Conception de l'alimentation : conception CEM en courant continu haute puissance

Le choix de la bonne technologie de condensateur, des inductances de puissance, de la fréquence de commutation et des semi-conducteurs est essentiel à l'efficacité d'un contrôleur de commutation DC-DC, conseille Andreas Nadler.

Faire les bons choix garantira que votre contrôleur est prêt pour le marché en étant efficace et en se conformant à toutes les directives CEM nécessaires.

Pour les convertisseurs DC-DC avec des entrées et des sorties relativement élevées, des filtres doivent souvent être déployés à l'entrée et à la sortie pour réduire les émissions parasites. Mais il peut être difficile de trouver un compromis entre l'efficacité, la taille, l'atténuation et le coût des filtres, et l'étage de puissance réel - par exemple, l'utilisation d'une conception DC-DC buck-boost de 100 W montre quelles considérations doivent être prises en termes de disposition et la sélection des composants.

Un projet typique consisterait à développer un convertisseur abaisseur‑élévateur avec 100 W Pout à 18 Vout/Vin 14‑24 Vdc avec 7 A Iin (max) et Iout 5,55 A (max) et une efficacité > 95 % à une puissance de sortie de 100 W.

Il est également nécessaire de se conformer aux émissions de classe B (conduites et rayonnées) conformément à la norme CISPR32 ayant une faible ondulation résiduelle de la tension de sortie (moins de 20 mVpp). Aucun blindage n'est possible et il y aura des câbles longs (1m) en entrée et en sortie. Le convertisseur doit également être compact et économique.

Ces exigences strictes obligent à créer un schéma très peu inductif et compact, avec des filtres adaptés au convertisseur. En termes de CEM, les câbles d'entrée et de sortie sont les antennes dominantes dans la gamme de fréquences jusqu'à 1 GHz.

Selon son mode de fonctionnement, le convertisseur présente des boucles de courant haute fréquence à l'entrée et à la sortie (Figure 1), les deux doivent donc être filtrées. Cela empêche les interférences à haute fréquence provenant de la commutation mosfet rapide d'être rayonnées via les câbles.

Cet exemple d'application offre une grande liberté de conception grâce à une large plage de tension d'entrée jusqu'à 60 Vdc avec une fréquence de commutation réglable et la possibilité de piloter quatre mosfets externes.

La conception est basée sur un circuit imprimé double face à six couches et une fréquence de commutation de 400 kHz. L'ondulation de courant au niveau de la self doit être d'environ 30 % du courant nominal. Les mosfets 60V présentent une faible résistance traversante (RDS(on)) et une faible résistance thermique (Rth).

À l'aide de la plate-forme de conception en ligne Redexpert, l'inductance peut être sélectionnée. Dans cet exemple, tous les paramètres de fonctionnement (tension d'entrée Vin, fréquence de commutation, courant de sortie Iout, tension de sortie Vout et courant d'ondulation) doivent être entrés une fois pour le mode abaisseur et une seconde fois pour le mode boost. En mode abaisseur, le résultat est une inductance plus élevée et un courant de crête maximal plus petit (7,52 µH et 5,83 A). Le mode Boost se traduit par une inductance plus petite, mais un courant de crête maximal plus élevé (4,09 µH et 7,04 A).

Une bobine blindée de 6,8 µH, 15 A de la série WE-XHMI a été sélectionnée dans cet exemple. L'appareil compact mesure 15x15x10mm et a un faible RDC. Son matériau de base permet un comportement de saturation doux et indépendant de la température.

Avec des courants d'impulsion élevés à travers les condensateurs de blocage et une faible ondulation, une combinaison de condensateurs en polymère d'aluminium et en céramique a été sélectionnée comme le meilleur choix pour cette conception. En déterminant l'ondulation de tension maximale autorisée à l'entrée et à la sortie, les capacités requises peuvent être calculées comme suit :

L'outil en ligne a permis de déterminer la polarisation CC des condensateurs céramiques multicouches (MLCC), ce qui a donné une valeur plus pratique. Une capacité inférieure de 20 % à une tension d'entrée de 24 V peut être attendue. Il en résulte une capacité effective de seulement 23µF, ce qui est encore suffisant.

Parallèlement aux condensateurs en céramique, un condensateur de 68 µF/35 V (dans ce cas, le condensateur en polymère d'aluminium WCAP‑PSLC) avec une résistance SMD de 0,22 Ω est connecté en série. Ceci est utilisé pour maintenir la stabilité par rapport à l'impédance d'entrée négative du convertisseur de tension en combinaison avec le filtre d'entrée.

Étant donné que ce condensateur est également soumis à des courants d'impulsion élevés, un condensateur électrolytique en aluminium est moins approprié car il chaufferait rapidement en raison de l'ESR plus élevé. Les condensateurs de sortie sont sélectionnés de la même manière.

Le WCAP-PSLC 220µF/25V offre également une réactivité suffisamment rapide pour les transitoires.

La disposition du PCB doit également être prise en compte. Par exemple, les boucles d'entrée et de sortie qui provoquent une valeur ΔI/Δt élevée doivent rester compactes en plaçant les condensateurs céramiques de blocage à proximité les uns des autres. Le circuit d'amorçage doit être compact et proche du circuit intégré du régulateur à découpage.

Un filtre Pi large bande est nécessaire pour découpler l'alimentation électrique interne du régulateur à découpage. Il est également conseillé d'utiliser autant de vias que possible pour établir une connexion à faible inductance et à faible impédance avec les couches GND d'alimentation internes et le dessous de la carte.

Bien que de grandes zones de cuivre fournissent d'excellents dissipateurs thermiques et un faible RDC, elles ne doivent pas être trop grandes pour éviter les couplages capacitifs et inductifs avec les circuits voisins.

Pour répondre à la plupart des applications, le convertisseur doit respecter les limites de la classe B (domestique) dans ses émissions d'interférences, à la fois dans la gamme conduite (150 kHz à 30 MHz) et dans la gamme rayonnée (30 MHz à 1 GHz).

En plus de la perte d'insertion, il est important pour les courants élevés requis que les composants inductifs aient le RDC le plus bas possible afin de maintenir l'efficacité et la chaleur dans une plage acceptable.

Malheureusement, un RDC bas signifie également une conception plus grande. Il est donc particulièrement important d'utiliser des composants offrant un bon compromis entre RDC, impédance et encombrement.

Pour les composants de filtres capacitifs supérieurs à 10 µF, des condensateurs électrolytiques en aluminium bon marché peuvent être utilisés. Il n'y a pas de courants d'ondulation élevés à gérer car l'inductance de filtre bloque efficacement ces courants. Par conséquent, une ESR plus grande n'est pas un problème, entraînant une qualité de filtre inférieure qui empêche les résonances indésirables. Les pertes supplémentaires à travers les filtres sont dues aux pertes ohmiques des inductances.

Le critère de sélection clé pour les composants de filtre est qu'ils atteignent une suppression des interférences à large bande de 150 kHz à 300 MHz pour la CEM conductrice et rayonnée. L'effort de filtrage peut être réduit si des câbles plus courts ou aucun câble n'est utilisé à l'entrée ou à la sortie. La figure 2 montre les plages actives des composants de filtre individuels dans la plage de fréquences respective.

La température maximale des composants mesurée avec une caméra thermique est inférieure à 64 °C, ce qui signifie une bonne marge de sécurité pour des températures ambiantes plus élevées ainsi qu'une faible contrainte pour les composants. L'efficacité est également à un niveau très élevé (mode buck - 96,5 % ; mode boost - 95,6 %), d'autant plus que tous les composants des filtres ont été pris en compte.

Les figures 3 et 4 montrent les résultats de mesure améliorés du circuit avec les filtres en place. La figure 3 montre la mesure de l'émission parasite rayonnée avec des filtres à l'entrée et à la sortie. Une distance suffisante par rapport à la valeur limite (horizontale et verticale) peut être maintenue sur la plage de mesure.

La figure 4 montre la mesure des émissions conduites avec des filtres en entrée. Les valeurs limites moyennes et quasi-crête sont respectées sur toute la plage de mesure.

Tant les pics clairs dans la plage de fréquences inférieures du rayonnement parasite conducteur que la courbe de mesure complète de l'émission parasite rayonnée présentent maintenant une réserve suffisante en dessous des valeurs limites requises.

Malgré une disposition très soignée ainsi que des composants actifs et passifs adaptés, aucun convertisseur DC-DC haute puissance conforme à la classe B ne peut être réalisé sans filtres supplémentaires avec des spécifications très strictes, telles que des lignes longues ou un manque de blindage, par exemple.

Les logiciels de conception et de simulation ont anticipé cela et il a été possible de disposer à l'avance des filtres appropriés. Le résultat est un convertisseur buck-boost 100 W flexible, très efficace et conforme à la classe B. Pour créer un circuit imprimé encore plus compact, les deux bancs de filtres peuvent être tournés de 90° ou disposés sur la face inférieure du circuit imprimé.