半桥DC-DC转换器PCB设计指南
|
今天给大家分享的是：半桥DC-DC转换器PCB设计，PCB布局注意点。 一、半桥拓扑 应用于DC-DC 转换器的半桥拓扑使用2个晶体管来启动开关动作，用来向负载提供电流脉冲。除了使用电容进行整流和平滑外，DC-DC转换器拓扑还可以提供平滑至标称直流功率值的脉冲。 此拓扑可以隔离，其中输出功率通过变压器或光耦合器结合。隔离可以在栅极驱动器电路内部实现。非隔离拓扑也可能使用变压器耦合来升高或降低输出电压，但是出于安全目的，这些拓扑以较低的输出电流运行。 二、半桥DC-DC转换器 下图显示了一些半桥DC-DC转换器示例：右边电路使用光耦合器将驱动信号带到输出端。左边的电路可以使用芯片内置的光耦合器，或者在次级侧带有驱动电路的小型变压器。 这些拓扑中的任何一种都可以通过在耦合元件上分开接地来简单地隔离。如果不需要，也可以完全移除耦合元件，但是这个通常只适用于较低的电压/电流和较慢的开关边沿效率。
半桥直流-直流转换器中的两个示例驱动级 这里要注意，驱动级可以与工作在逻辑电平的光隔离器耦合，需要在输出侧使用高电源来提高功率输出，并且可能用于电机控制。 三、半桥DC-DC转换器常用组件 半桥DC-DC转换器电路有几个常见的元件出现在系统中，实现驱动、整流、滤波、EMI降低和控制： 1、耦合元件 变压器耦合允许高电压或高电流输出，因此功率将耦合到输出而不是驱动器信号，在这种情况下，驱动器电路将位于变压器的初级侧，并且出于隔离和用户安全的需要，将在变压器上分离地平面。 2、二极管 当驱动电路/FET 放置在输入侧时，整流元件通常位于输出侧，反之亦然。这些将强制输出电流始终沿相同方向流动，而不管输入电流方向如何。 3、驱动器和反馈级 对于较低电流系统，可以找到一种将隔离和驱动功能集成到一个组件中的IC，在大约几安培或者更小的低电流下，还可能包括FET级，该级将功率驱动到输出端的滤波/平滑电路。这些组件通常使用光耦合器在内部隔离，因为这样可以保持非常小的占用空间，所需的外部元件可能包括二极管、电容和电感，这些都有助于减少输出上的纹波。 更高电流的系统将始终使用驱动器电路，如上图所示，许多高度集成的组件包括反馈检测输入，将用于内部控制回路以补偿输出功率的变化。根据输出电流值，电流检测器可用于读取输出功率并向驱动器的反馈检测引脚提供缩放输出。然后驱动器可以自动调节PWM信号以维持调节。通常在此应用中调整占空比。如果要使用完全自定义的控制方法，可能需要在 MCU 或小型 FPGA 中实施，然后控制 PWM 驱动器或振荡器电路的频率和/或占空比。 4、开关元件 通常是在驱动级使用哪种类型的晶体管，特别是考虑到SiC 和 GaN 等先进材料的可用性。 主要还是取决于驱动级提供的电压。当FET 直接放置在输出电流回路中时，这些系统的输出电压可能会非常大，尤其是在升压所需电压的变压器耦合系统中。这些更先进的材料在散热和热管理方面提供了其他优势。下表总结了何时应根据 Vgs 值和额定电压使用不同的半导体。请注意，其中一些可以在逻辑级别深入切换到 ON 状态。
四、半桥 DC-DC 转换器框图示例 下图显示了具有标准电源输入 (85-265 V AC) 的系统的示例半桥 DC-DC 转换器框图。为了安全起见，该系统使用与交流和整流直流电源的隔离，并将电压从整流高直流电压降低到中等输出电压水平。这种类型的设计可用于产生标准电压电平（例如，24 V DC、48 V DC）。这种类型的系统将用于服务器电源、电器和工业电源等。
半桥 DC-DC 转换器框图 带反馈的半桥驱动电路如下图所示。这只是上面显示的标准半桥驱动器拓扑的扩展，但带有一个反馈环路，该反馈环路由电流检测放大器 (CSA)、光耦合器和 PWM 发生器上的检测输入实现。变压器可以根据负载要求升高或降低电压，电感和电容（L 电路）执行与在较低电流下运行的标准 DC-DC 转换器相同的功能。下面的示例在电压模式下实现降压转换。
DC-DC转换和调节部分 DC-DC转换和调节部分，可以用作电源中的稳压器部分，在上面显示的框图中接收主输入电源。 五、半桥DC-DC转换器电路示例 下面显示了一些示例半桥隔离式 DC-DC 转换器设计。要注意耦合元件可以将栅极驱动信号或电源耦合到输出。
半桥隔离式 DC-DC 转换器示例 这里没有对驱动电路反馈是为了防止上面的图像变得混乱，你可以用一个通过电流检测电阻和电流检测放大器的反馈回路。一些高度集成的驱动器组件将内置此功能，因为可配置性不高，意味着驱动特定的FET以向负载提供特定的电压电平。在驱动级位于输入侧的任何电路中，都需要光耦合来跨越间隙。 1、电源或栅极驱动耦合 这些示例实现了两种类型的耦合：电源耦合和栅极驱动耦合。只有左上角的实现将功率直接耦合到输出，因此它将用于向负载输送高功率。二极管需要具有高反向击穿电压。输出电感(L1) 还需要具有非常低的直流电阻/高额定电流才能处理所输送的功率。这种类型的系统可以根据负载要求以升压或降压模式使用。这种类型的系统通常作为独立的电路板实施，例如在专用 PSU 中。 上面显示的所有其他方法都会耦合栅极驱动信号或栅极使能信号。在耦合栅极驱动信号的情况下，假设栅极驱动处于逻辑电平，耦合元件通常是光耦合器，尽管可以使用变压器。所有这些都可以融入栅极驱动电路。除非超过额定功率，否则不需要放置在单独的组件中。 2、实施隔离 当输出电流非常高时，将需要隔离。这些电路在如何根据组件实现隔离方面各不相同。在 PCB 布局方面，实现隔离很简单；您只需将地平面分成系统输入端和输出端之间的两个网络。这会在系统的每一侧（输入/输出或初级/次级）创建两组不同的电流环路。 3、栅极驱动耦合 在栅极驱动耦合电路中，隔离通过三种可能的方式实现：使用光耦合器、变压器或在栅极驱动电路内部使用结隔离。应使用的确切方法取决于功率如何跨间隙耦合。如果只是栅极驱动信号，电压/电流较低，则光耦合器或隔离结将是合适的。光耦合器可用于仅耦合开启驱动器组件的使能信号（上例左下方），或者 PWM 信号可使用光耦合器或小型变压器跨隔离间隙耦合（右侧的两个电路） 。
带光耦合的半桥隔离式 DC-DC 转换器 在上述所有三种具有栅极驱动耦合的情况下，DC-DC 转换器的功能是有效地调制来自输出侧电源的功率传输。上述情况下的“负载”将是降压/升压转换器中的标准整流级，或者可能是带有附加变压器的反激式转换器。然后，这将采用脉动输出并将其转换为稳定的直流电压。 4、功率耦合 如果电源直接耦合到输出端，它将在变压器的初级侧切换，然后耦合到输出端。地平面间隙需要以典型方式直接放置在变压器线圈之间。下面显示了此实现的示例，其中电源完全由 V_IN 网络提供。这里就可以解释初级侧半桥驱动器实现通常会出现在隔离电源设计中。
在变压器耦合半桥隔离式 DC-DC 转换器中实现隔离 GND 网络还需要与安全电容（例如 Y 型电容）连接在一起。电容应放置在转换器两个部分之间的接地间隙上，并且其电容应超过用于耦合的任何变压器的绕组间电容。确保电容的泄漏电流不会太大，因为如果用户与输出侧的接地端子相互作用，这会对用户造成轻度电击。 六、半桥 DC-DC 转换器 PCB 布局 在布局之前，确保已经规划了叠层，主要设计以下设计注意事项： 1、材料选择 确保选择能够在半桥 DC-DC 转换器中实施的电压下正常工作的合适材料。通常，当涉及高电压时，这些将是高 CTI 基板材料。当转换器将在高电流和/或高温下运行时，还需要高 Tg。 2、PCB 叠层 保持低电感和防止寄生电容过大将取决于接地相对于系统中电源轨的位置。电路中特定节点的环路电感可以通过附近的接地来控制。因此，带接地层的 4 层电路板是叠层设计的最佳起点。 按照这些要点，可以为半桥 DC-DC 转换器设计规划 PCB 布局。PCB 布局的每一级都应像任何其他电源布局一样进行布局和布线，以帮助降低噪声。在半桥DC-DC转换器设计需要隔离的情况下，必须在与元器件和信号相邻的层中使用地平面区域，仅在 PCB 布局中的光耦合器/变压器元件定义的间隙上分割平面区域。PCB 中变压器耦合的示意图示例如下所示。
布局半桥 DC-DC 转换器的粗略布局 关于桥接接地区域的电容的注意事项：确保这是一个安全电容（通常是 Y 型），其电容高于变压器绕组间电容。可确保 EMI（ESD 事件）穿过电容而不穿过变压器间隙。还要注意漏电流，这可能是 mA 量级，如果用户与输出侧的接地端子交互，可能会产生电击。 关于高功率输出系统中的布线，通常在输出侧使用导轨来布线到连接器中。这假设转换器被设计为一个独立的模块，我们已经为服务器电源做了一些事情。输出电源轨上的路由也可以直接连接到同一板上实现的负载，我们已经为高功率电机控制器完成了该操作。输出路由是放置为轨道还是电源层取决于设计的电流输出。在我看来，轨道是首选，在负载的低侧有一排过孔，以连接回次级/输出侧接地层。 系统中的噪声本身就是不好的，但在主要组件/信号层附近使用地平面将大大有助于减少辐射发射和耦合。传导 EMI 滤波（common-mde）在输入端最有效，因为这有助于抑制通过设备机箱电容耦合的共模环路，但这些也应用于高电流系统的输出端，以帮助防止共模浪涌。 审核编辑：汤梓红 |
