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La plataforma de diseño en línea REDEXPERT permite elegir el inductor de forma rápida y precisa

Optimización de la compatibilidad electromagnética y la eficiencia de los convertidores DC/DC de alta potencia

Andreas Nadler, Field Application Engineer, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, appnotes@we-online.de

07/05/2021
La elección de la tecnología de condensadores, los inductores de potencia, la frecuencia de conmutación y los semiconductores adecuados es fundamental para la eficiencia de un controlador de conmutación DC/DC. La elección no resulta sencilla, pero incluso cuando es acertada, el controlador solo está preparado para el mercado si es eficiente y cumple con todas las directrices de EMC pertinentes.

En el caso de los convertidores DC/DC con entradas y salidas relativamente elevadas, a menudo han de colocarse filtros en la entrada y la salida a fin de reducir las emisiones de interferencias. Sin embargo, con corrientes elevadas de entrada y salida, es difícil encontrar un compromiso entre la eficiencia, el tamaño, la atenuación y el coste de los filtros, y la etapa de potencia real. Un ejemplo basado en un diseño Buck-Boost DC/DC de 100 vatios muestra las consideraciones que deben plantearse en términos de diseño y selección de componentes.

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Figura 1 - Placa de demostración del convertidor Buck-Boost de 100 W.

Objetivo

Desarrollar un convertidor Buck-Boost con las siguientes especificaciones:

  • 100 W Pout a 18Vout / Vin 14-24 Vdc → Iin max. = 7A → Iout max = 5,55 A
  • Eficiencia superior al 95% con una potencia de salida de 100 W
  • Cumple con las emisiones de clase B (conducidas y radiadas) según la norma CISPR32
  • Bajo rizado en la tensión de salida (menos de 20 mVpp)
  • Sin posibilidad de blindaje
  • Cables largos en la entrada y en la salida (cada uno de 1 metro de longitud)
  • Lo más compacto posible
  • Lo más económico posible

Teniendo en cuenta estos estrictos requisitos, resulta fundamental crear un layout compacto y con baja inducción, con filtros adecuados al convertidor. En términos de compatibilidad electromagnética, los cables de entrada y salida son las antenas dominantes en la gama de frecuencias de hasta 1 GHz. Dependiendo de su modo de funcionamiento, el convertidor tiene bucles de corriente de alta frecuencia en la entrada y la salida (tal como se muestra en la figura 2), por lo que ambas deben contar con filtro. Esto evita que las interferencias de alta frecuencia de la conmutación rápida de los MOSFET se irradien a través de los cables. Este ejemplo de aplicación ofrece un diseño muy versátil gracias a un amplio rango de tensión de entrada de hasta 60 VDC, frecuencia de conmutación ajustable y la posibilidad de controlar cuatro MOSFET externos.

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Figura 2: Diagrama de conmutación de los bucles de alta frecuencia principales ΔI/Δt (rojo) y los nodos de conmutación críticos ΔU/Δt (verde) dependiendo del modo de funcionamiento del DC/DC.

El diseño está basado en un PCB de seis capas a doble cara y una frecuencia de conmutación de 400 kHz. El rizado de corriente en el choque debe ser aproximadamente del 30% de la corriente nominal. Los MOSFET de 60 V presentan una baja resistencia en conducción (RDS(on)) y una baja resistencia térmica (Rth). La figura 3 muestra un diseño simplificado del circuito.

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Figura 3: Esquema simplificado del nivel de potencia del diseño.

Selección de inductores

La plataforma de diseño en línea REDEXPERT permite elegir el inductor de forma rápida y precisa. En este ejemplo, los parámetros operativos (tensión de entrada Vin, frecuencia de conmutación fsw, corriente de salida Iout, tensión de salida Vout, y el rizado de la corriente) deben introducirse una vez para la operación buck y otra vez para la operación boost. En el modo buck, el resultado es una mayor inductancia y una menor corriente máxima de pico (7,52 µH y 5,83 A). En el modo boost, el resultado es una menor inductancia y una mayor corriente máxima de pico (4,09 µH y 7,04 A).

Se ha seleccionado una bobina blindada de 6,8µH y 15A de la serie WE-XHMI. Presenta una RDC muy baja y unas dimensiones sumamente compactas de tan solo 15 mm x 15 mm x 10 mm (l x an x al). El innovador material del núcleo permite un comportamiento de saturación suave e independiente de la temperatura.

Selección de condensadores

Con pulsos de corrientes elevados a través de los condensadores de bloqueo y bajo rizado, una combinación de condensadores de polímero de aluminio y cerámico es lo más adecuado. Determinando los máximos rizados de las tensiones en la entrada y en la salida, las capacidades necesarias pueden calcularse de la siguiente manera:

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(D = ciclo de trabajo, establecido por REDEXPERT en 0,78) Seleccionado: 6 x 4,7 F / 50 V / X7R = 28,2 µF (WCAP-CSGP 885012209048)

Con la ayuda de REDEXPERT es fácil determinar el DC bias de los condensadores (MLCC), lo que resulta un valor muy práctico. Se puede esperar una caída del 20% de la capacidad a una tensión de entrada de 24 V. El resultado es una capacidad efectiva de solo 23 µF, que sigue siendo suficiente. En paralelo a los condensadores cerámicos, se conecta una red RC-serie formada por un condensador de polímero de aluminio WCAP-PSLC de 68 µF/35 V y una resistencia SMD de 0,22 Ω. Se utiliza para mantener la estabilidad con respecto a la impedancia de entrada negativa del convertidor de tensión en combinación con el filtro de entrada. Dado que este condensador también está sometido a pulsos de corrientes elevadas, un condensador electrolítico de aluminio no resulta adecuado, ya que se calentaría rápidamente debido a su mayor resistencia serie equivalente (ESR).

Los condensadores de salida se seleccionan de la misma manera.

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Selección: 6 x 4,7 µF / 50 V / X7R = 28,2 µF - 15% DC bias = 24 µF (WCAP-CSGP 885012209048)

Además, un condensador de polímero de aluminio (WCAP-PSLC 220 µF/25 V) presenta una respuesta suficientemente rápida a los transitorios.

Guía para el diseño de la PCB

El diseño de la placa de circuito impreso exige algunas consideraciones. Por ejemplo, los bucles de entrada y salida que causan un valor alto de ΔI/Δt deben permanecer compactos ubicando los condensadores cerámicos de bloqueo próximos entre sí. El circuito bootstrap debe ser compacto y estar cerca del circuito integrado de conmutación. Es necesario un filtro Pi de banda ancha para desacoplar la alimentación de la conmutación. Y deben utilizarse tantas vías como sea posible para establecer una conexión de baja inducción y baja impedancia a las capas internas de puesta a tierra de potencia y a la parte inferior de la placa. Aunque las grandes superficies de cobre proporcionan excelentes disipadores de calor y una RDC baja, no deben ser demasiado grandes para evitar los acoplamientos capacitivos e inductivos con los circuitos vecinos.

Mediciones de CEM sin filtro (100W Pout)

Para dar respuesta a la mayoría de las aplicaciones, el convertidor debe cumplir con los límites de la clase B (ámbito doméstico) en sus emisiones, tanto en el rango conducido (150 kHz a 30 MHz) como en el radiado (30 MHz a 1 GHz). Además de la pérdida de inserción, es importante para las altas corrientes requeridas que los componentes inductivos tengan la menor RDC posible para mantener la eficiencia y el autocalentamiento dentro de un margen aceptable. Por desgracia, una RDC baja también significa un diseño de mayor tamaño. Por ello, es especialmente importante utilizar componentes de última generación que ofrezcan un buen compromiso entre RDC, impedancia y tamaño. Tanto la serie WE-MPSB como el diseño compacto de la serie WE-XHMI son adecuados en este caso. Para los componentes de filtro capacitivo de más de 10 µF, se pueden utilizar condensadores electrolíticos de aluminio de bajo coste. No hay que considerar el rizado de las corrientes, ya que el inductor del filtro bloquea eficazmente dichas corrientes. Por lo tanto, una ESR mayor no es un inconveniente, dando lugar a una calidad de filtro más baja que evita resonancias no deseadas. Las pérdidas adicionales a través de los filtros se deben a las pérdidas óhmicas de los inductores.

Componentes de los filtros de entrada y salida

El criterio clave de selección de los componentes de filtrado es que logren una supresión de interferencias de banda ancha desde 150 kHz hasta 300 MHz para la EMC conducidas y radiadas. El esfuerzo de filtrado puede reducirse si se utilizan cables más cortos o no se utilizan tanto en la entrada como la salida. La figura 4 muestra los rangos activos de cada uno de los componentes del filtro en el margen de frecuencias correspondiente.

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Figura 4: Diagrama de bloques de los elementos de filtrado para los diferentes rangos de frecuencia.
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Figura 5: Vista de la capa superior de la placa de circuito impreso, incluidos todos los elementos de filtrado, para cumplir con la norma CISPR32 Clase B.

Medición de la temperatura y la eficiencia con el filtro a 100 W Pout (Ta = 22 °C)

La temperatura máxima de los componentes medida con una cámara termográfica está por debajo de los 64 °C (figura 6), lo que supone un buen margen de seguridad para temperaturas ambientales más altas, así como un bajo estrés para los componentes. La eficiencia también está a un nivel muy alto (modo buck: 96,5%; modo boost: 95.6%), sobre todo porque se han tenido en cuenta todos los componentes para los filtros.

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Figura 6: Medición de las temperaturas según las vistas superior e inferior.
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Figura 7: Medición de la emisión de interferencias radiadas con filtros a la entrada y a la salida. Presenta un margen de seguridad suficiente respecto al valor límite (horizontal y vertical) en todo el rango de medición.
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Figura 8: Medición de las emisiones conducidas con filtros en la entrada. Se presentan tanto los valores límite medios como los de cuasi pico para todo el rango de medición.

Las figuras 7 y 8 muestran los resultados de medición mejorados del circuito con los filtros colocados. Tanto los picos bien definidos en la gama de bajas frecuencias de interferencias conducidas como la curva de medición completa de las interferencias radiadas presentan ahora una margen de seguridad suficiente por debajo de los valores límite exigidos.

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Andreas Nadler, Field Application Engineer, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG.

Resumen

A pesar de un diseño de PCB muy cuidado, así como de componentes activos y pasivos adecuados, no se puede conseguir un convertidor DC/DC de alta potencia que cumpla con la clase B sin filtros adicionales con especificaciones muy estrictas (líneas largas, falta de blindaje, etc.). Anticipándose a esta situación ya esperada, se colocaron los filtros adecuados de antemano. El resultado es un convertidor Buck-Boost de 100 W flexible, altamente eficiente y que cumple con la clase B. Para crear una placa de circuito impreso aún más compacta, los dos bancos de filtros podrían girarse 90° o situarse en la parte inferior de la placa de circuito impreso. Los programas de diseño y simulación como REDEXPERT y LTSpice son de gran ayuda para alcanzar el objetivo deseado de forma rápida y rentable.

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