当前电子应用的趋势，特别是那些基于高功率设备的应用，是实现更小尺寸和更高密度的组件。由于引入了超结器件和宽带隙材料（如氮化镓），快速实现了更高的开关频率，从而减小了无源器件的体积。 除了平面电感器外，情况也是如此。由于其损耗与其体积成反比，因此其在高密度电源中的体积越来越大，浪费了宝贵的PCB面积。采用3D多PCB结构，可以将电源体积缩小到平面磁芯大小。多PCB布局还可以改善散热并降低寄生电感。 本文将重点介绍专为四开关降压升压 (FSBB) 转换器设计的多 PCB 结构，其中电源和控制 PCB 均位于平面电感器的表面，形成 3D 结构。这种布局减小了整体体积，提高了功率密度，并优化了功率回路，从而减少了杂散电感和电压过冲。（原始文章可以在这里找到 。） 传统的 FSBB 布局 由于其简单性和升压和降压的优异性能，FSBB 转换器被广泛用于电池充电应用。图 1所示的电路图 由降压级、升压级和共用电感器组成。
图 1：FSBB 转换器的电路图 采用四边形控制方式，可以实现所有功率开关的ZVS条件，允许开关频率高达1 MHz。如图 2所示 ，电感电流形成四边形，其中四个角电流用于实现零电压开关 (ZVS)（分别为 S2、S4、S1 和 S3）。这些波形是通过调节降压和升压级之间的相移获得的。ZVS 技术允许转换器激活“软开关”控制，消除通常在传统 PWM 和同步过程中产生的开关损耗。
图 2：软开关控制波形 FSBB 转换器的传统单 PCB 布局如图 3所示 。它包括四个 GaN 功率晶体管、两个栅极驱动器、一个平面电感器、一个辅助电源和一个 MCU，所有这些都分布在同一平面上。 多 PCB FSBB 布局 为了优化面积占用，元件可以排列在不同的 PCB 中，通过柔性印刷电路连接，如图 4所示 。
图 3：平面单 PCB FSBB 转换器的布局
图 4：3D 多 PCB 解决方案 传统平面布局的 3D 视图与建议的多 PCB 布局之间的比较如图 5所示 。第二种解决方案显着减小了整体尺寸，将功率密度从 90 W/in 提高了 3.8 倍。3 到 432 瓦/英寸。3.功率器件放置在最外侧以提高散热性，同时在控制板和平面电感之间插入绝缘屏蔽层，以防止漏磁通干扰逻辑控制器（MCU）。电源板和控制板之间的接地连接由铜箔构成或直接将两部分焊接在一起。
图 5：平面和多 PCB 布局的 3D 视图 采用多 PCB 设计带来的另一个好处是电源回路的总长度显着减少，从 249 毫米减少到 82 毫米（ 见图 6）。此外，采用新颖的解决方案，输入和输出端子更靠近电源开关。更短的功率回路意味着寄生电感的减少，从而减少由高频开关引起的电压过冲。
图 6：传统解决方案和建议解决方案之间的功率回路比较 实验结果 为了验证设计并评估相关的电气性能，已建立了建议的 3D 多 PCB FSBB 转换器的原型。如图 7所示，转换器原型 具有极其紧凑的尺寸 (26.7 × 25.0 × 15.9 mm)，功率密度达到 432 W/in。3、并提供以下技术规格： 输入电压 (VIN) 约 36 V 至 72 V 输出电压 (VO) = 48 V 最大输出电流 (IO) = 6 A 开关频率 (fS) = 1 MHz
图 7：建议的多 PCB 解决方案的转换器原型 准确的实验测试的执行使得可以获得不同输入电压值和不同负载条件下效率曲线的趋势，如图 8 中的曲线 图所示。如图所示，在 48V 输入 3A 负载下测得的峰值效率为 98.1%，而在标称输入电压下的满载效率为 97.0%。
图 8：建议的 FSBB 转换器的效率曲线 平面单 PCB 解决方案和建议的 3D 多 PCB 解决方案的电压过冲比较如图 9所示 。正如红色虚线区域所突出显示的那样，建议的解决方案可以将电压过冲的最大值从 37.5 V 降低到 4.2 V。由于其更短的电源回路和降低的电压过冲，建议的多 PCB 解决方案更适合高-频率切换。
图 9：单板和多 PCB 解决方案之间的电压过冲比较 结论 本文提出了一种用于高功率密度 FSBB 转换器的新型 3D 多 PCB 结构。相对于传统的平面单PCB解决方案，FSBB转换器的两个半桥放置在两块PCB上，对称排列在平面电感的左右两侧。带有 MCU 的控制板被放置在平面电感器的底层。功率级和控制级 PCB 都包裹在平面电感器周围，形成 3D 结构，类似于长方体的形式。 3D结构不仅大大缩小了整个系统的体积，消除了浪费的面积，而且大大提高了功率密度。采用 3D 结构带来的其他好处是更短的电源回路和小寄生电感，进而导致高频开关期间的电压过冲更小。使用 1-MHz 280-W FSBB 原型获得的实验结果证明了该设计的有效性，在 48-V 输入 3-A 负载下实现了 98.1% 的峰值效率，并且功率密度增加（相对于传统的单 PCB 设计）从 90 W/in.3 到 432 瓦/英寸。 |
