Projeto de energia: projeto EMC em CC de alta potência

Escolher a tecnologia certa de capacitores, indutores de potência, frequência de comutação e semicondutores é fundamental para a eficiência de um controlador de comutação DC-DC, aconselha Andreas Nadler.

Fazer as escolhas corretas garantirá que seu controlador esteja pronto para o mercado por ser eficiente e cumprir todas as diretrizes EMC necessárias.

Para conversores DC-DC com entradas e saídas relativamente altas, os filtros devem frequentemente ser implantados na entrada e na saída para reduzir as emissões de interferência. Mas pode ser difícil encontrar um compromisso entre a eficiência, o tamanho, a atenuação e o custo dos filtros e o estágio de potência real - por exemplo, usar um design DC-DC de 100 W buck-boost mostra quais considerações devem ser feitas em termos de layout e seleção de componentes.

Um projeto típico seria desenvolver um conversor buck-boost com 100W Pout em 18Vout/Vin 14‑24Vdc com 7A Iin (max) e Iout 5,55A (max) e eficiência >95% em 100W de potência de saída.

Também é exigido que as emissões Classe B (conduzidas e irradiadas) de acordo com a CISPR32 possuam baixo ripple residual da tensão de saída (inferior a 20mVpp). Nenhuma blindagem é possível e haverá cabos longos (1m) na entrada e na saída. O conversor também deve ser compacto e econômico.

Esses requisitos rígidos significam que é essencial criar um layout compacto e de baixíssima indutividade, com filtros que correspondam ao conversor. Em termos de EMC, os cabos de entrada e saída são as antenas dominantes na faixa de frequência de até 1 GHz.

Dependendo do seu modo de operação, o conversor possui malhas de corrente de alta frequência na entrada e na saída (Figura 1), portanto ambas devem ser filtradas. Isso evita que a interferência de alta frequência da comutação rápida de mosfet seja irradiada pelos cabos.

Este exemplo de aplicação oferece ampla liberdade de projeto por meio de uma ampla faixa de tensão de entrada de até 60 Vdc com uma frequência de comutação ajustável e a capacidade de acionar quatro mosfets externos.

O design é baseado em um PCB de dupla face com seis camadas e uma frequência de comutação de 400kHz. A ondulação de corrente no indutor deve ser de cerca de 30% da corrente nominal. Os mosfets de 60V apresentam baixa resistência de passagem (RDS(on)) e baixa resistência térmica (Rth).

Usando a plataforma de design online, Redexpert, o indutor pode ser selecionado. Neste exemplo, todos os parâmetros operacionais (tensão de entrada Vin, frequência de comutação, corrente de saída Iout, tensão de saída Vout e corrente de ondulação) devem ser inseridos uma vez para o buck e uma segunda vez para a operação de boost. No modo buck, o resultado é uma indutância mais alta e uma corrente de pico máxima menor (7,52µH e 5,83A). O modo Boost resulta em uma indutância menor, mas uma corrente de pico máxima maior (4,09µH e 7,04A).

Uma bobina blindada de 6,8 µH, com classificação 15A da série WE-XHMI foi selecionada neste exemplo. O dispositivo compacto mede 15x15x10mm e possui um baixo RDC. Seu material de núcleo permite um comportamento de saturação suave e independente da temperatura.

Com altas correntes de pulso através dos capacitores de bloqueio e baixa ondulação, uma combinação de polímero de alumínio e capacitores de cerâmica foi selecionada como a melhor escolha para este projeto. Determinando a ondulação de tensão máxima permitida na entrada e na saída, as capacitâncias necessárias podem ser calculadas da seguinte forma:

A ferramenta online ajudou a determinar o viés CC dos capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs), resultando em um valor mais prático. Pode-se esperar uma capacitância 20% menor na tensão de entrada de 24 V. Isso resulta em uma capacidade efetiva de apenas 23µF, o que ainda é suficiente.

Paralelamente aos capacitores de cerâmica, um capacitor de 68µF/35V (neste caso, o capacitor de polímero de alumínio WCAP‑PSLC) com um resistor SMD de 0,22Ω é conectado em série. Isso é usado para manter a estabilidade em relação à impedância de entrada negativa do conversor de tensão em combinação com o filtro de entrada.

Como este capacitor também está sujeito a altas correntes de pulso, um capacitor eletrolítico de alumínio é menos adequado, pois aqueceria rapidamente devido ao ESR mais alto. Os capacitores de saída são selecionados da mesma maneira.