无基板DC/DC电源变换器-电子工程世界

分享到: 微博; QQ; 微信; LinkedIn

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。

[page]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
　　[page]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。

关键字：基板电磁干扰编辑：冰封引用地址：无基板DC/DC电源变换器

上一篇：源箝位零电压开关DC-DC变换器拓扑的研究
下一篇：利用具有LDO特性的DC/DC转换器满足下一代移动应用设计需求(上)

推荐阅读最新更新时间：2023-10-18 16:24

两岸4寸图案化蓝宝石基板供货吃紧将持续至第3季

LED元件要求的亮度提升、LED厂提高图案化蓝宝石基板采用量，2014年许多图案化蓝宝石基板厂计划大幅扩充产能，且因4寸需求量大，故厂商亦将新产线移转至4寸发展。在两岸图案化蓝宝石基板厂中，以台厂扩产动作最为积极，DIGITIMES Research统计，2014年第1季台湾图案化蓝宝石基板月均产能为219万片(以2寸计算)，至2014年第4季月均产能将增至427万片，且每季增加幅度达20%以上。若观察台湾图案化蓝宝石基板厂的产业集中度，2014年前两大厂锐捷及兆远比重达约50%，而前五大厂集中度由2014年第1季的75.3%，将增至第4季的81.3%，若进一步计算前10大业者的产业集中度，则由2014年第1季的95.6

[手机便携]

液晶面板新动向：玻璃基板大尺寸化止步

液晶面板以前是日本的“看家本事”，但最近，缩小生产及退出生产等景气不佳的话题却很多，液晶面板的相关报道也越来越少。最近的液晶面板技术及市场如何?笔者在《日经电子》编辑部向熟悉该领域的记者提出了一些基本问题。这次笔者仍打算像上回介绍系统LSI及LTE-Advanced(参阅本站报道)时那样，以前辈与后辈之间的问答形式为您解答。　　后辈：就像半导体制造工艺的微细化一样，液晶面板的玻璃基板也在逐年加大尺寸。现在，玻璃基板的大尺寸化发展到什么程度了? 　　前辈：半导体的微细化仍在不断推进，但玻璃基板的大尺寸化动向却止步了。量产设备方面，2009年前后实用化的第10代已经是最高了。而且，只有夏普一家工厂(大阪府堺市)拥有第10代量产线

[家用电子]

LED：成本多少决定于基板

由于LED的销量更不上成本的变化，这方面的市场得到了很大的约束，让这方面的市场遭遇了很沉重的打击，这是LED产业目前遭遇的最大瓶颈。也因此，针对改善LED成本问题的讨论，一直没有停过。对于LED成本的改善也在近期有专家提出改善LED成本与制程的产业新思维，LED被公认为21世纪“绿色照明”，具有“高节能”“寿命长”“多变幻”“利环保”“高新尖”等特点，LED通用照明成为最具市场潜力的行业热点。如果目前1/3的白炽灯被LED灯所取代，每年就可为国家节省用电1000亿度，相当于三峡工程一年的发电量。目前在LED制程中，蓝宝石基板虽然受到来自Si与GaN基板的挑战，但是考虑到成本与良率，蓝宝石在近两年内仍然具有优势，可以预见接下来

[电源管理]

可降解半导体基板问世：完美植入人体

长久以来人们都在幻想将芯片植入体内来实现一些特殊用途，比如生命数据检测、通信等等。现在，借助科学家发明的新材料，我们距离实现这种愿望又近了一步。斯坦福大学Zhenan Bao率领的科研小组于当地时间5月1日正式宣布，成功开发出可用于人体皮肤的可降解半导体基板。　　这种基板能够弯曲拉伸，不需要时便会分解为无毒无害的成分，十分适合于人体植入。　　据介绍，这种可降解基板使用了特殊的化学键聚合物，能够在一周时间内溶于弱酸环境当中，比如醋。　　另外，基板主要由铁和纤维素组成，对人体无害，且容易被降解。　　借助于该技术，科学家可以进一步制作出用于测量血压、血糖值、汗液分析的一次性贴片，或者是待技术成熟后推出可植入性装置。

[半导体设计/制造]

电源模块中DC-DC转换器低电磁干扰设计的折中方法

电源设计中即使是普通的直流到直流开关转换器的设计都会出现一系列问题，尤其在高功率电源设计中更是如此。除功能性考虑以外，工程师必须保证设计的鲁棒性，以符合成本目标要求以及热性能和空间限制，当然同时还要保证设计的进度。另外，出于产品规范和系统性能的考虑，电源产生的电磁干扰 (EMI)必须足够低。不过，电源的电磁干扰水平却是设计中最难精确预计的项目。有些人甚至认为这简直是不可能的，设计人员能做的最多就是在设计中进行充分考虑，尤其在布局时。尽管本文所讨论的原理适用于广泛的电源设计，但我们在此只关注直流到直流的转换器，因为它的应用相当广泛，几乎每一位硬件工程师都会接触到与它相关的工作，说不定什么时候就必须设

[电源管理]

<font color='red'>电源</font>模块中<font color='red'>DC</font>-<font color='red'>DC</font>转换器低<font color='red'>电磁干扰</font>设计的折中方法

Vishay推出采用氮化铝基板制造的新款小尺寸表面贴装精密薄膜片式电阻

器件功率等级达6W。宾夕法尼亚、MALVERN — 2014 年 8 月1 日 — 日前，Vishay Intertechnology, Inc.（NYSE 股市代号：VSH）宣布，推出新系列高功率表面贴装的精密薄膜片式电阻---PCAN系列器件。该系列器件采用氮化铝基板，功率等级为2W～6W，分别采用1206和2512小外形尺寸。今天发布的Vishay Dale薄膜电阻的氮化铝基板采用更大的背面端接，减少了上侧电阻层与最终用户的电路组装上焊点之间的热阻。这样，器件可处理的功率达到其他商用片式电阻的四倍，非常适合用在工业、电信、测试和测量、医疗、军工、航天设备与仪表的电源。 PCAN

[电源管理]

Vishay推出采用氮化铝<font color='red'>基板</font>制造的新款小尺寸表面贴装精密薄膜片式电阻

分析石墨代替铝基板散热的LED路灯解决方案

本方案包含 LED 恒流驱动电源，电路采用单串或并联方式连接，电源效率高达93%以上，功率因素90%以上，与其它方案比较该方案效率更高、成本更低。散热部分，本方案采用新型的导热材料取代传统的铝基板，大幅度提高产品的散热效果，降低光衰、确保 LED灯具更加稳定。同时本方案还提供灯具呼吸系统，保证灯具内外气体自由交换。光源部分我们能提供光效 60--100LM/W，色温：2800-7000K范围的全系列产品，产品广泛应用于路灯、隧道灯、射灯、筒灯、手电筒等。方案介绍：一、LED Driver：NXP、R ic htek、Infineon、Microchip A、 LE

[电源管理]

分析石墨代替铝<font color='red'>基板</font>散热的LED路灯解决方案

PLC控制系统的电磁干扰来源和抗干扰设计

随着工业设备自动化控制技术的发展，可编程控制器(PLC)在工业设备控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。本文详细介绍了影响PLC运行的干扰类型及来源，并提出抗干扰设计的实施策略。自动化系统所使用的各种类型PLC中，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 1. 电

[工业控制]

热门资源推荐
热门放大器推荐

小广播

热门活动

换一批

■TI 有奖直播 | 使用基于 Arm 的 AM6xA 处理器设计智能化楼宇

■Follow me第二季第3期来啦！与得捷一起解锁高性能开发板【EK-RA6M5】超能力！

■报名直播赢【双肩包、京东卡、水杯】| 高可靠性IGBT的新选择——安世半导体650V IGBT

■30套RV1106 Linux开发板（带摄像头），邀您动手挑战边缘AI~

Vishay线上图书馆

白皮书技术文章视频热门推荐