无基板DC/DC电源变换器

2012-02-14 来源：电源在线网

1 引言

　　传统的隔离DC/DC变换器的转换效率偏低，需要采取散热措施来防止器件过热。其结构中一般包括一块金属基板，以固定散热器并将内部原件产生的热量传导到散热器上。金属基板也带来了一些问题：一是增加器件成本、高度和重量；二是结构存在若干容易失效的机械和导热连接层；三是加重了共模噪声污染。
　　电路系统设计目前更多地采用分布式供电架构，通过靠近负载的DC/DC变换器提供更低的电压和更大的电流。由于对电路板空间的要求越来越严，需要降低电源模块的发热率，以取消占很大空间的散热装置。美国SynQor公司采用了一种新型设计，取消了电源基板，本文将对这一新型电源技术作一个简要介绍。

2 传统带基板变换器的结构原理

　　传统DC/DC变换器产品都带有一个与功率电路（如晶体管、整流器和变压器）有着紧密导热接触的基板（大多是金属板）。典型的变换器中，基板覆盖有一薄层绝缘材料，其上制作功率电路的单层铜连接图形。功率元件焊接在该导线层上，实现电连接和透过薄绝缘层到基板的散热。
　　由于只利用了衬底的一个面，难以容纳下变换器的所有元件，于是大多数转换器要另外采用一块印制电路板来摆放控制电路。控制电路叠放在金属板衬底上方。全部引脚，包括电源输入、输出，仅通过焊接的方法固定，此外没有其他到功率电路衬底的引脚固定结构。为了让控制电路板散发的少量热量也能传导到基板上，在两者之间还要灌注一些特殊导热材料。
　　DC/DC变换器的多层结构使总厚度难以控制在0.5＂（约12.7mm）以内。为降低厚度，控制电路板在大尺寸的功率器件（如变压器）上方的部分往往被挖去，另外也可以对基板有高元件的区域进行减薄。
　　随着电源技术的发展，这类结构高度有了稍许改进。一些被知名人士为“开放框架”式的变换器不再使用灌注材料，其结构允许少量气流通过整个变换器。另一些则是让发热元件的封装直接与金属板紧密接触，而通过另一块印制电路板实现电气连接。还有一些设计是将整个变换器制作在一块印制电路板上，再向电路板上附加一块金属基板并让基板与功率元件间有良好的热接触。

3 “开放电路板”式DC/DC变换器技术

　　时下最新的DC/DC变换器以同步整流器取代了原先使用的肖特基二极管，能在3.3V输出时实现90%以上的效率。由于效率大大提高，其发热量不到肖特基二极管的变换器（效率只有80%）的1/2，因此没有必要添加散热片和固定散热片所用的基板，采用开放电路板结构就成为可能。SynQor公司的电源变换器就是这一新型设计的范例。
　　这种电源变换器只需要单块印制电路板（PCB）衬底，衬底可用通常的印制电路板制作，但要加大铜导电层厚度，以满足载流要求。所有的功率和控制元件用标准的表面贴装工艺安装到电路板的两面。带磁芯变压器和电感的绕组也制作在PCB板上。铁氧体芯则插入孔中部分的截面为多边形，为焊料沿引脚流下提供了一条通路，这样在引脚和电路板过孔间实现了良好的电的和机械连接。引脚底端突缘，以保证变换器元件离下方的负载电路板至少40mil（约1mm），而所占用的变换器衬底和负载电路板面积却很小。整个变换器高度仅0.4＂（约1cm），其中只有几个元件达到了这一高度，而其余大部分元件的高度较低。

4 无基板的开放电路板式结构的优点

4.1 结构简单、可靠性较高、器件高度降低、降低了重量、使用更方便

　　由于简化了结构制造工艺也可以大大简化。目前该变换器在表面贴装生产线上即可基本完成组装，磁芯安装也可以通过一项半自动化的工艺完成。由于消除了基板和相应的机械与热连接、不同衬底间的灌注材料等，同时改善了引脚的固定方式，这些易失效结构的可靠性就可避免或减少。此外还可以减少生产过程造成的失效，并方便对产品质量的检验。而器件高度的降低可以使电路系统机柜的结构更为紧凑。新型变换器重量的减轻还可望大大减少负载电路板的总重量，降低运输过程或工作环境中机械振动与冲击造成电路板损伤的可能性。而其使用上的方便则是显而易见的。

4.2 共模电磁干扰（EMI）减少，冷却气流可以更好地流通

　　一个带隔离的DC/DC变换器会因为隔离器两端电路间的耦合作用。考虑带基板变换器输入端电路中的一个功率MOSFET晶体管，该晶体管开关时，源漏电压在100V和近0V之间来回快速切换。每次切换都会伴随一次20~50MHz的寄生“振铃”。该晶体管的漏极与自身的金属封装管帽有热的和电的接触。管帽以通过一薄层电绝缘材料与基板实现导热连接，这样晶体管散发的热量可以传导到基板处，而基板还可以和机箱地线相连。尽管晶体漏极并不直接与基板相连，但通过薄绝缘层与之有紧密的电容耦合。采用金属板衬底时，薄绝缘层可能只有10~15μm厚，所以等效的电容值较大（如可达300pF）。图1示出了基板附近的这种耦合关系。

图1 传统变换器中机板引入的耦合
　　与金属板间的电容耦合为从变换器输入地到输出地的共模干扰电流提供了通路。相对于输入端地的差分晶体管漏极电压施加到寄生电容的一端。电容的另一端与基板连接，而基板往往又接到输出端的地线上。这样就形成了一个共模电路，晶体管的漏极是驱动源，寄生电容则可看作是一个串连阻抗。
　　共模电流的大小取决于输出端地线反馈耦合到输入端地线（一般通过一个EMI过滤器）时整个共模回路的阻抗分布。不过漏极到基板的寄生电容很大，故一般对共模电流的大小不起决定作用。
　　对取消基板的开放电路板式结构来说，虽然输入端的晶体管漏极电压仍存在大幅度的快速切换，但由于取消了基板，且漏极节点离任何输出端电路的距离一般达数cm，因此到输出端地线的电容耦合很弱。若采用同样的EMI滤波器，电路中的共模电流要小得多。这种新型变换器所需的共模滤波电路也较少，一般来说采用单级共模扼流圈所能保证的EMI水平与传统变换器采用两级扼流圈时所能保证的水平相当。

5 结语

　　开放电路板式DC/DC变换器结构取消了传统变换器离不开的基板等一些组件和材料。这一进步带来了结构简化、可靠性提高、使用方便等一系列优点，而且无需增加成本，是一个革命性的新设计。

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DC/DC电源变换器基板电磁干扰

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