Synqor無基板DC/DC電源變換器解決方案

    摘要：本文介紹了美國SynQor公司的一種新型電源技術，即無基板電源變換器,并與傳統帶基板電源變換器相比較，詳細介紹了它的優點。

　　傳統的隔離DC/DC變換器的轉換效率偏低，需要采取散熱措施來防止器件過熱。其結構中一般包括一塊金屬基板，以固定散熱器并將內部原件產生的熱量傳導到散熱器上。金屬基板也帶來了一些問題：一是增加器件成本、高度和重量;二是結構存在若干容易失效的機械和導熱連接層;三是加重了共模噪聲污染。

　　電路系統設計目前更多地采用分布式供電架構，通過靠近負載的DC/DC變換器提供更低的電壓和更大的電流。由于對電路板空間的要求越來越嚴，需要降低電源模塊的發熱率，以取消占很大空間的散熱裝置。美國SynQor公司采用了一種新型設計，取消了電源基板，本文將對這一新型電源技術作一個簡要介紹。 信息來源:http://www.tede.cn

　　2 傳統帶基板變換器的結構原理

　　傳統DC/DC變換器產品都帶有一個與功率電路(如晶體管、整流器和變壓器)有著緊密導熱接觸的基板(大多是金屬板)。典型的變換器中，基板覆蓋有一薄層絕緣材料，其上制作功率電路的單層銅連接圖形。功率元件焊接在該導線層上，實現電連接和透過薄絕緣層到基板的散熱。

　　由于只利用了襯底的一個面，難以容納下變換器的所有元件，于是大多數轉換器要另外采用一塊印制電路板來擺放控制電路。控制電路疊放在金屬板襯底上方。全部引腳，包括電源輸入、輸出，僅通過焊接的方法固定，此外沒有其他到功率電路襯底的引腳固定結構。為了讓控制電路板散發的少量熱量也能傳導到基板上，在兩者之間還要灌注一些特殊導熱材料。 信息來源:http://tede.cn

　　DC/DC變換器的多層結構使總厚度難以控制在0.5"(約12.7mm)以內。為降低厚度，控制電路板在大尺寸的功率器件(如變壓器)上方的部分往往被挖去，另外也可以對基板有高元件的區域進行減薄。

　　隨著電源技術的發展，這類結構高度有了稍許改進。一些被知名人士為“開放框架”式的變換器不再使用灌注材料，其結構允許少量氣流通過整個變換器。另一些則是讓發熱元件的封裝直接與金屬板緊密接觸，而通過另一塊印制電路板實現電氣連接。還有一些設計是將整個變換器制作在一塊印制電路板上，再向電路板上附加一塊金屬基板并讓基板與功率元件間有良好的熱接觸。

　　時下最新的DC/DC變換器以同步整流器取代了原先使用的肖特基二極管，能在3.3V輸出時實現90%以上的效率。由于效率大大提高，其發熱量不到肖特基二極管的變換器(效率只有80%)的1/2，因此沒有必要添加散熱片和固定散熱片所用的基板，采用開放電路板結構就成為可能。SynQor公司的電源變換器就是這一新型設計的范例。 信息來源:http://www.tede.cn

　　這種電源變換器只需要單塊印制電路板(PCB)襯底，襯底可用通常的印制電路板制作，但要加大銅導電層厚度，以滿足載流要求。所有的功率和控制元件用標準的表面貼裝工藝安裝到電路板的兩面。帶磁芯變壓器和電感的繞組也制作在PCB板上。鐵氧體芯則插入孔中部分的截面為多邊形，為焊料沿引腳流下提供了一條通路，這樣在引腳和電路板過孔間實現了良好的電的和機械連接。引腳底端突緣，以保證變換器元件離下方的負載電路板至少40mil(約1mm)，而所占用的變換器襯底和負載電路板面積卻很小。整個變換器高度僅0.4"(約1cm)，其中只有幾個元件達到了這一高度，而其余大部分元件的高度較低。 信息來自:www.tede.cn

　　4 無基板的開放電路板式結構的優點 信息來自:輸配電設備網

　　4.1 結構簡單、可靠性較高、器件高度降低、降低了重量、使用更方便

由于簡化了結構制造工藝也可以大大簡化。目前該變換器在表面貼裝生產線上即可基本完成組裝，磁芯安裝也可以通過一項半自動化的工藝完成。由于消除了基板和相應的機械與熱連接、不同襯底間的灌注材料等，同時改善了引腳的固定方式，這些易失效結構的可靠性就可避免或減少。此外還可以減少生產過程造成的失效，并方便對產品質量的檢驗。而器件高度的降低可以使電路系統機柜的結構更為緊湊。新型變換器重量的減輕還可望大大減少負載電路板的總重量，降低運輸過程或工作環境中機械振動與沖擊造成電路板損傷的可能性。而其使用上的方便則是顯而易見的。 信息來自:輸配電設備網

　　4.2 共模電磁干擾(EMI)減少，冷卻氣流可以更好地流通 信息請登陸:輸配電設備網

　　一個帶隔離的DC/DC變換器會因為隔離器兩端電路間的耦合作用。考慮帶基板變換器輸入端電路中的一個功率MOSFET晶體管，該晶體管開關時，源漏電壓在100V和近0V之間來回快速切換。每次切換都會伴隨一次20~50MHz的寄生“振鈴”。該晶體管的漏極與自身的金屬封裝管帽有熱的和電的接觸。管帽以通過一薄層電絕緣材料與基板實現導熱連接，這樣晶體管散發的熱量可以傳導到基板處，而基板還可以和機箱地線相連。盡管晶體漏極并不直接與基板相連，但通過薄絕緣層與之有緊密的電容耦合。采用金屬板襯底時，薄絕緣層可能只有10~15μm厚，所以等效的電容值較大(如可達300pF)。圖1示出了基板附近的這種耦合關系。■