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电动汽车充电需求不断增长 - 随着全球电气化和脱碳趋势的持续发展，电动汽车（EV）的需求预计也将以10%的复合年增长率（CAGR）增长。到2025年底，预计将有近5000万辆电动汽车上路，这将迫切需要更多的充电桩和更快的电动汽车充电速度。本文将向您介绍电动汽车充电的类型和常见拓扑，以及Wolfspeed提供的相关解决方案。 随着道路上电动汽车数量的增加，对其充电所需的电力需求也在呈指数级增长。据估计，到2030年，这些车辆将需要约230太瓦时（TWh，1 太瓦时 = 10 亿千瓦时）的能量来为这些车辆充电，而目前的需求量为11太瓦时。为了满足如此多的汽车和随之而来的电力需求，将需要近3000万个充电机。虽然大多数充电机将安装在个人住宅中，但还需要安装超过120万个公共充电机，才能为行驶中的电动汽车提供服务。 电动汽车的累计充电机需求 家用充电机通常使用常见的、现成的交流电源。另一方面，公共充电机旨在提供快速可靠的充电体验，就像为传统内燃机（ICE）车辆加油一样。这意味着公共快速充电机需要具有足够的电力传输能力（高达600kW），以便在15分钟内为电动汽车充满电，而这只能通过直流充电来实现。 充电类型 交流充电是典型的家庭中采用常规电源进行充电，该电源以交流电（AC）的形式提供，因此得名。这种充电需要电动汽车中的车载充电机（OBC）将交流电转换为直流电，这是使用交流电为电池充电所必需的做法。 1级交流 这是最基本的充电机，从电网接收120-240Vac（13-16A）电源，然后通过充电电缆将其提供给电动汽车。它是最慢的充电机类型，但也是最便携的，几乎可以在任何地方插入充电，大多数型号的额定功率通常最多为1kW。 1级交流充电机 2级交流 2级交流充电机仍然使用现成的120-240Vac电源，主要区别在于它的额定电流更高（32-40A）。这些交流充电机通常永久连接到家庭和公共场所的桩上，它们的额定功率通常高达11-22 kW。 2级交流充电机 直流充电 要减少电动汽车的充电时间，唯一的方法是采用直流充电。直流充电机绕过电动汽车中的车载充电机，直接向电动汽车的电池供电。 2级直流充电／2+级／直流充电盒 对于20-25kW左右的功率级别，常见的解决方案将被称为“2级”直流充电机，尽管没有官方正式的命名说法，这些充电机还是可以在住宅和商业场所找到。 与交流充电相比，其最大的区别是有一个额外的内置电源模块转换器，可以执行从交流到直流的整流（例如“AFE”-有源前端）。然后，该直流电流通过充电电缆馈入汽车为电池充电。根据功率器件的选择，它还可以提供双向充电功能。 2级直流充电机 3级直流快速充电（DCFC）／快充／超级充电机 3级直流充电机通常又称为直流快速充电机（DCFC）或超级充电机，这种类型充电机的功率水平可以轻松地从50kW到高达1MW之间变化。这些充电机由20、30、50、60kW甚至更高的多个功率块组成，以获得所需的功率水平。根据容量的不同，这些快速充电机可以在20分钟内为典型的电动汽车电池充电。 3级直流快速充电机 充电标准 就像我们有不同的充电机级别来区分功率级别一样，充电机所使用的连接器也有不同的标准。 充电机的连接器类型 常见的AC-DC拓扑 11kW）： 图腾柱／功率因子校正（PFC） NPC / ANPC – 中性点接触PFC／有源中性点PFC AFE – 有源前端PFC 维也纳整流器 T型PFC 常见DC/DC功率拓扑 将交流电源转换为400V-800V的典型直流母线电压后，我们现在可以将其转换为电动汽车电池充电所需的电压。下面介绍的各种DC/DC拓扑可以帮助实现这一目标： DAB - 双有源桥 PSFB – 相移全桥 LLC转换器 CLLC转换器 结语 在不断发展的电动汽车充电领域，人们大力推动更高功率和更高密度的解决方案，以减少与典型内燃机汽车相比的充电停机时间，这仍然是一个普遍的瓶颈。这导致越来越多地采用创新的多级拓扑来满足这些电力需求，要求电池在不运行的高峰需求期间支持电网，并要求拓扑支持双向充电。 来源：arrow/ Wolfspeed

DC-DC转换器的创新“同步整流式” 电源的效率提升就类似于生活费的精打细算，尽可能地买便宜货减少花销，就相当于采用尽可能高效的元件和电路来降低损耗。不过，电源的设计并非“非黑即白”，还是要综合考虑性能、可靠性、成本等因素。近年来，业界开发出了效率解决95%的DC-DC转换器。实现了这种革命性高效的技术之一是称为“同步整流”的电路形式。让我们以降压转换器为例，简单地介绍一下它的原理。 如同本系列第3篇介绍的一样，降压转换器的开关元件为ON时，扼流线圈会储蓄能量，开关元件为OFF时，扼流线圈会放出能量。此时，因为二极管（导流二极管）的原因，电流的流行会保持单向。（见下图）。不过，二极管在开关时会有大电流经过，因此损耗相当大。并且，电路高速化所伴随的低压化也是二极管难以支持的，因此二极管被替换成了低电阻的功率MOSFET。功率MOSFET可作为开关元件，而同步整流式的降压转换器会通过控制集成电路，让功率MOSFET构成的2个开关同步。 所谓同步整流，就类似T形路口在没有信号灯的情况下，让汽车流畅通行的一种方式。如果有2个方向的汽车相撞就会导致阻塞和事故。不过，如果能巧妙地进行管控，让汽车以合适的时机通行，就能防止阻塞和事故。同步整流就是以类似的思路，让2个功率MOSFET开关在巧妙的时机进行ON/OFF操作。凭借这种电路形式，DC-DC转换器的效率大幅超过了以前的电路，且实现了无需散热板的小型化。此外，这对电池使用时间的延长也很有效果，因此被大量用于移动设备的小型高效DC-DC转换器。 减少热损耗和噪声的“软开关”设计思路 同步整流电路还采用了“软开关”的思路。这是因为普通的开关（硬开关）总会不可避免地产生损耗。因为开关的缘故，电压和电流的波形会从方形变为台状，ON/OFF切换时的波形会部分重叠，造成开关损耗。用来减少这种重合的技术称作“软开关”。这种技术会在电压和电流为0时，进行ON/OFF切换。 它设置了一个中间的“停滞时间”，让2个功率MOSFET开关不会同时为ON，从而巧妙地进行同步。此外，如果巧妙地切换电压和电流波形的相位（phase）使其错开，也能减少重合造成的损耗。这种技术称作“相移”。软开关存在多种电路设计。这种技术的亮点是通过少量元件就能很好地控制电压和电流。 上述的降压转换器属于非绝缘型DC-DC转换器，但变压器用的绝缘型DC-DC转换器也采用了同步整流式设计。图中所示的是反激式转换器的简易同步整流电路示例。和通常的反激式转换器不同的是，变压器负载端设有辅助线圈，并连接了功率MOSFET（Q2）。变压器电源端的功率MOSFET（Q1）的开关为OFF时，变压器核心储蓄的能量会被放出，辅助线圈中产生电压（介电电力），只有功率MOSFET（Q2）的电闸会被推动。同步整流电路的优点是只需低成本就能实现。 虽然实现了令人瞠目的高效，但开关式电源也有难缠的缺点。那便是开关切换产生的高频噪声。电源除噪的对策将在以后的文章中介绍，但这里要说的是，软开关的优点正是开关损耗和噪声都较少。因此，它作为尖端电源技术而广受关注，且在近年来迅速发展。 来源：TDK

测量输出电压纹波是评估现代电源转换器和低压降 (LDO) 设备性能的快速方法。但不同的测量方法可能导致输出纹波评估结果相反，如何获得准确的纹波值成为纹波测量中最重要的部分。本设计提示将介绍输出纹波电压测量的实用方法，以检查DC-DC电源转换器的性能。首先，本文将简单解释电压纹波，然后比较传统的长测量回路技术和最小化测量回路技术的尖端和桶身 (tip-and-barrel method) 之间的波形。最后，提供三个实用的测量提示和结论。 1 导言 现代电子应用通常包含嵌入式计算和无线连接功能，这些电路经常具有高脉冲和重负载行为，同时需要低输入电压纹波。因此，新一代的DC-DC转换器将需要具有更快的瞬态响应，并在快速波动的负载条件下保持稳定的输出电压，相较于LDO，输出纹波应该与其一样好，甚至更好。对于评估这些转换器的输出电压纹波，能利用更好的测量方法是很重要的，这种方法可避免将大量的噪声耦合到测量波形上。 在测量输出纹波时，不同的测量方法可能会收集到不同数量的噪声，反应在波形上，从而可能低估转换器的输出纹波性能。图1显示了噪声组合在实际输出纹波上的叠加，这使得测量的输出纹波大于实际的纹波。当使用传统方法，直接将一个普通被动示波器探头连接到输出端时，这是很常见的误测。下一节中将介绍，为什么会出现测量不准确，以及解决这个问题的技术。 图 1: 在测量中迭加的电压纹波和噪声 2 输出电压纹波的测量 图 2: 传统方法与尖端和桶身方法的比较 具有较大测量回路的传统连接方式无法准确地获得开关转换器的纹波电压，因为长地线和尖端插孔可能形成一个回型天线，收集周围环境的噪声。这些噪声迭加到输出电压纹波上，会使所有的测量结果都不正确。 为了获得实际的输出电压纹波，必须在测量设置过程中最小化测量回路。尖端和桶身测量方法是最推荐的准确测量方法之一，以其易于使用和较小的测量回路而闻名。使用此方法，可以轻易地实现较小的回路来收集噪声。 请注意，测量点也可能影响输出纹波测量结果。因此，第二件要考虑的事情是，选择可以最小化噪声收集回路的测量点。通常适当的测量点是在输出电容器焊接垫之间。测量点离电容器越近，在测量过程中收集的噪声就越少。图2显示了尖端和桶身测量方法是在输出电容器上的应用，而传统方法是在输出端上的应用。传统方法的噪声收集回路形成的区域比尖端和桶身方法的区域大得多，这解释了为什么使用前者方法时，波形上会出现大量的噪声。 最后一点也同样重要的是，根据应用选择一个可以接受的示波器采样带宽。有了上述的三个提示，可以很容易达到准确地测量输出纹波电压。 图3显示在不同的示波器采样带宽设置下，输出端的传统长测量回路方法与直接在输出电容器上的尖端和桶身测量方法的比较。结果显示，使用传统的长测量回路方法，波形包含大量的噪声和巨大的纹波，而使用尖端和桶身测量方法，缩短了测量回路，输出波形更加清晰，从而可以测量出准确的输出纹波。 图 3: 20MHz至全 (500MHz) 带宽设置的不同测量方法 3 总结/实用提示 3.1 最小化测量回路 当测量DC-DC转换器的输出电压纹波时，测量回路区域在噪声收集中起着重要的作用。记住始终要考虑最小化回路区域。尖端和桶身方法可以最小化噪声对纹波测量值的影响。 3.2 选择适当的测量点 确保测量的回路区域足够小。通常，选择尽可能靠近输出电容器的测量点，并使连接的阻抗尽可能低。测量点离电容器越近，在测量过程中收集的噪声就越少。 3.3 设定可接受的采样带宽 对于不同的应用，关键负载对于由转换器输出纹波引起的噪声的敏感度可能会有所不同。对于对噪声敏感的应用，如高分辨率模数转换器 (ADC) 或音频应用，建议在全带宽下测量输出纹波，而对于对噪声不敏感的应用，可能选择20MHz的采样带宽。注意，仍需要在全示波器采样带宽下检查背景噪声，以避免不准确地测量输出。 4 结论 使用尖端和桶身方法，对DC-DC转换器进行输出电压纹波测量产生的噪声较少，并且容易实施以获得准确的数据。结合选择对应用程序可接受的示波器采样带宽和适当的测量点，可以轻松实现准确的测量。这对于快速检查大多数DC-DC转换器来说是非常好的方法。 来源 立锜官网

在DCDC电源电路中，PCB的布局对电路功能的实现和良好的各项指标来说都十分重要。本文以buck电路为例，简单分析一下如何进行合理PCB layout布局以及设计中的注意事项。 首先，以最简单的BUCK电路拓扑为例，下图（1-a）和（1-b）中分别标明了在上管开通和关断时刻电流的走向，即 功率回路部分 。这部分电路负责给用户负载供电，承受的功率较大。 结合图（1-c）中Q1和Q2的电流波形，不难发现，由于电感的存在，后半部分电路中不会存在一个较高的电流变化趋势，只有在两个开关管的部分会出现 高电流转换速率 。在PCB布线时需要特别注意，尽可能减小这一快速变化的环节的面积，来减少对其他部分的干扰。随着集成工艺的进步，目前大部分电源芯片都将上下管集成到了芯片的内部。 了解了高电流转换速率部分后，让我们回到整个功率回路布局来看。以MPS的非常受欢迎的MPQ8633A（B）系列产品为例，这是一款完全集成的高频同步降压转换器可以实现高达12-20A的输出电流，其原理图如下，其功率回路（绿色标注）中包含输入电容，电感以及输出电容等器件。 功率回路也需要做到尽可能地占用较小的环路面积，来减少噪声的发射以及回路上的寄生参数。推荐的PCB布局如图（3）所示。注意点如下： 输入电容就近放在芯片的输入Vin 和功率地PGND ，减少寄生电感的存在，因为输入电流不连续，寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响。 VIN 的管脚旁边至少各有1 个去耦电容 ，用来滤除来自电源输入端的交流噪声和来自芯片内部（倒灌）的电源噪声，同时也为芯片储能。 且电容需要紧挨管脚，两者的间距需要小于40mil 。 功率回路尽可能的短粗，保持较小的环路面积 ，减少噪声的发射。 SW 点是噪声源，保证电流的同时保持尽量小的面积 ，远离敏感的易受干扰的位置，例如FB 等。 铺铜面积和过孔数量会影响到PCB 的通流能力和散热。 由于PCB的载流能力与PCB板材、板厚、导线宽厚度以及温升相关，较为复杂，可以通过IPC-2152标准来进行准确的查找和计算。一般，对于MPQ8633A（B）的PCB来说，需要在VIN（至少打6个过孔）和PGND（至少打9个过孔）处多打过孔，这两处的 铺铜应最大化来减小寄生阻抗 。SW处的铺铜也需要加宽，以免出现限流的情况，导致工作异常。 讨论完功率回路部分，转眼看芯片逻辑电路部分，这部分的PCB布局也是有所讲究的。 结合图（3）和（4）可总结注意点如下： 将BST 电容放置在尽可能靠近BST 和SW 的位置 ，使用 20mil 或更宽 来布线路径。 FB 电阻连接到FB 管脚尽可能短， 减少噪声的耦合。这是芯片最敏感，最容易受干扰的部分，是引起系统不稳定的十分常见原因。需要将其 远离噪声源 ，例如：SW点，电感，二极管等（在非同步buck中，MPQ8633外围无二极管）。如图，RFF、CFF、RFB1、RFB2都尽量靠近芯片摆放。 VCC 电容应就近放置在芯片的VCC 管脚和芯片的信号地之间，尽量在一层，没有过孔 。对于信号地（AGND）和功率地（PGND）在一个管脚的芯片，同样就近和该管脚连接。 AGND和PGND需要进行 单点连接 。 将SS 电容靠近TRK/REF 至RGND 。 将SENSE电容置于输出SENSE线之间， 平行走线 。 PCB layout 中走线和铺铜都尽量避免90 °直角 ，走45°或者圆弧角，特别是在高频信号传输线部分。避免由传输线宽带来的反射和传输信号的失真。 最后，为了方便大家了解自己画的PCB是否合理，可以参考以下简易表格做一个自评： 设计建议 比重（%） 自评打分 备注 器件位置摆放 输入电容靠近芯片放置，去耦电容需要放置在VIN与功率PGND管脚旁边6mil （允许元器件最小间距），最好不要超过40mil。与芯片放置在同一层。 20 电感靠近SW管脚放置。与芯片放置在同一层。 15 使用电源模块，可忽略此条 输出电容两端需靠近电感Vout端和功率PGND放置。与芯片放置在同一层。 15 续流二极管需要靠近电感SW与功率PGND放置。与芯片放置在同一层。 5 使用同步电源芯片，可忽略此条 VCC电容需靠近芯片VCC管脚放置。与芯片放置在同一层。 3 FB电阻需靠近FB管脚放置，走线尽量短。与芯片放置在同一层。远离噪声源。 3 BST RC需靠近SW和BST管脚放置。与芯片放置在同一层。 3 COMP RC靠近管脚放置。 3 若无此管脚，可忽略此条。 大功率网络铺铜 VIN 铺铜 3 SW铺铜在足够通流情况下越短越好。 4 Vout铺铜 3 GND铺铜 4 在最后进行整体铺铜较为便捷。 VIA过孔 GND网络过孔数量≥(Iin+Iout)/200mA 4 VIN网络过孔数量≥Iin/200mA 3 Vout网络过孔数量≥Iin/200mA 3 过孔不打在芯片管脚或器件焊盘上 1 其他弱电信号 EN 电阻尽量靠近芯片摆放，可放置在不同层。 1 SS RC尽量靠近芯片管脚摆放。 1 PG 1 其他（CS，mode等） 1 参考相应规格书 走线 走线以及铺铜都用45°或者圆弧角。 2 电感下方不走线。 1 采样信号平行走线。 1 若无此功能，可忽略此条。 以上表格适用于简单的buck、boost电路的PCB设计，多用单层或者双层板即可。仅供参考，欢迎补充。 来源：mps

关于DCDC Vout电容，一般情况下我们出于先滤低频再滤高频的考虑会将容量大的电容靠近Vout端放置，即由大到小排列顺序进行布局。 不过个人在对应过的一些项目里，也有硬件人员要求从小到大排列顺序进行布局的。理由是因为电源频率的特性，站在为DCDC去耦的角度来看，应当小电容（去耦半径小）靠近Vout以达到最佳的噪声过滤效果。 我在网上也搜索过，也询问过仿真研究人员，说法是两种都能接受，负载端还需要进行滤波的。 但是，从业将近10年以来，多数是以先滤低频再滤高频去考量电容的摆放顺序的，在这个方面看硬件人员自身的理解去定咯。