CN101107895B - 用于冷却模制电子电路的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

一种电子设备例如AC/DC功率转换器，包括一个传导散热系统。所述设备包括发热元件，并且通过供电导线由外部电源电路驱动。所述设备还包括导热体，其热连接至发热元件和供电导线。当所述供电导线被连接以便从外部电源电路接收电流时，由所述设备产生的热量通过供电导线传递至外部电源电路。

Description

用于冷却模制电子电路的设备及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于电子器件的散热系统。更具体地说，一种散热系统，其允许更紧凑的设备封装，同时维持散热、温度平衡和过热预防的现行标准。特别地，本发明披露了根据本发明冷却的一种紧凑型AC/DC功率转换器。

背景技术

许多电子电路依赖于可靠的散热系统以确保稳定运行和效率。电系统中的热激励导致噪音增加。没有有效的散热系统的话，可能导致故障或不稳定运转。

常规的散热系统依靠下列一个或多个策略：直接在所述电子器件的发热元件上进行的强制对流；增设快速冷却方法，如风扇或液冷却系统；布置热沉，所述热沉与发热元件传导接触，热沉和所述元件随后达到热平衡，并通过对流方式使得两者散热。

为了提供较好的传热性能，新的散热设备必须更有效。风冷热沉的尺寸很难增加，因为一直在设备封装内填充越来越多的元件，为了保持或减少设备封装的尺寸，设备制造商处于巨大的竞争压力。此外，较大热沉通常将增加热沉元件的费用。因此，有竞争性的散热设备必须在尺寸上相对紧凑，并且完全按指标运行以防止高性能元件超出其运行的热规格。

常规的散热系统不能满足这些要求。热沉和快速冷却方案是庞大且需要在设备封装内额外的空间。即使强制对流冷却也需要在所述设备内分配空间以允许空气流动。

本领域的现有技术公开了一种类似于热沉但无需设备封装内额外的空间的方案。美国专利公开号2002-0092160披露了一种设备，其中结构壳体由导热材料构成，并且热连接到其中的电子元件，籍此壳体和电子元件处于热平衡，整个系统的强制对流冷却将比其他方式更迅速。

通过强制对流而散热的这类冷却系统适用于小功率、电池驱动的、便携式应用。大功率电子设备产生更多热量，通过所述设备封装的外部散热可能使得外表面到达危险温度。同理，将任何形式的热沉附着在所述设备的外部不仅仅增加了封装体积，还可能使用户接触到所使用的热元件。

例如用于手机的传统的AC/DC功率转换器通常包括塑料罩，并具有围绕电子功率转换器电路的空气或其它绝缘物。为了冷却，上述的电路依赖于大型的设备封装，并且在某些情况下，依赖通风孔的存在以实现封闭电路板的强制对流冷却，所述电路板具有设置于PCB上的多个电子元件。这个方案导致设备在尺寸上不方便地庞大。此外，即使具有通风孔，封闭空间中的冷却电路的对流方案效率很差，这导致对于所述电子设备来说较高的平衡工作温度。

由于若干原因这种结构方法导致了庞大的设备封装。常规功率转换电路包括主次电路：主级电路与待转换的AC功率输入直接连接，并且通过次级电路输出功率。安全规程要求在次级和主级电路之间存在6.4毫米的最短距离以通过空气。更进一步，由于政府规程要求在上述设备内的运行温度不超过环境温度以上的某一范围，采用现有技术的小型设备封装是不可行的：具有大表面面积的封装通常只有一种实现所需散热的手段。根据现有技术构造的设备具有一定尺寸。事实上即便是小功率设备，其通过小型封装可以获得充分的散热，因为它们满足了6.4毫米间距的流通空气要求。

由此，使用者必须使用一个不令人称心如意的大型功率转换器以驱动手机。在现有技术里众所周知相对较高的运行温度会导致设备失效的概率相对较大和运行效率较低。

因为目前冷却系统设计需要大型的设备封装，特别是在功率转换设备中，许多目前的功率转换器设计是庞大和不方便的。将驱动手机电池的功率适配器与标准的AC功率插头进行比较。常规的手机功率适配器使用大体积的壳体以容纳插头板和功率转换电路。由于上述强调过的散热要求，功率适配器的相对大尺寸是必需的。不考虑上述要求，很显然对于这样的功率适配器而言，一种小尺寸、更紧凑的设备封装是更优越的。由于手机适配器必须是便于携带的，这一结构的优点特别显著，并且因此从一种磨光器(sleeker)设备封装中充分受益。

由此可知，事实证明需要一种能处理由功率电子设备产生的大量热载荷的冷却系统，还要考虑紧凑的设备封装和对使用者不存在危险。所述需求在功率转换器制造业领域中尤其明显，在所述领域中，目前的冷却系统妨碍创造一种兼具效率和可靠性的紧凑型功率转换器。

发明内容

本发明描述一种对由外部驱动功率电子设备的现有技术冷却系统的改进。它提供延展型外部热沉组件的所有优点，当维持一个适度的冷却工作温度时允许紧凑的设备封装。但是，本发明除了多数情况采取墙壁插座形式的常见电源以外无须外部装置。

依照本发明的具体实施方式，提供一种紧凑型功率转换设备。所述设备包括功率转换电路，其被连接以通过供电导线从供电网络接收电力，和导热体，其与功率转换电路热连接用于从功率转换电路并向供电导线进行相当有效的传热。通过所述热连接由功率转换电路产生的热量传递至供电网络。通过所述导热体传导，然后所述供电导线且进入所述供电网络的导线。

根据本发明，一种实现热连接的方法为围绕所述功率转换电路的至少一部分和所述供电导线的至少一部分塑模而成导热体。在这个结构中，所述供电导线通过热传导连接至功率转换电路，以便允许从电路至导线充分有效地传热。所述导线为导热的且将热量传递至电源墙壁插座及随后至墙壁内的导线。本发明的更进一步，所述设备具有功率输出导线，其连接于功率转换电路以转化的功率传输至远处。

除了具备良好的散热特征外，本发明披露了几种具有良好结构完整性的设备设计。一方面，紧凑型功率转换设备还包括基本上刚性的主体，其将导热体和功率转换电路连接以提供结构支撑。另一个方面，导热体还构造成用于功率转换电路和供电导线的结构壳体。在这种情况下，为了在电气外壳中用作结构元件，所述导热体应当符合材料标准可承受的强度。

在本发明紧凑型功率转换设备中，所述导热体应当具有允许充分散热的至少最小导热系数和预防短路的低导电系数。进一步，当所述导体用于结构容积内，或在转换电路的主次部分间作为绝缘，其由UL认可的绝缘材料构成。

此外本发明还提供一种功率转换器。所述功率转换器包括一种用于转换电信号的电路，被连接用于将所述电信号提供给所述电路的供电导线，和与所述电路连接以传递由电路产生的热量至供电导线的电绝缘导热体。根据本发明的功率转换器，所述供电导线还与供电网络热连接以致由电路产生的热量传递给供电网络。

本发明还提供一种冷却由外部电源驱动的电子设备的方法。所述方法包括用于从电子设备的至少一部分向导热体充分有效的传热的热连接，和用于从多根供电导线中的每一根的至少一部分向导热体充分有效的传热的热连接。

本发明的方法还包括将所述电子设备的多根供电导线中每一个的至少一部分和导热体密封在任意合适的刚性壳体中，所述电子设备同时嵌入所述刚性壳材料和导热体中。

依照本发明方法，所述导热体应当具有允许充分散热的至少最小的导热系数和低导电系数。进一步，当所述热导体用于结构容积内，或在转换电路的主次部分间作为绝缘，其由UL认可的电绝缘材料构成。

本发明提供于一种AC/DC转换器组件。本发明所述AC/DC转换器组件包括具有主级部分和次级部分的AC/DC转换器电路，与AC/DC转化器电路连接的多根AC插头，和壳体，其包括围绕AC/DC转换器电路及多根AC插头的每一个的至少一部分塑模而成的导热绝缘体，所述导热绝缘体与AC插头和AC/DC转换器电路连接。在本发明所述AC/DC转换器组件中，由AC/D转换器电路散发的热量传导至AC插头。

依照本发明的所述AC/DC转换器组件，所述导热体应当具有允许充分散热的至少最小的导热系数和低导电系数。进一步，如果所述导热体用于结构容积内，或在转换电路的主次部分间用作绝缘，其由UL认可的电绝缘材料形成。本发明所述AC/DC转换器组件的另一个方面，围绕所述导热非导电主体形成的UL认可的绝缘材料以提供用于AC/DC转换器电路的结构壳体。

此外在本发明还提供一种设备，用于冷却由外部电源所驱动的一个或多个的电子电路，其中每一个电路包括多个电路元件以及所述元件还包括发热和非发热元件。根据本发明的所述设备包括导热体，其至少与所述电路的发热元件和供电导线直接连接。

本发明还披露了一种用于冷却电子设备的系统，其中所述设备包括发热元件且由外部电源驱动。根据本发明，所述系统包括通过传导的方式获得由所述设备的发热元件所产生的热量的装置，和将从所述设备的散热元件获得的热量传导至外部电源的装置。

进一步，本发明描述一种功率转换系统。所述功率转换系统包括电源、将任意装置连接到包含电源的电路的功率输出、具有功率输入的电子设备、以及包括至少一个输入和至少一个输出的适配器，所述输入包括一个连接电源电路的输入，所述输出包括一个与电子器件的功率输入相适合的输出，所述适配器还包括发热元件和非发热元件，其中所述发热元件被连接用于将热传递传导至导热体，此外其中的所述导热体被构造成与包含电源的电路直接热接触。

此外，本发明包括一种生产功率适配器的方法。所述生产方法包括提供功率转换电路的步骤，所述功率转换电路包括多个供电导线、功率转换元件和功率输出导线，以及围绕功率转换元件塑模导热材料以形成插头结构和整体应力消除结构。

附图说明

附图1为所述设备处于装配状态下的透视图。

附图2为所述设备一个优选实施方式的局部横断面图，其中所述设备封装由多种材料构成，至少一种材料主要用于结构方面和至少一种材料主要用于传热。

附图3为所述设备的替换实施方式的局部横断面图，其中所述设备封装由既用于传热也用于结构的导热材料形成。

具体实施方式

仅为了说明目的，通过举例的方式，所示本发明适用于AC/DC转换器。如下文所见，本发明的用于电子器件的冷却系统可以容易地适用于其它电子设备的制造，例如，但不限于，功率放大器和计算设备。下面，在AC/DC转换器的应用的上下文中，将详细描述本发明；但是，所述公开不意味着将本发明的范围局限在本发明这一个应用里。

图1显示了根据本发明的紧凑型功率转换设备100。所述功率转换设备100包括基本刚性的主体130，从其一端延伸出产生标准插入式AC插头的两个供电导线110和120。所述供电导线110和120可以包括如图所示的孔或为实心。所述供电导线110和120如图所示都具有相同大小，或者具有极性，这样一个插板更宽。第三个供电导线可以用作常规接地端子。供电导线110和120通过壁插座105与供电网络107连接，其中热传导至供电导线110和120的热量被进一步传导至供电网络107的壁插座导线中。从基本刚性的主体130的另一端延伸出电源线140，所述电源线140终止于DC功率耦合器150。可以看出，所述设备与普通的AC电源线十分相似。所示出的基本刚性的主体130具有特殊的工业设计。这种工业设计仅仅是示意性的，并且可以在不脱离本发明基础上修改。同样归因于本发明，所述设备与常规的AC电源线基本上相同。

图2中显示了功率转换设备200的局部横断面图，包括基本刚性的主体230，从其一端延伸出两个供电导线210和220，所述供电导线210和220一起形成标准插入式AC功率插头。附图2的设备不必与附图1所示的一样。从所述基本刚性的主体230的另一端延伸出电源线240，所述电源线240终止于DC功率耦合器245。电源线240包括与功率转换电路270连接的功率输出导线276。功率转换电路270仅示意地描述为由方块表示的电路元件；任何一种常规电路采用本发明均能工作。功率转换电路270包括主级部分272和次级部分274。更进一步，所述主体包括两个供电导线210、220的导电导热端部215。此外至少0.4毫米的缝隙225表示在功率转换电路270的主级272和次级274的侧面之间。缝隙225填充构成所述基本刚性的主体230的材料，优选是UL认可的电绝缘材料，所述材料可在功率转换电路270的主级272和次级274的侧面之间提供最低要求的电绝缘。功率转换电路270还包括在主级部分272内的发热元件260。在该优选实施例中，结构主体230连接到导热体250，为了充分有效地传热，所述导热体250进一步热连接到发热元件260和所述供电导线210、220的导热端部215，从而由发热元件260产生的热量传递至供电导线210、220，并且从此处传递至供电网络(未示出)，例如常规电源输口和壁面电线。优选地通过围绕发热元件260和导热端部215塑模导热体250而实现热连接，但是热连接可通过任易合理的方式实现。根据本发明，所述导热体具有允许充分散热的至少最小导热系数以及防止短路的低导电系数。

图3中示出了功率转换设备300的局部横断面图，其包括结构壳体330，从所述结构壳体330的一端延伸出形成标准插入式AC功率插头的两个供电导线310和320。从所述结构壳体330的另一端延伸出电源线340，所述电源线340终止于DC功率耦合器345。电源线340包含与功率转换电路370连接的功率输出导线376。功率转换电路370包括主级部分372和次级部分374。进一步，主体包含两个供电导线310和320的导电导热端部315。此外，至少0.4mm的缝隙325表示在功率转换电路370的主级372和次级374的侧面之间。所述缝隙325填充构成结构壳体330的材料，优选是UL认可的电绝缘材料，其在功率转换电路370的主级372和次级374的侧面之间提供最低要求的电绝缘。所述功率转换电路370还显示包括了在主级部分372内的发热元件360。在该实施例中，结构壳体330由电绝缘导热材料构成，为了充分有效地传热，其进一步热连接到发热元件360和供电导线310、320的导热端部315，从而由发热元件360产生的热量通过供电导线310、320传递至供电网络(未示出)。优选地通过围绕发热元件360和导热端部315塑模结构壳体330而实现热连接，但是所述热连接可以通过任易合理的方式实现。根据本发明，所述结构壳体330具有允许充分散热的足够导热系数和预防短路的低导电系数。

此外依照本发明，提供一种由外部电源驱动的电子设备的冷却方法，现在将参照上述的设备和附图2和3讨论该冷却方法。本发明的方法包括用于从电子器件的至少一部分向导热体充分有效的传热的热连接，和用于从多根供电导线中的每一根的至少一部分向导热体充分有效的传热的热连接。依据附图2，根据本发明的所述方法构造电子设备200。所述电路270的一部分热连接至热导体250，所述热导体250还热连接至供电导线210、220用于充分有效的传热。在所述设备200中，通过刚性的壳体230保持所述设备封装的结构完整性。依据附图3，根据本发明的方法构造电气设备300。电路370的一部分热连接至热导体330，所述热导体330还热连接至供电导线310、320用于充分有效的传热。在所述设备300中，热导体330还提供一个结构完整的设备封装。在本发明的方法里，所述结构材料优选地由UL认可的绝缘材料构成。此外，本发明方法中的用于将供电导线与电气设备热连接的导热材料具有允许充分散热的至少最小导热系数和预防短路的低导电系数。

由于本发明的设备包括一个坚硬材料壳体，其围绕功率转换器的电路元件而塑模而成，实现了比现有技术构造的现有设备更紧凑的尺寸。尽管安全规程规定在功率转换器主次电路之间通过空气6.4毫米的空间，要求通过UL认可的任何一种同质的电绝缘材料满足仅为0.4毫米的空间。在本发明的最优方案中，UL认可的绝缘材料用于提供紧凑型功率转换设备的结构。虽然在本发明中其他材料还未知，因为现行规定对于本发明非UL认可的其它未知材料不能等同考虑。当然，将来任何一种满足UL或某类似指定规章部门的要求将必须同等考虑。

本发明已经在具体实施方式关于细节作了描述，以便于理解本发明结构的原理和操作。同样地，这里对具体实施方式和细节的参照不意味着限制附属权利要求的范围。本领域的技术人员明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对用作解释的实施例作出修改。

Claims (13)

1.一种紧凑型功率转换设备，包括：

a)AC供电导线包括构造为插入AC墙壁插座的插脚端和导热端，AC墙壁插座连接到AC供电网络；和

b)AC/DC功率转换器电路，其连接成以便通过AC供电导线从AC供电网络接收电力；

c)导热体，其与AC/DC功率转换器电路热连接，并且热连接到AC供电导线的导热端，其中导热端构造为将AC/DC功率转换器电路产生的热量传导到AC供电导线，进入AC墙壁插座，并且进入AC供电网络，其中所述导热体是围绕所述AC/DC功率转换器电路的至少一部分和所述导热端的至少一部分塑模而形成接触区域，该接触区域构造为用于热量通过AC供电导线流入AC墙壁插座，并且进入AC供电网络；和

d)基本上刚性的主体，包围导热体和AC/DC功率转换器电路，其中AC供电导线的插脚端从刚性的主体伸出，所述导热体的导热系数使得导热体充分有效从AC/DC功率转换器电路传热到AC供电导线，受安全规程的约束所述导热体至少具有允许充分散热的最小的导热系数。

2.如权利要求1所述紧凑型功率转换设备，还包括与AC/DC功率转换电路连接的功率输出导线。

3.如权利要求1所述紧凑型功率转换设备，还包括所述基本刚性的主体，其与导热体和AC/DC功率转换电路连接以提供结构支撑。

4.一种功率转换器包括：

a)用于转换电信号的AC/DC功率转换器电路；

b)被连接以便将电信号提供给所述电路的AC供电导线，其中供电导线包括插脚端和导热端；和

c)电绝缘导热体，其与所述AC/DC功率转换器电路连接以便将AC/DC功率转换器电路产生的热量的显著的部分充分有效地热传递至AC供电导线，

其中所述AC供电导线连接至AC供电网络，从而由所述AC/DC功率转换器电路产生的热量传递至AC供电网络，其中所述导热体是围绕所述电路和所述导热端塑模而形成接触区域，该接触区域构造为用于热量通过供电导线进入供电网络；和

d)基本上刚性的主体，包围AC/DC功率转换器电路，所述电绝缘导热体的导热系数使得导热体充分有效从AC/DC功率转换器电路传热到AC供电导线，受安全规程的约束所述电绝缘导热体至少具有允许充分散热的最小的导热系数，所述电绝缘导热体位于AC/DC功率转换器电路和基本上刚性的主体之间。

5.如权利要求4所述的功率转换器，功率输出导线与所述电路连接。

6.如权利要求4所述功率转换器，基本上刚性的主体与所述电绝缘导热体和所述电路连接以提供结构支撑。

7.一种冷却由外部电源驱动的AC/DC电子设备的方法，所述方法包括：

a)将AC/DC电气设备的至少一部分热连接到导热体，用于充分有效的传热；和

b)通过围绕AC/DC电气设备和多根AC供电导线中的每一根塑模导热体，将多根AC供电导线中的每一根的至少一部分和AC/DC电气设备热连接到导热体，其中AC供电导线构造为插入插入AC墙壁插座；

c)在基本上刚性的主体内包围导热体和AC/DC电气设备，其中AC供电导线从主体伸出，所述导热体的导热系数使得通过导热体进行充分有效的传热到AC供电导线，受安全规程的约束所述导热体至少具有允许充分散热的最小的导热系数。

8.一种AC/DC转换器组件包括：

a)具有主级部分和次级部分的AC/DC转换器电路，所述主级部分和所述次级部分之间具有一空间；

b)与AC/DC转换器电路连接的多个AC插头，AC插头构造入连接到AC供电网络的AC墙壁插座；和

c)壳体，其包括围绕AC/DC转换器电路及多个AC插头的每一个的至少一部分塑模而成的导热绝缘体，籍此所述导热绝缘体与AC插头和AC/DC转换器电路热连接；

d)基本上刚性的主体，包围壳体和AC/DC转换器电路，其中AC插头从基本上刚性的主体伸出，所述导热绝缘体的导热系数使得通过壳体从AC/DC转换器电路到AC插头、并且到AC墙壁插座和到AC供电网络的充分有效的传热，受安全规程的约束所述导热绝缘体至少具有允许充分散热的最小的导热系数。

9.如权利要求8所述AC/DC转换器组件，其中所述主级部分和所述次级部分之间的空间由基本上刚性的主体填充。

10.如权利要求8所述AC/DC转换器组件，其中所述空间具有小于1毫米的距离。

11.一种紧凑型功率转换器设备，包括：

a)AC供电导线包括构造为插入AC墙壁插座的插脚端和导热端，AC墙壁插座连接到AC供电网络；和

b)AC/DC功率转换器电路，其构造成通过AC供电导线从AC供电网络接收电力；

c)导热体，其与AC/DC功率转换器电路热连接，并且热连接到AC供电导线的导热端，其中导热端构造为将AC/DC功率转换器电路产生的热量传导到AC供电导线，进入AC墙壁插座，并且进入AC供电网络；和

d)基本上刚性的主体，包围导热体和AC/DC功率转换器电路，其中AC供电导线的插脚端从刚性的主体伸出，所述导热体的导热系数使得导热体充分有效从AC/DC功率转换器电路传热到AC供电导线，受安全规程的约束所述导热体至少具有允许充分散热的最小的导热系数，导热体位于AC供电导线和基本上刚性的主体之间。

12.一种生产功率转换器的方法，包括以下步骤：

a)提供一个包括多个AC供电导线、功率转换元件和功率输出导线的AC/DC功率转换电路；和

b)围绕所述功率转换元件塑模导热材料以形成AC插头结构和整体的应力消除结构，热连接到多根AC供电导线中的一个或多个和AC/DC功率转换电路；以及

c)用壳体包围导热材料和功率转换元件，其中所述导热材料的导热系数使得通过导热材料将功率转换元件产生的热量充分有效传热到供电导线，受安全规程的约束所述导热材料至少具有允许充分散热的最小的导热系数。

13.一种AC/DC紧凑型功率转换设备，包括：

a)AC供电导线包括构造为插入AC电源输口的插脚端和导热端，AC电源输口连接到AC供电网络；

b)AC/DC功率转换电路，被连接成经由AC供电导线从所述AC供电网络接收AC电力；

c)导热体，与所述AC/DC功率转换电路热连接，并且热连接AC供电导线的导热端，导热端构造为所述AC/DC功率转换电路产生的热量传导到所述AC电源输口并传导到所述AC供电网络；以及

d)基本刚性的主体，与所述导热体和所述AC/DC功率转换电路连接，所述导热体的导热系数使得导热体充分有效从AC/DC功率转换电路传热到AC供电导线，受安全规程的约束所述导热体至少具有允许充分散热的最小的导热系数，导热体位于AC供电导线和刚性的主体之间。