氮化鎵 (GaN)器件可實(shí)現(xiàn)航空航天、交通運(yùn)輸和醫(yī)療應(yīng)用所需的高頻、高密度電源。在布置印刷電路板 (PCB)時(shí)必須考慮某些設(shè)計(jì)規(guī)則和組件。例如，多層布局和帶有銅孔的走線將減少傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)度并因此最大限度地減少寄生元件。將電流傳感器插入 PCB 始終是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。大多數(shù)電流傳感器都需要進(jìn)出傳感器模塊的分離跡線。還應(yīng)添加某些電路板區(qū)域，以消散電流通過(guò)分離跡線進(jìn)入傳感器所產(chǎn)生的熱量。非接觸式電流傳感器最大限度地縮短了走線長(zhǎng)度，并且除了轉(zhuǎn)換器工作溫度之外不需要額外的熱因素。但是，仍然需要某些設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量。本文介紹了影響由 Tell-i Technologies 開(kāi)發(fā)的非侵入式非接觸式電流傳感器測(cè)量的三種設(shè)計(jì)。該轉(zhuǎn)換器是兩相 DC/DC GaN 轉(zhuǎn)換器，具有 120-VDC 輸入，工作頻率為 6.7 MHz。120 VDC 是國(guó)際空間站 (ISS) 二次電源系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)電壓水平。

多相兆赫轉(zhuǎn)換器SDK

利用 GaN MOSFET 的高功率密度和超快開(kāi)關(guān)，Tell-i 新開(kāi)發(fā)的 SDK 板使用兩相來(lái)超過(guò)正常的開(kāi)關(guān)速度。多相配置支持標(biāo)準(zhǔn) 120-V 總線電壓，用于 ISS 等系統(tǒng)，允許交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器在 3 MHz、5 MHz 和出色的 6.87 MHz 下實(shí)現(xiàn)有效切換。

圖 1：多相多兆赫板布局（尺寸：2.94 × 2.61 英寸）

圖 2：EPC 推薦的高頻開(kāi)關(guān)最佳功率環(huán)路配置

電感電流測(cè)量對(duì)于確定流經(jīng)轉(zhuǎn)換器的平均電流很重要。由于轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化，Tell-i 的 DS10.2m 電流傳感器非常適合用于超快速（帶寬 DC = 10 MHz）、非接觸式和隔離輸出。在 120 V、6.78 MHz 下運(yùn)行的多相兆赫板的結(jié)果如下所示。

圖 3：降壓轉(zhuǎn)換器配置中的多相多兆赫板的結(jié)果（以有效 6.78-MHz 開(kāi)關(guān)頻率工作）

DS10.2m 電流傳感器（藍(lán)色）在交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 6.78MHz 頻率下跟隨電感電流基準(zhǔn)測(cè)量（粉紅色）。為了正確測(cè)量電流，由于使用磁阻技術(shù)，電流傳感器必須遵循嚴(yán)格的布局考慮以正確檢測(cè)電流。測(cè)試了三種不同的布局，以驗(yàn)證使用電流傳感器布局的重要性。更改圍繞 DS10.2m 的有效區(qū)域進(jìn)行。

布局考慮

僅關(guān)注電流傳感器周?chē)膮^(qū)域，這三種布局是布局放置不當(dāng)和正確的示例。間隙被指定為傳感器周?chē)挠行^(qū)域，只有載流跡線。有效區(qū)域指定為電流跡線和電流傳感器周?chē)膮^(qū)域。圖 4 詳細(xì)說(shuō)明了通過(guò) PCB 布局的可能電流路徑。紅色箭頭表示正/正向電流，藍(lán)色箭頭表示負(fù)/返回電流，灰色箭頭表示磁場(chǎng)方向。

布局 A 在有效區(qū)域上不包含任何間隙。雖然平面僅包含接地/參考節(jié)點(diǎn)是合理的，但表明基于傳感器輸出的形狀和靈敏度的結(jié)果中存在電流檢測(cè)問(wèn)題。布局 A 不是最優(yōu)的。

布局 B 在有效區(qū)域上包含一些間隙，允許電流走線周?chē)?50 mil 的間隙。請(qǐng)注意，有效區(qū)域施加在 PCB 的所有層上，以消除任何可能的磁場(chǎng)干擾。布局 B 的結(jié)果顯示了對(duì)開(kāi)始開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)確測(cè)量，但由于返回電流的干擾而未能捕捉到結(jié)果。布局 B 仍然不是最優(yōu)的。

布局 C 在有效區(qū)域內(nèi)包含最小量，允許在電流傳感器封裝周?chē)舫?50 密耳的間隙。布局間隙也施加在所有層??上，僅允許有效區(qū)域中的載流跡線磁場(chǎng)。結(jié)果顯示，布局 C 最適合清晰準(zhǔn)確地測(cè)量電流。電流傳感器不受回流電流的干擾，只檢測(cè)流過(guò)載流跡線的電流。布局 C 是最優(yōu)化的布局，但可以通過(guò)在整個(gè)傳感器周?chē)舫龈嚅g隙來(lái)改進(jìn)。

圖 4：Tell-i DS10.2m 電流傳感器的不同電路板布局注意事項(xiàng)：(a) 有效區(qū)域上沒(méi)有間隙，(b) 有效區(qū)域上有一些間隙，以及 (c) 建議的有效區(qū)域周?chē)淖钚￠g隙

圖 5：不同布局考慮的結(jié)果：(a) 有效區(qū)域上沒(méi)有間隙，(b) 有效區(qū)域上有一些間隙，以及 (c) 建議有效區(qū)域周?chē)淖钚￠g隙

結(jié)論

通過(guò)適當(dāng)和優(yōu)化的布局布局，可以輕松實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換器。通過(guò)使用多相技術(shù)使有效開(kāi)關(guān)頻率加倍，也可以實(shí)現(xiàn)高于 1 MHz 的更高頻率。為了測(cè)量平均電流，如果遵循傳感器周?chē)哪承┎季珠g隙，Tell-i 的超快速非接觸式電流傳感器 DS10.2m 可以準(zhǔn)確測(cè)量。工程師推薦并首選隔離輸出，以消除由于霍爾或侵入式電流傳感器而導(dǎo)致的熱約束和布局更改的需要。

圖 6：最先進(jìn)的電流傳感器布局及其散熱考慮與 DS10.2m 布局（圖 1 右）

　　審核編輯：湯梓紅