本文分析了不同的電源環(huán)路布局，同時(shí)考慮了熱管理和電氣寄生效應(yīng)。

　　結(jié)果表明，改進(jìn)的布局可以顯著降低工作溫升，同時(shí)保持電氣性能優(yōu)勢。

　　氮化鎵 （GaN） 等寬帶隙 （WBG） 功率半導(dǎo)體已顯示出更好的開關(guān)性能、高可靠性和耐溫能力，品質(zhì)因數(shù) （FOM） 是同類硅器件的 3 到 10 倍 。具有小芯片尺寸和導(dǎo)通電阻（RDS，on）降低寄生電容和電感，提高開關(guān)速度，減少開關(guān)損耗，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率。更高的頻率需要一些設(shè)計(jì)注意布局改進(jìn)，以最大限度地減少增加的熱阻和電感。

　　現(xiàn)有的印刷電路板布局方法

　　本文考慮的電源環(huán)路布局是大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換布局所圍繞的半橋配置，包括兩個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)和一個(gè)旁路電容，如圖1所示。電感器（l）平均開關(guān)節(jié)點(diǎn)v的輸出電壓電平西 南部= V低和電容器 C高頻，而理論上不是必需的，因?yàn)樗cV并行高，在實(shí)踐中需要為高頻電流提供低阻抗路徑。

　　圖 1.典型的半橋構(gòu)建塊。平行板短路傳輸線（a）。采用低阻抗傳輸線作為功率回路結(jié)構(gòu)的半橋布局，具有相應(yīng)的尺寸（b）和相同的（c）邊緣視圖。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

　　將電源環(huán)路電感降至最低的 PCB 設(shè)計(jì)，由下式估算L圈 = μ0·無噸/瓦，之前已經(jīng)討論過 。圖1（b、c、d）顯示了電源環(huán)路的PCB實(shí)現(xiàn)?？傊?，PCB布局應(yīng)盡量減少長度和厚度，同時(shí)增加寬度w。這可以通過圖1（c）布局中使用的放置來實(shí)現(xiàn)，l和w由組件的物理尺寸決定，t由電壓要求或PCB可制造性約束設(shè)置。

　　現(xiàn)有布局下的降壓轉(zhuǎn)換器散熱挑戰(zhàn)

　　隨著開關(guān)器件的溫度在許多應(yīng)用中成為電激活水平的限制因素，改善散熱也成為主要的設(shè)計(jì)考慮因素，特別是在PCB級別，這在去除FET中的熱量方面起著重要作用。在圖1的降壓轉(zhuǎn)換器中，Q1在較大的熱負(fù)載下，因?yàn)樗瑫r(shí)表現(xiàn)出開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，而Q2僅表現(xiàn)出傳導(dǎo)損耗。圖 2（布局 A）顯示了圖 1 （c） 的標(biāo)準(zhǔn)布局的分解圖。在熱方面，頂層具有更高的電阻路徑，用于Q1，因?yàn)殂~平面被中斷C高頻.Q2，另一方面，具有透明的銅平面，用于熱量有效地?cái)U(kuò)散到PCB中并最終消散到環(huán)境中。此外，可用的過孔更少Q(mào)1以避免嚴(yán)重穿孔GND返回路徑。因此，布局A對于降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用來說不是熱優(yōu)化的，需要改進(jìn)布局以適應(yīng)沒有Q的更高損耗1過熱。

　　圖 2.電源環(huán)路布局的分解視圖，其中參考節(jié)點(diǎn)和返回路徑 （GND） 以綠色突出顯示（頂部）。與箭頭表示的熱流路徑相同的俯視圖（底部）。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

　　另一方面，考慮到升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，其作用Q1和Q2反轉(zhuǎn)，用Q2具有較高的損耗，在這種情況下，布局 A 表現(xiàn)良好，因?yàn)镼2具有較低的熱阻。

　　優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器的布局

　　作為重新排列以熱改進(jìn)布局A以進(jìn)行降壓操作，C高頻可以移動到側(cè)面Q2因?yàn)閮烧叨歼B接到GND（圖2中的布局B）。這將需要使用第2層作為V高平面，它仍充當(dāng) AC 參考平面，并且尺寸 l、w 和 t 保持不變。熱Q1現(xiàn)在有一條通往環(huán)境的良好路徑，因此布局B在降壓操作下應(yīng)該表現(xiàn)得更好，但在升壓操作下表現(xiàn)更差，因?yàn)镼2現(xiàn)在被阻礙C高頻。

　　通過以電容器為中心的布局消除權(quán)衡

　　對于需要寬轉(zhuǎn)換器工作范圍或雙向轉(zhuǎn)換（降壓和升壓）的情況，布局A或B在熱上僅限于一個(gè)FET或另一個(gè)FET。此外，在這兩種布局中，Q1 和Q2緊密放置，因此產(chǎn)生的熱量集中在較小的區(qū)域。這些問題可以在布局C中通過以下方式解決：C高頻介于兩者之間Q1和 Q2.在布局 C 中，Q1和 Q2通過圖 2 中所示的第 2 層中的交換機(jī)節(jié)點(diǎn) （SW） 進(jìn)行連接。布局C遵循規(guī)則以最小化環(huán)路電感，雖然傳統(tǒng)上將開關(guān)和信號節(jié)點(diǎn)放置在外層，但對于低阻抗來說并不是必需的。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)V高和 V低由于以下原因，處于相同的交流電位C高頻因此共同形成交流參考平面，并且不影響環(huán)路電感。

　　熱優(yōu)勢在于布局C增加了兩者之間的間距，并為兩者提供了暢通無阻的銅平面。Q1 和Q2.此外，相鄰過孔的空間更大，返回平面穿孔更少，開關(guān)節(jié)點(diǎn)可以被具有潛在EMI優(yōu)勢的直流平面屏蔽。

　　一些可能的缺點(diǎn)，在實(shí)踐中并不重要，因?yàn)楫?dāng)使用單個(gè)封裝柵極驅(qū)動IC時(shí)，間隔較遠(yuǎn)的FET可能需要更長的柵極驅(qū)動路徑，并且在某些情況下，電容器可能比FET更高，而FET在安裝散熱器時(shí)必須容納FET。

　　分析與驗(yàn)證

　　為了測試上述設(shè)計(jì)方案，使用了硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈円子谠O(shè)計(jì)和易于理解的行為。在降壓和升壓操作中比較了三種布局設(shè)計(jì)的熱性能。設(shè)計(jì)和制造具有每個(gè)電源環(huán)路布局的相同電路板。電壓V高選擇在 150 V 時(shí)，這是用于Q1 和Q2.轉(zhuǎn)換比率固定為V低/五高= 0.25，這意味著Q1工作在占空比為 0.25 和Q2在0.75。直流電感電流固定在IL= 15 A，因?yàn)檫@接近電感的飽和值，而所選FET的適中值。因此，轉(zhuǎn)換器在所有測試用例中處理562W。開關(guān)頻率F西 南部= 選擇100 kHz以提供真實(shí)的FET功耗值。以上測試參數(shù)是所進(jìn)行測試的基線。Q1在降壓模式下具有熱過載，并且Q2在提升模式下。

　　圖 3.a） 損耗模擬結(jié)果，b） 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓 v西 南部用于降壓轉(zhuǎn)換器 Q1打開過渡。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

　　電氣仿真和測量

　　為了估計(jì)FET中的散熱，在LTspice?中進(jìn)行了電氣仿真，其中包括估計(jì)的PCB寄生效應(yīng)。對FET損耗進(jìn)行了仿真，作為設(shè)定頻率、占空比和溫度的函數(shù)。結(jié)果如圖3a所示。

　　測量開關(guān)性能以顯示不同布局之間的電感差異。圖3b所示的開關(guān)波形顯示了接通Q1在降壓操作期間?？梢钥闯?，這三種布局在振鈴方面顯示出微小的差異，表明對寄生電感的影響很小。

　　散熱測試設(shè)置

　　熱測試在具有受控氣流的強(qiáng)制風(fēng)冷測試箱中進(jìn)行。圖4顯示了測試連接和實(shí)驗(yàn)設(shè)置。對于熱測量，在焊盤之間的PCB上鉆一個(gè)200μm寬的孔，以提供光學(xué)熱傳感器（OPSense? OTG-F傳感器）的訪問。該傳感器具有抗EMI性能，并且具有極小的熱質(zhì)量。

　　圖 4.a） 與主板和測試 PCB 的電氣連接，用于散熱測試。b） 光學(xué)傳感器測量設(shè)置，顯示光纖傳感器的 PCB 鉆孔。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

　　熱仿真模型

　　使用6SigmaET ［4］（一種商用熱和CFD軟件）進(jìn)行熱仿真，以驗(yàn)證測量的觀測結(jié)果。PCB布局與所需的所有細(xì)節(jié)（銅導(dǎo)體，過孔，設(shè)備）一起導(dǎo)入軟件。代表性數(shù)據(jù)點(diǎn)用于通過測量進(jìn)行驗(yàn)證。

　　強(qiáng)制空氣對流結(jié)果

　　第一組測量是在 400 LFM 氣流下對三種布局執(zhí)行的。從圖3所示的降壓和升壓配置的熱仿真結(jié)果來看，高端FET上的最高溫度表明布局A在升壓方面具有熱優(yōu)勢，而布局B在降壓模式下更有效地散熱。

　　圖 5.在升壓下，布局C的測量（紅外和光纖溫度傳感器）和模擬結(jié)果（表面溫度）。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

　　與A和B相比，布局C在最佳操作模式（A在升壓模式下，B在降壓模式下）具有與A和B相似（5%以內(nèi)）或更好的熱性能，并且在次優(yōu)操作模式下（A在降壓模式下，B在升壓模式下）比布局A和B有顯著改進(jìn)。圖6顯示了降壓和升壓操作的三種布局的測量Q1和Q2溫度。結(jié)果表明，布局C在雙向操作中沒有熱損失，而布局A在降壓（溫度提高10%）和B在升壓（溫度升高25%）時(shí)的熱性能顯著降低。使用散熱器進(jìn)行的其他測試也得出了類似的結(jié)論，由于布局C中更好的冷卻效果和更大的Q1和Q2間距，溫度較低［5］。

　　圖 6.三種布局的測量結(jié)果和溫升比較摘要。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

　　結(jié)論

　　三種布局 A （C高頻 與 Q1 相鄰），B （C高頻 鄰近Q2）和 C（介于Q1和 Q2）顯示出可比的電氣性能，在振鈴頻率上觀察到的微小差異。實(shí)驗(yàn)支持這樣的假設(shè)，即在典型設(shè)計(jì)條件下，布局A針對升壓轉(zhuǎn)換器操作進(jìn)行了熱優(yōu)化，布局B針對降壓操作進(jìn)行了優(yōu)化。布局 A 在降壓操作下受到熱挑戰(zhàn)，布局 B 在升壓操作下受到熱挑戰(zhàn)，如果不在最佳模式下運(yùn)行，則會出現(xiàn)較大的熱損失（高峰值溫度）。

　　布局 C 提供大而無遮擋的銅平面和更大的間距Q1 和Q2布局C被證明在任何工作條件下都是熱可行的，特別適用于各種應(yīng)用，如逆變器、D類放大器和太陽能優(yōu)化器，以及雙向應(yīng)用，如電池接口，在測試中觀察到的缺點(diǎn)最小。