整體應力。良好的熱管理是使用板上安裝的DC / DC轉換器設計可靠系統的重要方面。良好的熱管理始于了解轉換器的效率如何影響系統性能。采用更高限額的產品始終是一個好習慣。標稱性能規格并非始終是選擇。與其查看典型額定值，不如查看情況的額定值，特別是為了提高效率，通常是一個不錯的起點。

用諸如上圖所示的管腳兼容的開關穩壓器代替線性穩壓器可顯著提高效率，減少熱量并有助于提高可靠性。圖片：RECOM

效率通常是在25°C時的，但對于在較高溫度下運行的系統來說是很常見的。隨著溫度升高，功率半導體和電路板走線的損耗會增加。銅的溫度系數為+ 0.393％/°C。如果溫度比室溫高1°C，電阻將增加0.393％。轉換器效率隨輸入電壓而變化，并隨輸入與標稱電壓的變化而降低。

結果，在系統開發過程中進行熱成像對于識別熱點和其他關注區域是必要的。通過熱映射，可以針對特定的操作環境設計正確的熱管理系統。它有助于確定系統運行期間需要監視（測量）的區域。熱映射還可以識別點熱源，例如線性穩壓器，可能需要用效率更高的板載DC / DC轉換器（例如，開關穩壓器）代替。

盡管熱管理是主要考慮因素，但不應忽視輸入電壓的特性。在臨界值的高線或低線下長時間運行會降低可靠性，而輸入端的浪涌，尖峰和靜電放電（ESD）也會降低產品性能和壽命。在轉換器的輸入端使用保護裝置可以大大提高系統的可靠性。

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