PFC电路布板需考虑的因素有哪些

对使用Transphorm GaN功率开关器件的PCB进行布板和探测，针对高开关速度的设计，最好使用低感布板，并为各路信号推荐恰当的接地层；此外，要获得正确的测量结果，低感的接地和信号连接也至关重要。

简介

Transphorm的氮化镓开关管因为具有更低的栅极电荷、更高的开关速度、以及更小的反向恢复电荷，比硅基超结MOSFET具有更明显的优势。硅技术通常只能做到低于50V/ns开关速度，而GaN开关器件的开关速度可超过150V/ns，甚至可推升至500V/ns。

更高的开关速度可以降低GaN器件的电流-电压交越损耗，电路在高频下实现高效率。但是，要充分利用GaN开关的快速开关特性，必须遵守特定的PCB布板准则和探针测量技术。

这里，我们就以一块PFC开发演示板为例，来看看搭载高开关速度GaN开关器件的PCB的布板和探测的一般规则吧。有关演示板的详情资料，参见Transphorm公司TDPS300E1A8的参考设计。

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PFC电路布板需考虑的因素

2.1 功率回路

图1是一个典型的基于升压变换器PFC电路的功率半导体元件/功率回路。可以看出，功率回路中存在多处寄生电感和寄生电容。

图1. 典型的带有寄生效应的升压变换器电路

这些寄生元件构成高频谐振回路，当晶体管快速开通和关断时，电压和电流的快速瞬态变化将激发谐振。由于GaN开关管上升和下降时间均小于10ns，因此，在设计GaN功率电路时，必须格外小心以避免电路中出现过多振铃。

Transphorm通过晶体管封装内的布局布线已经将器件的电感和电容最小化。但是，设计人员需要负责PCB的布局布线，以使电路板的电感和电容最小化。

图2是功率回路正确布板示例，说明如下：

使用大接地层，实现GaN开关（Q1）的低感接地。

高压开关节点面积小，避免在开关节点上产生额外的电容。

功率器件GaN开关（Q1）和二极管（D3）、电感（L1）、以及去耦电容（C18）尽可能靠近放置，最大程度地减小电感。

DC+输出层较大，便于去耦，同时被用作升压二极管（D3）的散热器。

连接DC+输出层和接地层的去耦输出电容（C17）引脚尽可能短。

升压二极管负极和GaN开关源极之间放置一个快速薄膜电容（C18），以吸收噪声并解耦输出走线电感。

2.2 栅极回路/栅极驱动电路

图3显示栅极驱动回路中产生的寄生电感和电容。所有寄生电感中，图3的L1最关键，因为它同时存在于栅极驱动回路和功率回路中。

图3. PFC栅极驱动电路中产生的寄生成分

晶体管源极上的电流瞬变（di / dt）会在L1两端产生感应电压VL（VL = L1×di / dt），实质性改变栅极到源极的电压VGS。如果L1过大，则感应电压可以在未改变栅极驱动电压的情况下就导通或截止晶体管。

因此，非常重要的是需要保持L1尽可能低，并直接将控制IC的COM脚（接地引脚）连接到HEMT的源极引脚，而不将功率路径包含到栅极驱动回路中。

IC的COM引脚通过一条宽走线（节点1）直接连接到GaN开关的源极引脚，与功率回路分隔开。

IC的OUT引脚通过一条短走线直接连接到GaN开关的栅极引脚（节点2），不需要栅极电阻。

去耦薄膜电容器（C1）直接置于控制IC的VCC和COM引脚之间。

IC的COM引脚连接到一个较大的接地层，为必须连接到COM（节点3）的控制电路提供最短的接地路径。

将GaN开关的金属舌片用作载流源极端子，将其源极管脚以开尔文形式连接到驱动电路的载流源极，可以非常有效地进一步降低S-tab GaN开关的源极电感。

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探测需考虑因素

3.1 准确探测

为了评估PCB布板的正确，准确测量开关节点上的电压非常重要。但是，开关节点上的快速电流瞬变会在测量探针中感应电压振铃。也就是说，测量过程中示波器上看到的电压并不是测量的真实数据，不是节点上的实际电压。

遵循以下建议，可以最大程度地减少总体测量误差并得到更好的测量结果：

要正确捕获开关节点电压瞬变，示波器探针的接地引线长度是最重要的影响因素之一。因此，请不要使用示波器探针附带的标准3英寸接地导线。这个长的导线环路会充当天线，拾取电路板的电磁干扰噪声，显示比器件实际值更高的开关节点电压振铃值（图5左）。

相反，应该使用尽可能短的接地线，并将其连接到示波器探针外圈（图5右）。示波器探针尖端和接地点必须直接放置在器件引脚上，探针放置在远离器件的地方会增加测量误差。

调整导线长度，并使其与示波器探针尖端平行，可最大程度地减小感应回路的面积。

综合使用这些测量方面的贴士，就能够正确测量GaN开关的实际电压瞬变。

3.2 避免引入额外的寄生效应

同样重要的是，在探测时不要在电路中引入额外的寄生效应。例如：

避免在功率回路的寄生谐振回路中额外增加导线。不幸的是，要做到这一点，就没有可能同时使用电流探针测量开关电流。

使用真正的浮动示波器。如果示波器的接地没有设计成电容最小的、真正的浮动接地，而只是简单地与地断开，那么，由于检测电路的地连接至示波器的机箱，检测回路中将存在相当大的寄生电容。将这样的示波器接地连接到开关节点上，将在被测波形中引入更多的振铃。

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结论

使用高开关速度的GaN开关器件需要特别注意线路板布板设计、组件放置、以及探针测试，最大程度地减少振铃，最大程度地提高性能并准确测量性能。关键是尽量减少电路的寄生电感和电容。

责任编辑：haq