Progettazione di potenza: progettazione EMC in CC ad alta potenza

La scelta della giusta tecnologia dei condensatori, degli induttori di potenza, della frequenza di commutazione e dei semiconduttori è fondamentale per l'efficienza di un controller di commutazione CC-CC, consiglia Andreas Nadler.

Facendo le scelte corrette garantirai che il tuo controller sia pronto per il mercato essendo efficiente e conforme a tutte le linee guida EMC necessarie.

Per i convertitori DC-DC con ingressi e uscite relativamente elevati, spesso è necessario utilizzare filtri all'ingresso e all'uscita per ridurre le emissioni di interferenze. Ma può essere difficile trovare un compromesso tra l'efficienza, le dimensioni, l'attenuazione e il costo dei filtri e l'effettivo stadio di potenza: ad esempio, l'utilizzo di un design DC-DC buck‑boost da 100 W mostra quali considerazioni dovrebbero essere fatte in termini di layout e selezione dei componenti.

Un progetto tipico sarebbe quello di sviluppare un convertitore buck‑boost con Pout da 100 W a 18 Vout/Vin 14‑24 V CC con 7 A Iin (max) e Iout 5,55 A (max) ed efficienza >95% con una potenza di uscita di 100 W.

È inoltre necessario rispettare le emissioni di Classe B (condotte e irradiate) in conformità con CISPR32 e avere una bassa ondulazione residua della tensione di uscita (meno di 20 mVpp). Non è possibile alcuna schermatura e ci saranno cavi lunghi (1 m) in ingresso e in uscita. Il convertitore deve inoltre essere compatto ed economico.

Questi severi requisiti implicano che sia essenziale creare un layout compatto e a bassissima induttività, con filtri adatti al convertitore. In termini EMC, i cavi di ingresso e di uscita sono le antenne dominanti nella gamma di frequenze fino a 1GHz.

A seconda della modalità operativa, il convertitore presenta anelli di corrente ad alta frequenza in ingresso e in uscita (Figura 1), quindi entrambi devono essere filtrati. Ciò impedisce che le interferenze ad alta frequenza derivanti dalla commutazione rapida del mosfet vengano irradiate attraverso i cavi.

Questo esempio di applicazione offre un'ampia libertà di progettazione attraverso un ampio intervallo di tensioni di ingresso fino a 60 V CC con una frequenza di commutazione regolabile e la capacità di pilotare quattro mosfet esterni.

Il design si basa su un PCB a doppia faccia con sei strati e una frequenza di commutazione di 400kHz. L'ondulazione di corrente sullo starter dovrebbe essere circa il 30% della corrente nominale. I mosfet da 60 V presentano una bassa resistenza passante (RDS(on)) e una bassa resistenza termica (Rth).

Utilizzando la piattaforma di progettazione online Redexpert è possibile selezionare l'induttore. In questo esempio, tutti i parametri operativi (tensione di ingresso Vin, frequenza di commutazione, corrente di uscita Iout, tensione di uscita Vout e corrente di ripple) devono essere immessi una volta per l'operazione buck e una seconda volta per l'operazione boost. In modalità buck, il risultato è un'induttanza più elevata e una corrente di picco massima inferiore (7,52 µH e 5,83 A). La modalità Boost comporta un'induttanza minore, ma una corrente di picco massima maggiore (4,09 µH e 7,04 A).

In questo esempio è stata selezionata una bobina schermata da 6,8 µH, 15 A della serie WE-XHMI. Il dispositivo compatto misura 15x15x10 mm e ha un RDC basso. Il suo materiale centrale consente un comportamento di saturazione morbido e indipendente dalla temperatura.

Con elevate correnti impulsive attraverso i condensatori di blocco e un basso ripple, è stata scelta una combinazione di polimeri di alluminio e condensatori ceramici come scelta migliore per questo progetto. Determinando l'ondulazione di tensione massima consentita in ingresso e in uscita, le capacità richieste possono essere calcolate come segue:

Lo strumento online ha contribuito a determinare la polarizzazione CC dei condensatori ceramici multistrato (MLCC), ottenendo un valore più pratico. Ci si può aspettare una capacità inferiore del 20% con una tensione di ingresso di 24 V. Ciò si traduce in una capacità effettiva di soli 23μF, che è comunque sufficiente.

Parallelamente ai condensatori ceramici, è collegato in serie un condensatore da 68 µF/35 V (in questo caso, il condensatore ai polimeri di alluminio WCAP‑PSLC) con un resistore SMD da 0,22 Ω. Viene utilizzato per mantenere la stabilità rispetto all'impedenza di ingresso negativa del convertitore di tensione in combinazione con il filtro di ingresso.

Poiché questo condensatore è soggetto anche ad elevate correnti impulsive, un condensatore elettrolitico in alluminio è meno adatto poiché si surriscalderebbe rapidamente a causa della maggiore ESR. I condensatori di uscita vengono selezionati allo stesso modo.