當前電子應用的趨勢，尤其是那些基于大功率設備的應用，是實現(xiàn)越來越小的尺寸和越來越高的組件密度。由于引入了超結器件和寬帶隙材料(如氮化鎵)，迅速實現(xiàn)了更高的開關頻率，從而減小了無源器件的體積。

除平面電感器外，情況都是如此。由于它的損耗與它的體積成反比，它在高密度電源中的體積越來越大，浪費了PCB上寶貴的面積。通過采用3D多PCB結構，電源的體積可以減小，直到達到平面磁芯的尺寸。多PCB布局還可以改善散熱并降低寄生電感。

本文將重點介紹一種專為四開關降壓升壓 (FSBB) 轉換器設計的多 PCB 結構，其中電源和控制 PCB 均位于平面電感器表面，形成 3D 結構。這種布局減小了整體體積，提高了功率密度，優(yōu)化了電源環(huán)路，從而減少了雜散電感和電壓過沖。

傳統(tǒng)的FSBB布局

由于其簡單性以及升壓和降壓的出色性能，F(xiàn)SBB 轉換器被廣泛用于電池充電應用。電路圖 由降壓級、升壓級和共享電感器組成。

通過采用四邊形控制方法，可以實現(xiàn)所有功率開關的 ZVS 條件，允許開關頻率高達 1 MHz。如圖 2所示 ，電感電流被整形為四邊形，其中四個角電流用于實現(xiàn)零電壓開關 (ZVS)(分別為 S2、S4、S1 和 S3)。這些波形是通過調(diào)節(jié)降壓級和升壓級之間的相移獲得的。ZVS 技術允許轉換器激活“軟開關”控制，消除傳統(tǒng) PWM 和同步期間通常產(chǎn)生的開關損耗。

FSBB 轉換器的傳統(tǒng)單 PCB 布局 。它包括四個 GaN 功率晶體管、兩個柵極驅(qū)動器、一個平面電感、一個輔助電源和一個 MCU，所有這些都分布在同一平面上。

多PCB FSBB布局

為了優(yōu)化面積占用，組件可以排列在不同的 PCB 中，通過柔性印刷電路連接。

傳統(tǒng)平面布局的 3D 視圖與建議的多 PCB 布局之間的比較 如圖 5所示。第二種解決方案大大減小了整體尺寸，將功率密度從 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側以改善散熱，同時在控制板和平面電感之間插入絕緣屏蔽層，以防止漏磁通干擾邏輯控制器(MCU)。電源板和控制板之間的接地連接由銅箔制成或直接將兩部分焊接在一起。

采用多 PCB 設計的另一個好處是電源回路的總長度顯著減少，從 249 毫米減少到 82 毫米。此外，采用新穎的解決方案，輸入和輸出端子更靠近電源開關。更短的功率回路意味著寄生電感的減少，從而減少了高頻開關引起的電壓過沖。

實驗結果

為了驗證設計并評估相關的電氣性能，已經(jīng)建立了所提出的 3D 多 PCB FSBB 轉換器的原型。轉換器原型 具有極其緊湊的占位面積 (26.7 × 25.0 × 15.9 mm)，功率密度達到 432 W/in。3、并提供以下技術規(guī)格：

· 輸入電壓 (V IN ) 約為 36 V 至 72 V

· 輸出電壓 (VO ) = 48 V

· 最大輸出電流 (I O ) = 6 A

· 開關頻率 (f S ) = 1 MHz

準確的實驗測試的執(zhí)行使得獲得不同輸入電壓值和不同負載條件下的效率曲線趨勢成為可能。如圖所示，在 48V 輸入 3A 負載下測得的峰值效率為 98.1%，而在標稱輸入電壓下的滿載效率為 97.0%。

顯示了平面單 PCB 解決方案與建議的 3D 多 PCB 解決方案的電壓過沖比較 。如紅色虛線區(qū)域所示，所提出的解決方案可以將電壓過沖的最大值從 37.5 V 降低到 4.2 V。由于其更短的電源回路和降低的電壓過沖，所提出的多 PCB 解決方案更適合高-頻率切換。

結論

本文提出了一種用于高功率密度 FSBB 轉換器的新型 3D 多 PCB 結構。相對于傳統(tǒng)的平面單PCB方案，F(xiàn)SBB轉換器的兩個半橋放置在兩塊PCB上，左右對稱排列在平面電感的左右兩側。帶 MCU 的控制板改為放置在平面電感的底層。功率級和控制級 PCB 都纏繞在平面電感器周圍，形成類似于長方體形式的 3D 結構。

3D結構不僅大大減小了整個系統(tǒng)的體積，消除了浪費的面積，而且還大大提高了功率密度。采用 3D 結構帶來的其他好處是更短的電源回路和更小的寄生電感，這反過來又會導致高頻開關期間的電壓過沖更小。使用 1MHz 280W FSBB 原型獲得的實驗結果證明了該設計的有效性，在 48V 輸入 3A 負載和功率密度增加時達到了 98.1% 的峰值效率(相對于傳統(tǒng)單 PCB 設計)從 90 W/in. 3 至 432 瓦/英寸。