采用GaN的多相MHZ转换器

氮化镓 (GaN)器件可实现航空航天、交通运输和医疗应用所需的高频、高密度电源。在布置印刷电路板 (PCB)时必须考虑某些设计规则和组件。例如，多层布局和带有铜孔的走线将减少传导路径长度并因此最大限度地减少寄生元件。将电流传感器插入 PCB 始终是一项挑战。大多数电流传感器都需要进出传感器模块的分离迹线。还应添加某些电路板区域，以消散电流通过分离迹线进入传感器所产生的热量。非接触式电流传感器最大限度地缩短了走线长度，并且除了转换器工作温度之外不需要额外的热因素。但是，仍然需要某些设计规则来实现准确的测量。本文介绍了影响由 Tell-i Technologies 开发的非侵入式非接触式电流传感器测量的三种设计。该转换器是两相 DC/DC GaN 转换器，具有 120-VDC 输入，工作频率为 6.7 MHz。120 VDC 是国际空间站 (ISS) 二次电源系统中的标准电压水平。

多相兆赫转换器SDK

利用 GaN MOSFET 的高功率密度和超快开关，Tell-i 新开发的 SDK 板使用两相来超过正常的开关速度。多相配置支持标准 120-V 总线电压，用于 ISS 等系统，允许交错转换器在 3 MHz、5 MHz 和出色的 6.87 MHz 下实现有效切换。

图 1：多相多兆赫板布局（尺寸：2.94 × 2.61 英寸）

图 2：EPC 推荐的高频开关最佳功率环路配置

电感电流测量对于确定流经转换器的平均电流很重要。由于转换器的优化，Tell-i 的 DS10.2m 电流传感器非常适合用于超快速（带宽 DC = 10 MHz）、非接触式和隔离输出。在 120 V、6.78 MHz 下运行的多相兆赫板的结果如下所示。

图 3：降压转换器配置中的多相多兆赫板的结果（以有效 6.78-MHz 开关频率工作）

DS10.2m 电流传感器（蓝色）在交错式转换器产生的 6.78MHz 频率下跟随电感电流基准测量（粉红色）。为了正确测量电流，由于使用磁阻技术，电流传感器必须遵循严格的布局考虑以正确检测电流。测试了三种不同的布局，以验证使用电流传感器布局的重要性。更改围绕 DS10.2m 的有效区域进行。

布局考虑

仅关注电流传感器周围的区域，这三种布局是布局放置不当和正确的示例。间隙被指定为传感器周围的有效区域，只有载流迹线。有效区域指定为电流迹线和电流传感器周围的区域。图 4 详细说明了通过 PCB 布局的可能电流路径。红色箭头表示正/正向电流，蓝色箭头表示负/返回电流，灰色箭头表示磁场方向。

布局 A 在有效区域上不包含任何间隙。虽然平面仅包含接地/参考节点是合理的，但表明基于传感器输出的形状和灵敏度的结果中存在电流检测问题。布局 A 不是最优的。

布局 B 在有效区域上包含一些间隙，允许电流走线周围有 50 mil 的间隙。请注意，有效区域施加在 PCB 的所有层上，以消除任何可能的磁场干扰。布局 B 的结果显示了对开始开关的准确测量，但由于返回电流的干扰而未能捕捉到结果。布局 B 仍然不是最优的。

布局 C 在有效区域内包含最小量，允许在电流传感器封装周围留出 50 密耳的间隙。布局间隙也施加在所有层​​上，仅允许有效区域中的载流迹线磁场。结果显示，布局 C 最适合清晰准确地测量电流。电流传感器不受回流电流的干扰，只检测流过载流迹线的电流。布局 C 是最优化的布局，但可以通过在整个传感器周围留出更多间隙来改进。

图 4：Tell-i DS10.2m 电流传感器的不同电路板布局注意事项：(a) 有效区域上没有间隙，(b) 有效区域上有一些间隙，以及 (c) 建议的有效区域周围的最小间隙

图 5：不同布局考虑的结果：(a) 有效区域上没有间隙，(b) 有效区域上有一些间隙，以及 (c) 建议有效区域周围的最小间隙

结论

通过适当和优化的布局布局，可以轻松实现高频转换器。通过使用多相技术使有效开关频率加倍，也可以实现高于 1 MHz 的更高频率。为了测量平均电流，如果遵循传感器周围的某些布局间隙，Tell-i 的超快速非接触式电流传感器 DS10.2m 可以准确测量。工程师推荐并首选隔离输出，以消除由于霍尔或侵入式电流传感器而导致的热约束和布局更改的需要。

图 6：最先进的电流传感器布局及其散热考虑与 DS10.2m 布局（图 1 右）

　　审核编辑：汤梓红