不同的电源环路布局
本文分析了不同的电源环路布局，同时考虑了热管理和电气寄生效应。
结果表明，改进的布局可以显著降低工作温升，同时保持电气性能优势。
氮化镓 （gan） 等宽带隙 （wbg） 功率半导体已显示出更好的开关性能、高可靠性和耐温能力，品质因数 （fom） 是同类硅器件的 3 到 10 倍 。具有小芯片尺寸和导通电阻（rds，on）降低寄生电容和电感，提高开关速度，减少开关损耗，从而实现更高的功率密度和效率。更高的频率需要一些设计注意布局改进，以最大限度地减少增加的热阻和电感。
现有的印刷电路板布局方法
本文考虑的电源环路布局是大多数电源转换布局所围绕的半桥配置，包括两个功率半导体开关和一个旁路电容，如图1所示。电感器（l）平均开关节点v的输出电压电平西 南部= v低和电容器 c高频，而理论上不是必需的，因为它与v并行高，在实践中需要为高频电流提供低阻抗路径。
图 1.典型的半桥构建块。平行板短路传输线（a）。采用低阻抗传输线作为功率回路结构的半桥布局，具有相应的尺寸（b）和相同的（c）边缘视图。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
将电源环路电感降至最低的 pcb 设计，由下式估算l圈 = µ0·无吨/瓦，之前已经讨论过 。图1（b、c、d）显示了电源环路的pcb实现。总之，pcb布局应尽量减少长度和厚度，同时增加宽度w。这可以通过图1（c）布局中使用的放置来实现，l和w由组件的物理尺寸决定，t由电压要求或pcb可制造性约束设置。
现有布局下的降压转换器散热挑战
随着开关器件的温度在许多应用中成为电激活水平的限制因素，改善散热也成为主要的设计考虑因素，特别是在pcb级别，这在去除fet中的热量方面起着重要作用。在图1的降压转换器中，q1在较大的热负载下，因为它同时表现出开关损耗和传导损耗，而q2仅表现出传导损耗。图 2（布局 a）显示了图 1 （c） 的标准布局的分解图。在热方面，顶层具有更高的电阻路径，用于q1，因为铜平面被中断c高频.q2，另一方面，具有透明的铜平面，用于热量有效地扩散到pcb中并最终消散到环境中。此外，可用的过孔更少q1以避免严重穿孔gnd返回路径。因此，布局a对于降压转换器应用来说不是热优化的，需要改进布局以适应没有q的更高损耗1过热。
图 2.电源环路布局的分解视图，其中参考节点和返回路径 （gnd） 以绿色突出显示（顶部）。与箭头表示的热流路径相同的俯视图（底部）。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
另一方面，考虑到升压转换器应用，其作用q1和q2反转，用q2具有较高的损耗，在这种情况下，布局 a 表现良好，因为q2具有较低的热阻。
优化降压转换器的布局
作为重新排列以热改进布局a以进行降压操作，c高频可以移动到侧面q2因为两者都连接到gnd（图2中的布局b）。这将需要使用第2层作为v高平面，它仍充当 ac 参考平面，并且尺寸 l、w 和 t 保持不变。热q1现在有一条通往环境的良好路径，因此布局b在降压操作下应该表现得更好，但在升压操作下表现更差，因为q2现在被阻碍c高频。
通过以电容器为中心的布局消除权衡
对于需要宽转换器工作范围或双向转换（降压和升压）的情况，布局a或b在热上仅限于一个fet或另一个fet。此外，在这两种布局中，q1 和q2紧密放置，因此产生的热量集中在较小的区域。这些问题可以在布局c中通过以下方式解决：c高频介于两者之间q1和 q2.在布局 c 中，q1和 q2通过图 2 中所示的第 2 层中的交换机节点 （sw） 进行连接。布局c遵循规则以最小化环路电感，虽然传统上将开关和信号节点放置在外层，但对于低阻抗来说并不是必需的。两个节点v高和 v低由于以下原因，处于相同的交流电位c高频因此共同形成交流参考平面，并且不影响环路电感。
热优势在于布局c增加了两者之间的间距，并为两者提供了畅通无阻的铜平面。q1 和q2.此外，相邻过孔的空间更大，返回平面穿孔更少，开关节点可以被具有潜在emi优势的直流平面屏蔽。
一些可能的缺点，在实践中并不重要，因为当使用单个封装栅极驱动ic时，间隔较远的fet可能需要更长的栅极驱动路径，并且在某些情况下，电容器可能比fet更高，而fet在安装散热器时必须容纳fet。
分析与验证
为了测试上述设计方案，使用了硬开关转换器，因为它们易于设计和易于理解的行为。在降压和升压操作中比较了三种布局设计的热性能。设计和制造具有每个电源环路布局的相同电路板。电压v高选择在 150 v 时，这是用于q1 和q2.转换比率固定为v低/五高= 0.25，这意味着q1工作在占空比为 0.25 和q2在0.75。直流电感电流固定在il= 15 a，因为这接近电感的饱和值，而所选fet的适中值。因此，转换器在所有测试用例中处理562w。开关频率f西 南部= 选择100 khz以提供真实的fet功耗值。以上测试参数是所进行测试的基线。q1在降压模式下具有热过载，并且q2在提升模式下。
图 3.a） 损耗模拟结果，b） 开关节点电压 v西 南部用于降压转换器 q1打开过渡。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
电气仿真和测量
为了估计fet中的散热，在ltspice™中进行了电气仿真，其中包括估计的pcb寄生效应。对fet损耗进行了仿真，作为设定频率、占空比和温度的函数。结果如图3a所示。
测量开关性能以显示不同布局之间的电感差异。图3b所示的开关波形显示了接通q1在降压操作期间。可以看出，这三种布局在振铃方面显示出微小的差异，表明对寄生电感的影响很小。
散热测试设置
热测试在具有受控气流的强制风冷测试箱中进行。图4显示了测试连接和实验设置。对于热测量，在焊盘之间的pcb上钻一个200μm宽的孔，以提供光学热传感器（opsense® otg-f传感器）的访问。该传感器具有抗emi性能，并且具有极小的热质量。
图 4.a） 与主板和测试 pcb 的电气连接，用于散热测试。b） 光学传感器测量设置，显示光纤传感器的 pcb 钻孔。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
热仿真模型
使用6sigmaet ［4］（一种商用热和cfd软件）进行热仿真，以验证测量的观测结果。pcb布局与所需的所有细节（铜导体，过孔，设备）一起导入软件。代表性数据点用于通过测量进行验证。
强制空气对流结果
第一组测量是在 400 lfm 气流下对三种布局执行的。从图3所示的降压和升压配置的热仿真结果来看，高端fet上的最高温度表明布局a在升压方面具有热优势，而布局b在降压模式下更有效地散热。
图 5.在升压下，布局c的测量（红外和光纤温度传感器）和模拟结果（表面温度）。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
与a和b相比，布局c在最佳操作模式（a在升压模式下，b在降压模式下）具有与a和b相似（5%以内）或更好的热性能，并且在次优操作模式下（a在降压模式下，b在升压模式下）比布局a和b有显着改进。图6显示了降压和升压操作的三种布局的测量q1和q2温度。结果表明，布局c在双向操作中没有热损失，而布局a在降压（温度提高10%）和b在升压（温度升高25%）时的热性能显着降低。使用散热器进行的其他测试也得出了类似的结论，由于布局c中更好的冷却效果和更大的q1和q2间距，温度较低［5］。
图 6.三种布局的测量结果和温升比较摘要。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
结论
三种布局 a （c高频 与 q1 相邻），b （c高频 邻近q2）和 c（介于q1和 q2）显示出可比的电气性能，在振铃频率上观察到的微小差异。实验支持这样的假设，即在典型设计条件下，布局a针对升压转换器操作进行了热优化，布局b针对降压操作进行了优化。布局 a 在降压操作下受到热挑战，布局 b 在升压操作下受到热挑战，如果不在最佳模式下运行，则会出现较大的热损失（高峰值温度）。
布局 c 提供大而无遮挡的铜平面和更大的间距q1 和q2布局c被证明在任何工作条件下都是热可行的，特别适用于各种应用，如逆变器、d类放大器和太阳能优化器，以及双向应用，如电池接口，在测试中观察到的缺点最小。
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图 1.典型的半桥构建块。平行板短路传输线（a）。采用低阻抗传输线作为功率回路结构的半桥布局，具有相应的尺寸（b）和相同的（c）边缘视图。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
将电源环路电感降至最低的 pcb 设计，由下式估算l圈 = µ0·无吨/瓦，之前已经讨论过 。图1（b、c、d）显示了电源环路的pcb实现。总之，pcb布局应尽量减少长度和厚度，同时增加宽度w。这可以通过图1（c）布局中使用的放置来实现，l和w由组件的物理尺寸决定，t由电压要求或pcb可制造性约束设置。
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图 2.电源环路布局的分解视图，其中参考节点和返回路径 （gnd） 以绿色突出显示（顶部）。与箭头表示的热流路径相同的俯视图（底部）。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
另一方面，考虑到升压转换器应用，其作用q1和q2反转，用q2具有较高的损耗，在这种情况下，布局 a 表现良好，因为q2具有较低的热阻。
优化降压转换器的布局
作为重新排列以热改进布局a以进行降压操作，c高频可以移动到侧面q2因为两者都连接到gnd（图2中的布局b）。这将需要使用第2层作为v高平面，它仍充当 ac 参考平面，并且尺寸 l、w 和 t 保持不变。热q1现在有一条通往环境的良好路径，因此布局b在降压操作下应该表现得更好，但在升压操作下表现更差，因为q2现在被阻碍c高频。
通过以电容器为中心的布局消除权衡
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热优势在于布局c增加了两者之间的间距，并为两者提供了畅通无阻的铜平面。q1 和q2.此外，相邻过孔的空间更大，返回平面穿孔更少，开关节点可以被具有潜在emi优势的直流平面屏蔽。
一些可能的缺点，在实践中并不重要，因为当使用单个封装栅极驱动ic时，间隔较远的fet可能需要更长的栅极驱动路径，并且在某些情况下，电容器可能比fet更高，而fet在安装散热器时必须容纳fet。
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为了测试上述设计方案，使用了硬开关转换器，因为它们易于设计和易于理解的行为。在降压和升压操作中比较了三种布局设计的热性能。设计和制造具有每个电源环路布局的相同电路板。电压v高选择在 150 v 时，这是用于q1 和q2.转换比率固定为v低/五高= 0.25，这意味着q1工作在占空比为 0.25 和q2在0.75。直流电感电流固定在il= 15 a，因为这接近电感的饱和值，而所选fet的适中值。因此，转换器在所有测试用例中处理562w。开关频率f西 南部= 选择100 khz以提供真实的fet功耗值。以上测试参数是所进行测试的基线。q1在降压模式下具有热过载，并且q2在提升模式下。
图 3.a） 损耗模拟结果，b） 开关节点电压 v西 南部用于降压转换器 q1打开过渡。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
电气仿真和测量
为了估计fet中的散热，在ltspice™中进行了电气仿真，其中包括估计的pcb寄生效应。对fet损耗进行了仿真，作为设定频率、占空比和温度的函数。结果如图3a所示。
测量开关性能以显示不同布局之间的电感差异。图3b所示的开关波形显示了接通q1在降压操作期间。可以看出，这三种布局在振铃方面显示出微小的差异，表明对寄生电感的影响很小。
散热测试设置
热测试在具有受控气流的强制风冷测试箱中进行。图4显示了测试连接和实验设置。对于热测量，在焊盘之间的pcb上钻一个200μm宽的孔，以提供光学热传感器（opsense® otg-f传感器）的访问。该传感器具有抗emi性能，并且具有极小的热质量。
图 4.a） 与主板和测试 pcb 的电气连接，用于散热测试。b） 光学传感器测量设置，显示光纤传感器的 pcb 钻孔。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
热仿真模型
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图 5.在升压下，布局c的测量（红外和光纤温度传感器）和模拟结果（表面温度）。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
与a和b相比，布局c在最佳操作模式（a在升压模式下，b在降压模式下）具有与a和b相似（5%以内）或更好的热性能，并且在次优操作模式下（a在降压模式下，b在升压模式下）比布局a和b有显着改进。图6显示了降压和升压操作的三种布局的测量q1和q2温度。结果表明，布局c在双向操作中没有热损失，而布局a在降压（温度提高10%）和b在升压（温度升高25%）时的热性能显着降低。使用散热器进行的其他测试也得出了类似的结论，由于布局c中更好的冷却效果和更大的q1和q2间距，温度较低［5］。
图 6.三种布局的测量结果和温升比较摘要。图片由博多的电力系统提供 ［pdf］
结论
三种布局 a （c高频 与 q1 相邻），b （c高频 邻近q2）和 c（介于q1和 q2）显示出可比的电气性能，在振铃频率上观察到的微小差异。实验支持这样的假设，即在典型设计条件下，布局a针对升压转换器操作进行了热优化，布局b针对降压操作进行了优化。布局 a 在降压操作下受到热挑战，布局 b 在升压操作下受到热挑战，如果不在最佳模式下运行，则会出现较大的热损失（高峰值温度）。
布局 c 提供大而无遮挡的铜平面和更大的间距q1 和q2布局c被证明在任何工作条件下都是热可行的，特别适用于各种应用，如逆变器、d类放大器和太阳能优化器，以及双向应用，如电池接口，在测试中观察到的缺点最小。
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不同的电源环路布局
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海尔智家、格力、美的实力对比，把家电科技产出摆出来
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