半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器電路圖 半橋DC-DC電路介紹及PCB布局注意點(diǎn)

今天給大家分享的是：半橋DC-DC電路介紹及PCB布局注意點(diǎn)。

一、半橋拓?fù)?/p>

應(yīng)用于DC-DC 轉(zhuǎn)換器的半橋拓?fù)涫褂?個(gè)晶體管來(lái)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，用來(lái)向負(fù)載提供電流脈沖。除了使用電容進(jìn)行整流和平滑外，DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)溥€可以提供平滑至標(biāo)稱(chēng)直流功率值的脈沖。

此拓?fù)淇梢愿綦x，其中輸出功率通過(guò)變壓器或光耦合器結(jié)合。隔離可以在柵極驅(qū)動(dòng)器電路內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。非隔離拓?fù)湟部赡苁褂米儔浩?a href="http://srfitnesspt.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合來(lái)升高或降低輸出電壓，但是出于安全目的，這些拓?fù)湟暂^低的輸出電流運(yùn)行。

二、半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器

下圖顯示了一些半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器示例：右邊電路使用光耦合器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)帶到輸出端。左邊的電路可以使用芯片內(nèi)置的光耦合器，或者在次級(jí)側(cè)帶有驅(qū)動(dòng)電路的小型變壓器。

這些拓?fù)渲械娜魏我环N都可以通過(guò)在耦合元件上分開(kāi)接地來(lái)簡(jiǎn)單地隔離。如果不需要，也可以完全移除耦合元件，但是這個(gè)通常只適用于較低的電壓/電流和較慢的開(kāi)關(guān)邊沿效率。

半橋直流-直流轉(zhuǎn)換器中的兩個(gè)示例驅(qū)動(dòng)級(jí)

這里要注意，驅(qū)動(dòng)級(jí)可以與工作在邏輯電平的光隔離器耦合，需要在輸出側(cè)使用高電源來(lái)提高功率輸出，并且可能用于電機(jī)控制。

三、半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器常用組件

半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器電路有幾個(gè)常見(jiàn)的元件出現(xiàn)在系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、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(qū)動(dòng)器信號(hào)，在這種情況下，驅(qū)動(dòng)器電路將位于變壓器的初級(jí)側(cè)，并且出于隔離和用戶(hù)安全的需要，將在變壓器上分離地平面。

2、二極管

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路/FET 放置在輸入側(cè)時(shí)，整流元件通常位于輸出側(cè)，反之亦然。這些將強(qiáng)制輸出電流始終沿相同方向流動(dòng)，而不管輸入電流方向如何。

3、驅(qū)動(dòng)器和反饋級(jí)

對(duì)于較低電流系統(tǒng)，可以找到一種將隔離和驅(qū)動(dòng)功能集成到一個(gè)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(jí)，該級(jí)將功率驅(qū)動(dòng)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(nèi)部隔離，因?yàn)檫@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(tǒng)將始終使用驅(qū)動(dòng)器電路，如上圖所示，許多高度集成的組件包括反饋檢測(cè)輸入，將用于內(nèi)部控制回路以補(bǔ)償輸出功率的變化。根據(jù)輸出電流值，電流檢測(cè)器可用于讀取輸出功率并向驅(qū)動(dòng)器的反饋檢測(cè)引腳提供縮放輸出。然后驅(qū)動(dòng)器可以自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)以維持調(diào)節(jié)。通常在此應(yīng)用中調(diào)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(shí)施，然后控制 PWM 驅(qū)動(dòng)器或振蕩器電路的頻率和/或占空比。

4、開(kāi)關(guān)元件

通常是在驅(qū)動(dòng)級(jí)使用哪種類(lèi)型的晶體管，特別是考慮到SiC 和 GaN 等先進(jìn)材料的可用性。

主要還是取決于驅(qū)動(dòng)級(jí)提供的電壓。當(dāng)FET 直接放置在輸出電流回路中時(shí)，這些系統(tǒng)的輸出電壓可能會(huì)非常大，尤其是在升壓所需電壓的變壓器耦合系統(tǒng)中。這些更先進(jìn)的材料在散熱和熱管理方面提供了其他優(yōu)勢(shì)。下表總結(jié)了何時(shí)應(yīng)根據(jù) Vgs 值和額定電壓使用不同的半導(dǎo)體。請(qǐng)注意，其中一些可以在邏輯級(jí)別深入切換到 ON 狀態(tài)。

四、半橋 DC-DC 轉(zhuǎn)換器框圖示例

下圖顯示了具有標(biāo)準(zhǔn)電源輸入 (85-265 V AC) 的系統(tǒng)的示例半橋 DC-DC 轉(zhuǎn)換器框圖。為了安全起見(jiàn)，該系統(tǒng)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(lèi)型的設(shè)計(jì)可用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓電平（例如，24 V DC、48 V DC）。這種類(lèi)型的系統(tǒng)將用于服務(wù)器電源、電器和工業(yè)電源等。

半橋 DC-DC 轉(zhuǎn)換器框圖

帶反饋的半橋驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。這只是上面顯示的標(biāo)準(zhǔn)半橋驅(qū)動(dòng)器拓?fù)涞臄U(kuò)展，但帶有一個(gè)反饋環(huán)路，該反饋環(huán)路由電流檢測(cè)放大器 (CSA)、光耦合器和 PWM 發(fā)生器上的檢測(cè)輸入實(shí)現(xiàn)。變壓器可以根據(jù)負(fù)載要求升高或降低電壓，電感和電容（L 電路）執(zhí)行與在較低電流下運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器相同的功能。下面的示例在電壓模式下實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。

DC-DC轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)部分

DC-DC轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)部分，可以用作電源中的穩(wěn)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(zhuǎn)換器電路示例

下面顯示了一些示例半橋隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。要注意耦合元件可以將柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或電源耦合到輸出。

半橋隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器示例

這里沒(méi)有對(duì)驅(qū)動(dòng)電路反饋是為了防止上面的圖像變得混亂，你可以用一個(gè)通過(guò)電流檢測(cè)電阻和電流檢測(cè)放大器的反饋回路。一些高度集成的驅(qū)動(dòng)器組件將內(nèi)置此功能，因?yàn)榭膳渲眯圆桓?，意味著?qū)動(dòng)特定的FET以向負(fù)載提供特定的電壓電平。在驅(qū)動(dòng)級(jí)位于輸入側(cè)的任何電路中，都需要光耦合來(lái)跨越間隙。

1、電源或柵極驅(qū)動(dòng)耦合

這些示例實(shí)現(xiàn)了兩種類(lèi)型的耦合：電源耦合和柵極驅(qū)動(dòng)耦合。只有左上角的實(shí)現(xiàn)將功率直接耦合到輸出，因此它將用于向負(fù)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(lèi)型的系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載要求以升壓或降壓模式使用。這種類(lèi)型的系統(tǒng)通常作為獨(dú)立的電路板實(shí)施，例如在專(zhuān)用 PSU 中。

上面顯示的所有其他方法都會(huì)耦合柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或柵極使能信號(hào)。在耦合柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的情況下，假設(shè)柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路。除非超過(guò)額定功率，否則不需要放置在單獨(dú)的組件中。

2、實(shí)施隔離

當(dāng)輸出電流非常高時(shí)，將需要隔離。這些電路在如何根據(jù)組件實(shí)現(xiàn)隔離方面各不相同。在 PCB 布局方面，實(shí)現(xiàn)隔離很簡(jiǎn)單；您只需將地平面分成系統(tǒng)輸入端和輸出端之間的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這會(huì)在系統(tǒng)的每一側(cè)（輸入/輸出或初級(jí)/次級(jí)）創(chuàng)建兩組不同的電流環(huán)路。

3、柵極驅(qū)動(dòng)耦合

在柵極驅(qū)動(dòng)耦合電路中，隔離通過(guò)三種可能的方式實(shí)現(xiàn)：使用光耦合器、變壓器或在柵極驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部使用結(jié)隔離。應(yīng)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(qū)動(dòng)信號(hào)，電壓/電流較低，則光耦合器或隔離結(jié)將是合適的。光耦合器可用于僅耦合開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)器組件的使能信號(hào)（上例左下方），或者 PWM 信號(hào)可使用光耦合器或小型變壓器跨隔離間隙耦合（右側(cè)的兩個(gè)電路） 。

帶光耦合的半橋隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

在上述所有三種具有柵極驅(qū)動(dòng)耦合的情況下，DC-DC 轉(zhuǎn)換器的功能是有效地調(diào)制來(lái)自輸出側(cè)電源的功率傳輸。上述情況下的“負(fù)載”將是降壓/升壓轉(zhuǎn)換器中的標(biāo)準(zhǔn)整流級(jí)，或者可能是帶有附加變壓器的反激式轉(zhuǎn)換器。然后，這將采用脈動(dòng)輸出并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)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(jí)側(cè)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(xiàn)圈之間。下面顯示了此實(shí)現(xiàn)的示例，其中電源完全由 V_IN 網(wǎng)絡(luò)提供。這里就可以解釋初級(jí)側(cè)半橋驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)通常會(huì)出現(xiàn)在隔離電源設(shè)計(jì)中。

在變壓器耦合半橋隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)隔離

GND 網(wǎng)絡(luò)還需要與安全電容（例如 Y 型電容）連接在一起。電容應(yīng)放置在轉(zhuǎn)換器兩個(gè)部分之間的接地間隙上，并且其電容應(yīng)超過(guò)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(huì)太大，因?yàn)槿绻脩?hù)與輸出側(cè)的接地端子相互作用，這會(huì)對(duì)用戶(hù)造成輕度電擊。

六、半橋 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 PCB 布局

在布局之前，確保已經(jīng)規(guī)劃了疊層，主要設(shè)計(jì)以下設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

1、材料選擇

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

2、PCB 疊層

保持低電感和防止寄生電容過(guò)大將取決于接地相對(duì)于系統(tǒng)中電源軌的位置。電路中特定節(jié)點(diǎn)的環(huán)路電感可以通過(guò)附近的接地來(lái)控制。因此，帶接地層的 4 層電路板是疊層設(shè)計(jì)的最佳起點(diǎn)。

按照這些要點(diǎn)，可以為半橋 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)規(guī)劃 PCB 布局。PCB 布局的每一級(jí)都應(yīng)像任何其他電源布局一樣進(jìn)行布局和布線(xiàn)，以幫助降低噪聲。在半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)需要隔離的情況下，必須在與元器件和信號(hào)相鄰的層中使用地平面區(qū)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(qū)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(zhuǎn)換器的粗略布局

關(guān)于橋接接地區(qū)域的電容的注意事項(xiàng)：確保這是一個(gè)安全電容（通常是 Y 型），其電容高于變壓器繞組間電容?？纱_保 EMI（ESD 事件）穿過(guò)電容而不穿過(guò)變壓器間隙。還要注意漏電流，這可能是 mA 量級(jí)，如果用戶(hù)與輸出側(cè)的接地端子交互，可能會(huì)產(chǎn)生電擊。

關(guān)于高功率輸出系統(tǒng)中的布線(xiàn)，通常在輸出側(cè)使用導(dǎo)軌來(lái)布線(xiàn)到連接器中。這假設(shè)轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的模塊，我們已經(jīng)為服務(wù)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(shí)現(xiàn)的負(fù)載，我們已經(jīng)為高功率電機(jī)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(shè)計(jì)的電流輸出。在我看來(lái)，軌道是首選，在負(fù)載的低側(cè)有一排過(guò)孔，以連接回次級(jí)/輸出側(cè)接地層。

系統(tǒng)中的噪聲本身就是不好的，但在主要組件/信號(hào)層附近使用地平面將大大有助于減少輻射發(fā)射和耦合。傳導(dǎo) EMI 濾波（common-mde）在輸入端最有效，因?yàn)檫@有助于抑制通過(guò)設(shè)備機(jī)箱電容耦合的共模環(huán)路，但這些也應(yīng)用于高電流系統(tǒng)的輸出端，以幫助防止共模浪涌。

直接轉(zhuǎn)載來(lái)源：今日頭條百芯EMA說(shuō)DFM。

　　審核編輯：湯梓紅