3D 多 PCB 设计在 FSBB 转换器中实现更高的密度

当前电子应用的趋势，尤其是那些基于大功率设备的应用，是实现越来越小的尺寸和越来越高的组件密度。由于引入了超结器件和宽带隙材料(如氮化镓)，迅速实现了更高的开关频率，从而减小了无源器件的体积。

除平面电感器外，情况都是如此。由于它的损耗与它的体积成反比，它在高密度电源中的体积越来越大，浪费了PCB上宝贵的面积。通过采用3D多PCB结构，电源的体积可以减小，直到达到平面磁芯的尺寸。多PCB布局还可以改善散热并降低寄生电感。

本文将重点介绍一种专为四开关降压升压 (FSBB) 转换器设计的多 PCB 结构，其中电源和控制 PCB 均位于平面电感器表面，形成 3D 结构。这种布局减小了整体体积，提高了功率密度，优化了电源环路，从而减少了杂散电感和电压过冲。

传统的FSBB布局

由于其简单性以及升压和降压的出色性能，FSBB 转换器被广泛用于电池充电应用。电路图 由降压级、升压级和共享电感器组成。

通过采用四边形控制方法，可以实现所有功率开关的 ZVS 条件，允许开关频率高达 1 MHz。如图 2所示 ，电感电流被整形为四边形，其中四个角电流用于实现零电压开关 (ZVS)(分别为 S2、S4、S1 和 S3)。这些波形是通过调节降压级和升压级之间的相移获得的。ZVS 技术允许转换器激活“软开关”控制，消除传统 PWM 和同步期间通常产生的开关损耗。

FSBB 转换器的传统单 PCB 布局 。它包括四个 GaN 功率晶体管、两个栅极驱动器、一个平面电感、一个辅助电源和一个 MCU，所有这些都分布在同一平面上。

多PCB FSBB布局

为了优化面积占用，组件可以排列在不同的 PCB 中，通过柔性印刷电路连接。

传统平面布局的 3D 视图与建议的多 PCB 布局之间的比较 如图 5所示。第二种解决方案大大减小了整体尺寸，将功率密度从 90 W/in 提高了 3.8 倍。3 至 432 瓦/英寸。3 . 功率器件放置在最外侧以改善散热，同时在控制板和平面电感之间插入绝缘屏蔽层，以防止漏磁通干扰逻辑控制器(MCU)。电源板和控制板之间的接地连接由铜箔制成或直接将两部分焊接在一起。

采用多 PCB 设计的另一个好处是电源回路的总长度显着减少，从 249 毫米减少到 82 毫米。此外，采用新颖的解决方案，输入和输出端子更靠近电源开关。更短的功率回路意味着寄生电感的减少，从而减少了高频开关引起的电压过冲。

实验结果

为了验证设计并评估相关的电气性能，已经建立了所提出的 3D 多 PCB FSBB 转换器的原型。转换器原型 具有极其紧凑的占位面积 (26.7 × 25.0 × 15.9 mm)，功率密度达到 432 W/in。3、并提供以下技术规格：

· 输入电压 (V IN ) 约为 36 V 至 72 V

· 输出电压 (VO ) = 48 V

· 最大输出电流 (I O ) = 6 A

· 开关频率 (f S ) = 1 MHz

准确的实验测试的执行使得获得不同输入电压值和不同负载条件下的效率曲线趋势成为可能。如图所示，在 48V 输入 3A 负载下测得的峰值效率为 98.1%，而在标称输入电压下的满载效率为 97.0%。

显示了平面单 PCB 解决方案与建议的 3D 多 PCB 解决方案的电压过冲比较 。如红色虚线区域所示，所提出的解决方案可以将电压过冲的最大值从 37.5 V 降低到 4.2 V。由于其更短的电源回路和降低的电压过冲，所提出的多 PCB 解决方案更适合高-频率切换。

结论

本文提出了一种用于高功率密度 FSBB 转换器的新型 3D 多 PCB 结构。相对于传统的平面单PCB方案，FSBB转换器的两个半桥放置在两块PCB上，左右对称排列在平面电感的左右两侧。带 MCU 的控制板改为放置在平面电感的底层。功率级和控制级 PCB 都缠绕在平面电感器周围，形成类似于长方体形式的 3D 结构。

3D结构不仅大大减小了整个系统的体积，消除了浪费的面积，而且还大大提高了功率密度。采用 3D 结构带来的其他好处是更短的电源回路和更小的寄生电感，这反过来又会导致高频开关期间的电压过冲更小。使用 1MHz 280W FSBB 原型获得的实验结果证明了该设计的有效性，在 48V 输入 3A 负载和功率密度增加时达到了 98.1% 的峰值效率(相对于传统单 PCB 设计)从 90 W/in. 3 至 432 瓦/英寸。