電源設計: ハイパワー DC での EMC 設計

適切なコンデンサ技術、パワーインダクタ、スイッチング周波数、および半導体を選択することが、DC-DC スイッチコントローラの効率にとって重要である、と Andreas Nadler 氏はアドバイスします。

正しい選択を行うことで、効率が向上し、必要なすべての EMC ガイドラインに準拠することで、コントローラが確実に市場に投入されるようになります。

比較的高い入力と出力を備えた DC-DC コンバータの場合、干渉放射を低減するために入力と出力にフィルタを配置する必要があることがよくあります。 しかし、フィルタの効率、サイズ、減衰、コストと実際の電力段との間で妥協点を見つけるのは難しい場合があります。たとえば、100W の昇降圧 DC-DC 設計を使用すると、レイアウトの観点からどのような考慮が必要かを示します。そしてコンポーネントの選択。

典型的なプロジェクトは、18Vout/Vin 14-24Vdc で 100W Pout、7A Iin (最大) および Iout 5.55A (最大)、100W 出力電力で >95% の効率を備えた昇降圧コンバータを開発することです。

また、CISPR32 に準拠したクラス B エミッション (伝導および放射) に準拠し、出力電圧の残留リップルが低い (20mVpp 未満) 必要もあります。 シールドは不可能であり、入力と出力には長い (1m) ケーブルが必要になります。 また、コンバータはコンパクトでコスト効率が高い必要があります。

これらの厳しい要件は、コンバータに適合するフィルタを備えた、非常に低誘導でコンパクトなレイアウトを作成することが不可欠であることを意味します。 EMC の観点から見ると、入力ケーブルと出力ケーブルは、最大 1GHz の周波数範囲で主要なアンテナとなります。

動作モードに応じて、コンバータには入力と出力に高周波電流ループがあるため(図1)、両方にフィルタをかける必要があります。 これにより、ケーブルを介して放射される高速 MOSFET スイッチングによる高周波干渉が防止されます。

このアプリケーション例は、調整可能なスイッチング周波数と 4 つの外部 MOSFET を駆動できる機能を備えた最大 60Vdc までの広い入力電圧範囲により、幅広い設計の自由度を提供します。

この設計は、6 層と 400kHz のスイッチング周波数を備えた両面 PCB に基づいています。 チョークでの電流リップルは定格電流の約 30% である必要があります。 60V MOSFET は、低いスルー抵抗 (RDS(on)) と低い熱抵抗 (Rth) を特徴としています。

オンライン設計プラットフォーム Redexpert を使用して、インダクタを選択できます。 この例では、すべての動作パラメータ (入力電圧 Vin、スイッチング周波数、出力電流 Iout、出力電圧 Vout、リップル電流) を降圧動作で 1 回入力し、昇圧動作で 2 回目を入力する必要があります。 降圧モードでは、インダクタンスが高くなり、最大ピーク電流が小さくなります(7.52μHおよび5.83A)。 昇圧モードではインダクタンスは小さくなりますが、最大ピーク電流は大きくなります (4.09µH および 7.04A)。

この例では、WE-XHMI シリーズのシールド付き 6.8µH、15A 定格コイルが選択されました。 コンパクトなデバイスのサイズは 15x15x10mm で、RDC が低くなります。 そのコア材料により、柔らかく温度に依存しない飽和挙動が可能になります。

ブロッキング コンデンサを流れる高パルス電流と低リップルにより、この設計にはアルミニウム ポリマーとセラミック コンデンサの組み合わせが最適な選択肢として選択されました。 入力と出力で許容される最大電圧リップルを決定することにより、必要な静電容量は次のように計算できます。

オンライン ツールは、積層セラミック コンデンサ (MLCC) の DC バイアスを決定するのに役立ち、より実用的な値が得られました。 24V 入力電圧では静電容量が 20% 低下することが期待できます。 この結果、実効容量はわずか 23µF になりますが、それでも十分です。

セラミック コンデンサと並列に、0.22Ω SMD 抵抗を備えた 68µF/35V コンデンサ (この場合は WCAP‑PSLC アルミニウム ポリマー コンデンサ) が直列に接続されています。 これは、入力フィルタと組み合わせて、電圧コンバータの負の入力インピーダンスに対する安定性を維持するために使用されます。

このコンデンサは高いパルス電流にもさらされるため、アルミ電解コンデンサは ESR が高く急速に発熱するため、あまり適していません。 出力コンデンサも同様に選択します。

WCAP-PSLC 220µF/25V は、過渡現象に対して十分に速い応答性も提供します。

PCB のレイアウトも考慮する必要があります。 たとえば、高い ΔI/Δt 値を引き起こす入力ループと出力ループは、ブロッキング セラミック コンデンサを近くに配置することでコンパクトな状態を維持する必要があります。 ブートストラップ回路はコンパクトでスイッチングレギュレータ IC の近くにある必要があります。

スイッチングレギュレータの内部電源をデカップリングするには、広帯域Pi‑フィルタが必要です。 また、内部パワー GND 層と基板の下面への低インダクタンス、低インピーダンス接続を確立するために、できるだけ多くのビアを使用することをお勧めします。

大きな銅領域は優れたヒートシンクと低い RDC を提供しますが、隣接する回路への容量結合や誘導結合を避けるために大きすぎてはなりません。

ほとんどのアプリケーションを満たすには、コンバータは、伝導範囲 (150kHz ～ 30MHz) と放射範囲 (30MHz ～ 1GHz) の両方で、干渉放射におけるクラス B (家庭用) の制限に準拠する必要があります。

挿入損失に加えて、必要な大電流では、効率と発熱を許容範囲内に保つために、誘導性部品の RDC を可能な限り低く抑えることが重要です。

残念ながら、RDC が低いということは、設計が大きくなるということも意味します。 したがって、RDC、インピーダンス、サイズの間で適切な妥協点を提供するコンポーネントを使用することが特に重要です。

10μFを超える容量性フィルタコンポーネントには、安価なアルミ電解コンデンサを使用できます。 フィルタインダクタがこれらの電流を効果的にブロックするため、大きなリップル電流に対処する必要はありません。 したがって、ESRが大きくても問題はなく、不要な共振を防ぐフィルタ品質の低下を引き起こします。 フィルタによる追加の損失は、インダクタのオーミック損失によるものです。

フィルタ コンポーネントの重要な選択基準は、伝導性および放射性 EMC に対して 150kHz ～ 300MHz の広帯域干渉抑制を達成することです。 入力または出力に短いケーブルが使用されているか、ケーブルが使用されていない場合、フィルタリングの労力を軽減できます。 図 2 は、それぞれの周波数範囲における個々のフィルタ コンポーネントのアクティブ範囲を示しています。

熱画像カメラで測定されたコンポーネントの最大温度は 64°C 未満です。これは、周囲温度が高くなっても十分な安全マージンがあり、コンポーネントへの応力が低いことを意味します。 特にフィルタのすべてのコンポーネントが考慮されていることを考慮すると、効率も非常に高いレベルにあります (降圧モード – 96.5%、昇圧モード – 95.6%)。

図 3 と図 4 は、フィルタを設置した回路の改善された測定結果を示しています。 図 3 は、入力と出力にフィルターを使用した放射妨害波の測定を示しています。 測定範囲全体にわたって、限界値までの十分な距離（水平方向および垂直方向）を維持できます。

図 4 は、入力にフィルタを使用した伝導性放射の測定を示しています。 平均限界値と準尖頭値限界値は両方とも、測定範囲全体にわたって遵守されています。

伝導性干渉放射の低周波数範囲の明確なピークと、放射された干渉放射の完全な測定曲線の両方が、必要な制限値を下回る十分な余裕を示しています。

非常に慎重に実行されたレイアウトと適切なアクティブおよびパッシブコンポーネントにもかかわらず、クラス B 準拠の高出力 DC-DC コンバータは、たとえば長い配線やシールドの欠如など、非常に厳しい仕様の追加フィルタなしでは実現できません。

設計およびシミュレーション ソフトウェアはこれを予測し、適切なフィルタを事前にレイアウトすることができました。その結果、柔軟で高効率のクラス B 準拠の 100W 昇降圧コンバータが完成しました。 さらにコンパクトな PCB を作成するには、2 つのフィルター バンクを 90 度回転するか、PCB の下側に配置することができます。