半桥DC-DC转换器PCB设计要点与电路实例

浪浪沙

　　半桥驱动器

　　一、半桥拓扑

　　应用于DC-DC 转换器的半桥拓扑使用2个晶体管来启动开关动作，用来向负载提供电流脉冲。除了使用电容进行整流和平滑外，DC-DC转换器拓扑还可以提供平滑至标称直流功率值的脉冲。

　　此拓扑可以隔离，其中输出功率通过变压器或光耦合器结合。隔离可以在栅极驱动器电路内部实现。非隔离拓扑也可能使用变压器耦合来升高或降低输出电压，但是出于安全目的，这些拓扑以较低的输出电流运行。

　　二、半桥DC-DC转换器

　　下图显示了一些半桥DC-DC转换器示例：右边电路使用光耦合器将驱动信号带到输出端。左边的电路可以使用芯片内置的光耦合器，或者在次级侧带有驱动电路的小型变压器。

　　这些拓扑中的任何一种都可以通过在耦合元件上分开接地来简单地隔离。如果不需要，也可以完全移除耦合元件，但是这个通常只适用于较低的电压/电流和较慢的开关边沿效率。

　　半桥直流-直流转换器中的两个示例驱动级

　　这里要注意，驱动级可以与工作在逻辑电平的光隔离器耦合，需要在输出侧使用高电源来提高功率输出，并且可能用于电机控制。

　　三、半桥DC-DC转换器常用组件

　　半桥DC-DC转换器电路有几个常见的元件出现在系统中，实现驱动、整流、滤波、EMI降低和控制：

　　1、耦合元件

　　变压器耦合允许高电压或高电流输出，因此功率将耦合到输出而不是驱动器信号，在这种情况下，驱动器电路将位于变压器的初级侧，并且出于隔离和用户安全的需要，将在变压器上分离地平面。

　　2、二极管

　　当驱动电路/FET 放置在输入侧时，整流元件通常位于输出侧，反之亦然。这些将强制输出电流始终沿相同方向流动，而不管输入电流方向如何。

　　3、驱动器和反馈级

　　对于较低电流系统，可以找到一种将隔离和驱动功能集成到一个组件中的IC，在大约几安培或者更小的低电流下，还可能包括FET级，该级将功率驱动到输出端的滤波/平滑电路。这些组件通常使用光耦合器在内部隔离，因为这样可以保持非常小的占用空间，所需的外部元件可能包括二极管、电容和电感，这些都有助于减少输出上的纹波。

　　更高电流的系统将始终使用驱动器电路，如上图所示，许多高度集成的组件包括反馈检测输入，将用于内部控制回路以补偿输出功率的变化。根据输出电流值，电流检测器可用于读取输出功率并向驱动器的反馈检测引脚提供缩放输出。然后驱动器可以自动调节PWM信号以维持调节。通常在此应用中调整占空比。如果要使用完全自定义的控制方法，可能需要在 MCU 或小型 FPGA 中实施，然后控制 PWM 驱动器或振荡器电路的频率和/或占空比。

　　4、开关元件

　　通常是在驱动级使用哪种类型的晶体管，特别是考虑到SiC 和 GaN 等先进材料的可用性。

　　主要还是取决于驱动级提供的电压。当FET 直接放置在输出电流回路中时，这些系统的输出电压可能会非常大，尤其是在升压所需电压的变压器耦合系统中。这些更先进的材料在散热和热管理方面提供了其他优势。下表总结了何时应根据 Vgs 值和额定电压使用不同的半导体。请注意，其中一些可以在逻辑级别深入切换到 ON 状态。