今天給大家分享的是：半橋DC-DC轉換器PCB設計，PCB布局注意點。

一、半橋拓撲

應用于DC-DC 轉換器的半橋拓撲使用2個晶體管來啟動開關動作，用來向負載提供電流脈沖。除了使用電容進行整流和平滑外，DC-DC轉換器拓撲還可以提供平滑至標稱直流功率值的脈沖。

此拓撲可以隔離，其中輸出功率通過變壓器或光耦合器結合。隔離可以在柵極驅動器電路內部實現。非隔離拓撲也可能使用變壓器耦合來升高或降低輸出電壓，但是出于安全目的，這些拓撲以較低的輸出電流運行。

二、半橋DC-DC轉換器

下圖顯示了一些半橋DC-DC轉換器示例：右邊電路使用光耦合器將驅動信號帶到輸出端。左邊的電路可以使用芯片內置的光耦合器，或者在次級側帶有驅動電路的小型變壓器。

這些拓撲中的任何一種都可以通過在耦合元件上分開接地來簡單地隔離。如果不需要，也可以完全移除耦合元件，但是這個通常只適用于較低的電壓/電流和較慢的開關邊沿效率。

半橋直流-直流轉換器中的兩個示例驅動級

這里要注意，驅動級可以與工作在邏輯電平的光隔離器耦合，需要在輸出側使用高電源來提高功率輸出，并且可能用于電機控制。

三、半橋DC-DC轉換器常用組件

半橋DC-DC轉換器電路有幾個常見的元件出現在系統中，實現驅動、整流、濾波、EMI降低和控制：

1、耦合元件

變壓器耦合允許高電壓或高電流輸出，因此功率將耦合到輸出而不是驅動器信號，在這種情況下，驅動器電路將位于變壓器的初級側，并且出于隔離和用戶安全的需要，將在變壓器上分離地平面。

2、二極管

當驅動電路/FET 放置在輸入側時，整流元件通常位于輸出側，反之亦然。這些將強制輸出電流始終沿相同方向流動，而不管輸入電流方向如何。

3、驅動器和反饋級

對于較低電流系統，可以找到一種將隔離和驅動功能集成到一個組件中的IC，在大約幾安培或者更小的低電流下，還可能包括FET級，該級將功率驅動到輸出端的濾波/平滑電路。這些組件通常使用光耦合器在內部隔離，因為這樣可以保持非常小的占用空間，所需的外部元件可能包括二極管、電容和電感，這些都有助于減少輸出上的紋波。

更高電流的系統將始終使用驅動器電路，如上圖所示，許多高度集成的組件包括反饋檢測輸入，將用于內部控制回路以補償輸出功率的變化。根據輸出電流值，電流檢測器可用于讀取輸出功率并向驅動器的反饋檢測引腳提供縮放輸出。然后驅動器可以自動調節PWM信號以維持調節。通常在此應用中調整占空比。如果要使用完全自定義的控制方法，可能需要在 MCU 或小型 FPGA 中實施，然后控制 PWM 驅動器或振蕩器電路的頻率和/或占空比。

4、開關元件

通常是在驅動級使用哪種類型的晶體管，特別是考慮到SiC 和 GaN 等先進材料的可用性。

主要還是取決于驅動級提供的電壓。當FET 直接放置在輸出電流回路中時，這些系統的輸出電壓可能會非常大，尤其是在升壓所需電壓的變壓器耦合系統中。這些更先進的材料在散熱和熱管理方面提供了其他優勢。下表總結了何時應根據 Vgs 值和額定電壓使用不同的半導體。請注意，其中一些可以在邏輯級別深入切換到 ON 狀態。

四、半橋 DC-DC 轉換器框圖示例

下圖顯示了具有標準電源輸入 (85-265 V AC) 的系統的示例半橋 DC-DC 轉換器框圖。為了安全起見，該系統使用與交流和整流直流電源的隔離，并將電壓從整流高直流電壓降低到中等輸出電壓水平。這種類型的設計可用于產生標準電壓電平（例如，24 V DC、48 V DC）。這種類型的系統將用于服務器電源、電器和工業電源等。

半橋 DC-DC 轉換器框圖

帶反饋的半橋驅動電路如下圖所示。這只是上面顯示的標準半橋驅動器拓撲的擴展，但帶有一個反饋環路，該反饋環路由電流檢測放大器 (CSA)、光耦合器和 PWM 發生器上的檢測輸入實現。變壓器可以根據負載要求升高或降低電壓，電感和電容（L 電路）執行與在較低電流下運行的標準 DC-DC 轉換器相同的功能。下面的示例在電壓模式下實現降壓轉換。

DC-DC轉換和調節部分

DC-DC轉換和調節部分，可以用作電源中的穩壓器部分，在上面顯示的框圖中接收主輸入電源。

五、半橋DC-DC轉換器電路示例

下面顯示了一些示例半橋隔離式 DC-DC 轉換器設計。要注意耦合元件可以將柵極驅動信號或電源耦合到輸出。

半橋隔離式 DC-DC 轉換器示例

這里沒有對驅動電路反饋是為了防止上面的圖像變得混亂，你可以用一個通過電流檢測電阻和電流檢測放大器的反饋回路。一些高度集成的驅動器組件將內置此功能，因為可配置性不高，意味著驅動特定的FET以向負載提供特定的電壓電平。在驅動級位于輸入側的任何電路中，都需要光耦合來跨越間隙。

1、電源或柵極驅動耦合

這些示例實現了兩種類型的耦合：電源耦合和柵極驅動耦合。只有左上角的實現將功率直接耦合到輸出，因此它將用于向負載輸送高功率。二極管需要具有高反向擊穿電壓。輸出電感(L1) 還需要具有非常低的直流電阻/高額定電流才能處理所輸送的功率。這種類型的系統可以根據負載要求以升壓或降壓模式使用。這種類型的系統通常作為獨立的電路板實施，例如在專用 PSU 中。

上面顯示的所有其他方法都會耦合柵極驅動信號或柵極使能信號。在耦合柵極驅動信號的情況下，假設柵極驅動處于邏輯電平，耦合元件通常是光耦合器，盡管可以使用變壓器。所有這些都可以融入柵極驅動電路。除非超過額定功率，否則不需要放置在單獨的組件中。

2、實施隔離

當輸出電流非常高時，將需要隔離。這些電路在如何根據組件實現隔離方面各不相同。在 PCB 布局方面，實現隔離很簡單；您只需將地平面分成系統輸入端和輸出端之間的兩個網絡。這會在系統的每一側（輸入/輸出或初級/次級）創建兩組不同的電流環路。

3、柵極驅動耦合

在柵極驅動耦合電路中，隔離通過三種可能的方式實現：使用光耦合器、變壓器或在柵極驅動電路內部使用結隔離。應使用的確切方法取決于功率如何跨間隙耦合。如果只是柵極驅動信號，電壓/電流較低，則光耦合器或隔離結將是合適的。光耦合器可用于僅耦合開啟驅動器組件的使能信號（上例左下方），或者 PWM 信號可使用光耦合器或小型變壓器跨隔離間隙耦合（右側的兩個電路） 。

帶光耦合的半橋隔離式 DC-DC 轉換器

在上述所有三種具有柵極驅動耦合的情況下，DC-DC 轉換器的功能是有效地調制來自輸出側電源的功率傳輸。上述情況下的“負載”將是降壓/升壓轉換器中的標準整流級，或者可能是帶有附加變壓器的反激式轉換器。然后，這將采用脈動輸出并將其轉換為穩定的直流電壓。

4、功率耦合

如果電源直接耦合到輸出端，它將在變壓器的初級側切換，然后耦合到輸出端。地平面間隙需要以典型方式直接放置在變壓器線圈之間。下面顯示了此實現的示例，其中電源完全由 V_IN 網絡提供。這里就可以解釋初級側半橋驅動器實現通常會出現在隔離電源設計中。

在變壓器耦合半橋隔離式 DC-DC 轉換器中實現隔離

GND 網絡還需要與安全電容（例如 Y 型電容）連接在一起。電容應放置在轉換器兩個部分之間的接地間隙上，并且其電容應超過用于耦合的任何變壓器的繞組間電容。確保電容的泄漏電流不會太大，因為如果用戶與輸出側的接地端子相互作用，這會對用戶造成輕度電擊。

六、半橋 DC-DC 轉換器 PCB 布局

在布局之前，確保已經規劃了疊層，主要設計以下設計注意事項：

1、材料選擇

確保選擇能夠在半橋 DC-DC 轉換器中實施的電壓下正常工作的合適材料。通常，當涉及高電壓時，這些將是高 CTI 基板材料。當轉換器將在高電流和/或高溫下運行時，還需要高 Tg。

2、PCB 疊層

保持低電感和防止寄生電容過大將取決于接地相對于系統中電源軌的位置。電路中特定節點的環路電感可以通過附近的接地來控制。因此，帶接地層的 4 層電路板是疊層設計的最佳起點。

按照這些要點，可以為半橋 DC-DC 轉換器設計規劃 PCB 布局。PCB 布局的每一級都應像任何其他電源布局一樣進行布局和布線，以幫助降低噪聲。在半橋DC-DC轉換器設計需要隔離的情況下，必須在與元器件和信號相鄰的層中使用地平面區域，僅在 PCB 布局中的光耦合器/變壓器元件定義的間隙上分割平面區域。PCB 中變壓器耦合的示意圖示例如下所示。

布局半橋 DC-DC 轉換器的粗略布局

關于橋接接地區域的電容的注意事項：確保這是一個安全電容（通常是 Y 型），其電容高于變壓器繞組間電容。可確保 EMI（ESD 事件）穿過電容而不穿過變壓器間隙。還要注意漏電流，這可能是 mA 量級，如果用戶與輸出側的接地端子交互，可能會產生電擊。

關于高功率輸出系統中的布線，通常在輸出側使用導軌來布線到連接器中。這假設轉換器被設計為一個獨立的模塊，我們已經為服務器電源做了一些事情。輸出電源軌上的路由也可以直接連接到同一板上實現的負載，我們已經為高功率電機控制器完成了該操作。輸出路由是放置為軌道還是電源層取決于設計的電流輸出。在我看來，軌道是首選，在負載的低側有一排過孔，以連接回次級/輸出側接地層。

系統中的噪聲本身就是不好的，但在主要組件/信號層附近使用地平面將大大有助于減少輻射發射和耦合。傳導 EMI 濾波（common-mde）在輸入端最有效，因為這有助于抑制通過設備機箱電容耦合的共模環路，但這些也應用于高電流系統的輸出端，以幫助防止共模浪涌。

　　審核編輯：湯梓紅