CN102843027B - 模块式直流电源转换系统及其直流电源转换模块 - Google Patents

Abstract

一种模块式直流电源转换系统及其直流电源转换模块，模块式直流电源转换系统接收一直流输入电压，以产生一直流输出电压，并且，该模块式直流电源转换系统包含一主板与多个直流电源转换模块。该主板包含一主表面、一电压输入端子、一电压输出端子、多个插置区域以及多个插针座。当该些直流电源转换模块插设于该主板上使用时，该直流输入电压由该主板的该电压输入端子输入，并利用该些直流电源转换模块转换该直流输入电压的电压电位，在该主板的该电压输出端子输出一直流输出电压。

Description

模块式直流电源转换系统及其直流电源转换模块

技术领域

本发明涉及一种直流电源转换系统，尤其涉及一种模块式直流电源转换系统及其直流电源转换模块。

背景技术

请参见图1为现有技术的直流电源转换器的方框图。如图所示该直流电源转换器10A是接收一直流输入电压Vin，并转换该直流输入电压Vin的电压电位为一直流输出电压Vout。其中，该直流电源转换器10A通常是部局(layout)在一印刷电路板(printed circuit board)上。如此，使用单一直流电源转换器做为产生直流电源输出之用，具有线路简单的优点。惟，这种直流电源转换器的电路架构的输出功率将受到限制。另外，若该直流电源转换器10A在使用过程中故障失效，将造成整个系统操作停滞。

此外，为了增加输出功率的需求，因此，目前市面上也利用多组直流电源转换器并联使用，而发展出如图2所示的并联连接的直流电源转换器架构。如此，使用多组直流电源转换器20A_1～20A_N做为产生直流电源输出之用，除了可增加输出功率外，使用者可根据系统负载所需的功率决定该些直流电源转换器20A_1～20A_N布局在印刷电路板上的数量。这种直流电源转换器的电路架构的输出功率虽然可受到调整，然而，一旦其中的一直流电源转换器在使用过程中故障失效，整个印刷电路板装配(PCB assembly)将报废而无法再使用，也因此，除了增加整个系统可靠度降低之外，更造成维护成本大大地增加，并且每一开发案均需重新设计、摆置、测试等，也造成开发时间过久，使产品无竞争性。

因此，如何设计出一种模块式直流电源转换系统，利用模块化该些直流电源转换器，能够轻易地组装或拆卸，以达到扩充性佳、寿命长、高可靠度的优点，乃为本发明所欲行克服并加以解决的一大课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种直流电源转换模块，以克服现有技术的问题。

因此本发明的直流电源转换模块，接收一直流输入电压，以产生一直流输出电压。该直流电源转换模块包含一基板、一直流对直流转换器以及一散热片。

该基板具有一第一表面与一第二表面。该直流对直流转换器电性连接于该基板的该第一表面上，以转换该直流输入电压的电压电位而产生该直流输出电压。该散热片，设置在该基板的该第二表面上，以对该直流对直流转换器提供散热。

本发明的另一目的在于提供一种模块式直流电源转换系统，以克服现有技术的问题。

因此本发明的模块式直流电源转换系统，接收一直流输入电压，以产生一直流输出电压。该模块式直流电源转换系统包含一主板与多个直流电源转换模块。

该主板包含一主表面、一电压输入端子、一电压输出端子、多个插置区域以及多个插针座。该电压输入端子设置在该主板的该主表面上。该电压输出端子设置在该主板的该主表面上。该些插置区域设置在该主板的该主表面上。该些插针座设置在该主板的该主表面上，并每两个插针座设置在一个插置区域上，以双排结构设置在该插置区域上的相对两侧。

每一该直流电源转换模块包含一基板、一直流对直流转换器、一散热片以及多个插针。该基板具有一第一表面与一第二表面。该直流对直流转换器电性连接于该基板的该第一表面上，以转换该直流输入电压的电压电位而产生该直流输出电压。该散热片设置在该基板的该第二表面上，以对该直流对直流转换器提供散热。该些插针以双排结构设置在该基板的该第一表面上的相对两侧。

当该些插针插接于所对应的该些插针座时，该直流输入电压由该主板的该电压输入端子输入，并利用该些直流电源转换模块转换该直流输入电压的电压电位，在该主板的该电压输出端子输出一直流输出电压。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有技术的直流电源转换器的方框图；

图2为现有技术的直流电源转换器并联连接的方框示意图；

图3为本发明多个直流电源转换模块并联连接的方框示意图；

图4A为本发明该直流电源转换模块的一侧立体示意图；

图4B为本发明该直流电源转换模块的另一侧立体示意图；

图5为本发明一主板的一侧立体示意图；及

图6为本发明该些直流电源转换模块组装于该主板的立体示意图。

其中，附图标记

现有技术

10A         直流电源转换器

20A_1～20A_N直流电源转换器

Vin         直流输入电压

Vout        直流输出电压

发明

10_1～10_N  直流电源转换模块

Vin         直流输入电压

Vout        直流输出电压

10          直流电源转换模块

102         基板

1021        基板第一表面

1022        基板第二表面

104         直流对直流转换器

106         散热片

108         插针

20          模块式直流电源转换系统

202         主板

2022        电压输入端子

2024        电压输出端子

2026        插置区域

2028       插针座

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参见图3为本发明多个直流电源转换模块并联连接的方框示意图。该些直流电源转换模块10_1～10_N是彼此电性并联连接，以接收一外部直流输入电压Vin。该些直流电源转换模块10_1～10_N是转换该直流输入电压Vin的电压电位为一直流输出电压Vout。其中，该些直流电源转换模块10_1～10_N是可为降压式转换器(buck converter)，以降压该直流输入电压Vin的电压电位；或者，该些直流电源转换模块10_1～10_N可为升压式转换器(boost converter)，以升压该直流输入电压Vin的电压电位；再者，该些直流电源转换模块10_1～10_N可为升降压式转换器(buck-boost converter)，以升压或降压该直流输入电压的电压电位，但不以此为限。在本实施例中，该些直流电源转换模块10_1～10_N是提供降压操作，用以将18伏特的该直流输入电压Vin转换为12伏特的该直流输出电压Vout。

在实际应用上，该些直流电源转换模块10_1～10_N的使用数量，可根据系统负载所需的功率调整，而达到可扩充的功能。此外，每一该直流电源转换模块10_1～10_N是为高功率输出的模块，在本发明的实施例中，每一该直流电源转换模块10_1～10_N的输出额定功率为1,000瓦。因此，若系统负载所需的功率在1,000瓦以内，则可仅装设一该直流对直流转换器模块。若系统负载所需的功率超过1,000瓦但尚不及2,000瓦，则可装设两个该直流对直流转换器模块。因此，可根据系统负载所需的功率调整该些直流电源转换模块10_1～10_N的使用数量。

请参见图4A为本发明该直流电源转换模块的一侧立体示意图，另外，图4B为本发明该直流电源转换模块的另一侧立体示意图。该直流电源转换模块10是接收一直流输入电压，以产生一直流输出电压。其中，该直流电源转换模块10为图3所示的任意一该直流电源转换模块10_1～10_N。该直流电源转换模块10包含一基板102、一直流对直流转换器104以及一散热片106。

该基板102具有一第一表面1021与一第二表面1022。其中，该基板102可为一多层印刷电路板(multi-layer printed circuit board)。该直流对直流转换器104电性连接于该基板102的该第一表面1021上，以转换该直流输入电压的电压电位而产生该直流输出电压。其中，该直流对直流转换器104为降压式(buck)、升压式(boost)、升降压式(buck-boost)或高频式电源转换器。因此，该直流对直流转换器104包含由电容、电感、开关以及二极管所组成的电路架构(topology)。该散热片106设置在该基板102的该第二表面1022上，以对该直流对直流转换器104提供散热。

值得一提，本发明该直流电源转换模块10的较佳实施例中，该直流对直流转换器104操作在400千赫兹(kHz)以上的高频脉波宽度调变(pulse-widthmodulation，PWM)控制。因此，该直流对直流转换器104可达到小型化的设计，使得该直流电源转换模块10可在1U高度(4公分)的空间内，输出达到1,000瓦以上的输出。

此外，为了解决该直流对直流转换器104在高频操作下所产生的两大主要问题—散热问题与电磁干扰(electromagnetic interference)问题，因此，本发明也揭露克服前述问题的技术手段：

一、针对散热问题。利用在该基板102的该第二表面1022上设置该散热片106，以对该直流对直流转换器104提供散热。并且，由于该散热片106是设置在该第二表面1022上(有别于该直流对直流转换器104的组成元件是设置在该第一表面1021上)，因此，能有效利用该基板102的该第一表面1021与该第二表面1022的空间，而缩小该直流电源转换模块10的体积。

二、针对电磁干扰问题。该直流电源转换模块10内部所产生的电磁干扰，可通过该基板102为多层印刷电路板架构，利用层间屏蔽设计，经由对于信号、接地与电源的布局，以提供电磁干扰的抑制。

本发明还外揭露一种模块式直流电源转换系统，接收一直流输入电压，以产生一直流输出电压。该模块式直流电源转换系统20包含一主板202与多个直流电源转换模块10。

请参见图5为本发明一主板的一侧立体示意图。该主板202包含一主表面(未标示)、一电压输入端子2022、一电压输出端子2024、多个插置区域2026以及多个插针座2028。该电压输入端子2022、该电压输出端子2024、该些插针座2028是设置在该主板202的该主表面上。其中，每两个插针座2028是设置在一个插置区域2026间上，以双排结构设置在该插置区域2026上的相对两侧。

再请配合参见图4A与图4B，每一该直流电源转换模块10包含一基板102、一直流对直流转换器104、一散热片106以及多个插针108。该基板102具有一第一表面1021与一第二表面1022。其中，该基板102可为一多层印刷电路板(multi-layer printed circuit board)。该直流对直流转换器104电性连接于该基板102的该第一表面1021上，以转换该直流输入电压的电压电位而产生该直流输出电压。其中，该直流对直流转换器104为降压式(buck)、升压式(boost)或升降压式(buck-boost)的转换器或高频式电源转换器。因此，该直流对直流转换器104包含由电容、电感、开关以及二极管所组成的电路架构(topology)。其中，该直流对直流转换器104操作于400千赫兹(kHz)以上的高频脉波宽度调变控制。该散热片106是设置在该基板102的该第二表面1022上，以对该直流对直流转换器104提供散热。该些插针108是以双排结构设置在该基板102的该第一表面1021上的相对两侧。

当该些直流电源转换模块10利用该些插针108电性插接于所对应的该些插针座2028时，该直流输入电压是由该主板的该电压输入端子2022，并利用该些直流电源转换模块10转换该直流输入电压的电压电位，在该主板202的该电压输出端子2024输出一直流输出电压。

请参见图6为本发明该些直流电源转换模块组装于该主板的立体示意图。以本实施例为例，该主板202具有六个插置区域2026，并且，其中四个插置区域2026是插设有直流电源转换模块10。也即，使用者可根据系统负载所需决定该些直流电源转换模块10的使用数量。值得一提，每一该直流电源转换模块10是可插设在该些插置区域2026的任意位置，而不受顺序的限制。也即，本实施例所示该些直流电源转换模块10插设于该主板202的上半部的四个插置区域2026，仅为其中一种插设方式。并且，若当系统负载增加时，使用者可在未插设有该直流电源转换模块10的该插置区域2026上，再行加装所需的该直流电源转换模块10。如此，可提高该模块式直流电源转换系统的扩充性。

使用者可依实际的需要予以变更该些直流电源转换模块10的插设位置，如此，由于该些直流电源转换模块10彼此间是为电性并联连接，因此，将提供该模块式直流电源转换系统的使用弹性。尤其，若当该些插针座2028中有任一发生电性连接失效，使用者可暂先保留异常的该插针座2028，先使用其它正常该些插针座2028，而俟其它时日，再针对异常的该插针座2028予以修补。再者，由于每一该直流电源转换模块10可提供独立的操作，因此，当些直流电源转换模块10有任意一个发生故障失效时，使用者可针对故障的该直流电源转换模块10予以更换。并且，若在插设使用的过程中，若发生有该直流电源转换模块10故障失效时，仅为故障的该直流电源转换模块10无法致能使用，并不会使整个模块式直流电源转换系统发生失效。因此，使用者可在插接该直流电源转换模块10于该主板202上使用之前，经过测试无误之后，再插接使用，可增加该模块式直流电源转换系统20的可靠度。

再者，为了解决该直流对直流转换器104在高频操作下所产生的两大主要问题—散热问题与电磁干扰(electromagnetic interference)问题，因此，本发明也揭露克服前述问题的技术手段：

一、针对散热问题。利用在该基板102的该第二表面1022上设置该散热片106，并提供良好的风道，使得当该直流电源转换模块10插接于该主板202使用时能对该直流对直流转换器104提供良好的散热，如此，可提高该模块式直流电源转换系统20的操作稳定度。并且，由于该散热片106是设置在该第二表面1022上(有别于该直流对直流转换器104的组成元件是设置在该第一表面1021上)，因此，能有效利用该基板102的该第一表面1021与该第二表面1022的空间，而缩小该直流电源转换模块10的体积。

二、针对电磁干扰问题。该直流电源转换模块10内部所产生的电磁干扰，可通过该基板102为多层印刷电路板架构，利用层间屏蔽设计，经由对于信号、接地与电源的布局，以提供电磁干扰的抑制。

综上所述，本发明具有以下的优点：

1、模块化与高扩充性—利用将单一直流电源转换器线路布局(layout)在一印刷电路板上予以模块化，使其成为可独立操作的电路模块，如此，可轻易地通过组装或拆卸，可因应负载所需的功率需求，弹性地插接该些直流电源转换模块，并提供额外扩充空间；

2、高频化与轻薄小型化—利用将该些直流对直流转换器操作在400kHz以上的高频脉波宽度调变控制，因此可缩减该些直流对直流转换器的元件体积，而使该模块式直流电源转换系统达到小型并轻薄化；

3、高输出功率—利用多个直流电源转换模块整合在一主板上，而提供更高功率输出的需求；

4、高可靠度—可在插接该直流电源转换模块于该主板上使用的前，经过测试无误之后，再插接使用，以增加该模块式直流电源转换系统的可靠度；

5、高效率—利用该基板为多层印刷电路板架构，利用层间屏蔽设计，以提供电磁干扰的抑制，而提高该模块式直流电源转换系统的转换效率；及

6、高稳定度—利用设置于该基板上的散热片，并提供良好的风道，以对该直流对直流转换器提供良好的散热，而增加该模块式直流电源转换系统的操作稳定度。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流电源转换模块，设置在一主板上，接收一直流输入电压，以产生一直流输出电压，其特征在于，该直流电源转换模块包含：

一基板，具有一第一表面与一第二表面；

一直流对直流转换器，电性连接并且裸露于该基板的该第一表面上，以转换该直流输入电压的电压电位而产生该直流输出电压；

一散热片，设置并且裸露在该基板的该第二表面上，以对该直流对直流转换器提供散热；及

多个插针，以双排结构设置在该基板的该第一表面上的相对两侧，以提供该直流电源转换模块与该主板的电性连接。

2.根据权利要求1该直流电源转换模块，其特征在于，该直流对直流转换器为一降压式转换器、一升压式转换器、一升降压式转换器或高频式电源转换器，对该直流输入电压的电压电位进行降压或升压。

3.根据权利要求1该直流电源转换模块，其特征在于，该基板为一多层印刷电路板，为利用层间屏蔽设计，提供电磁干扰的抑制。

4.根据权利要求1该直流电源转换模块，其特征在于，该直流对直流转换器为操作于400千赫兹以上的高频脉波宽度调变控制。

5.一种模块式直流电源转换系统，接收一直流输入电压，以产生一直流输出电压，其特征在于，该模块式直流电源转换系统包含：

一主板，包含有：

一主表面；

一电压输入端子，设置在该主板的该主表面上；

一电压输出端子，设置在该主板的该主表面上；

多个插置区域，设置在该主板的该主表面上；及

多个插针座，设置在主板的该主表面上，并每一该插针座以相对方式双排结构设置在该插置区域上的两侧；及

多个直流电源转换模块，每一该直流电源转换模块包含：

一基板，具有一第一表面与一第二表面；

一直流对直流转换器，电性连接并且裸露于该基板的该第一表面上，以转换该直流输入电压的电压电位而产生该直流输出电压；

一散热片，设置并且裸露在该基板的该第二表面上，以对该直流对直流转换器提供散热；及

多个插针，以双排结构设置在该基板的该第一表面上的相对两侧，以提供该直流电源转换模块与该主板的电性连接；

当该些插针插接于所对应的该些插针座时，该直流输入电压由该主板的该电压输入端子输入，并利用该些直流电源转换模块转换该直流输入电压的电压电位，在该主板的该电压输出端子输出一直流输出电压。

6.根据权利要求5该直流电源转换系统，其特征在于，该些直流电源转换模块为彼此电性并联连接。

7.根据权利要求5该直流电源转换系统，其特征在于，该主板为一多层印刷电路板。

8.根据权利要求5该直流电源转换系统，其特征在于，该基板为一多层印刷电路板，为利用层间屏蔽设计，提供电磁干扰的抑制。

9.根据权利要求5该直流电源转换系统，其特征在于，该直流对直流转换器为一降压式转换器、一升压式转换器、一升降压式转换器或高频式电源转换器，对该直流输入电压的电压电位进行降压或升压。

10.根据权利要求5该直流电源转换系统，其特征在于，该直流对直流转换器为操作于400千赫兹以上的高频脉波宽度调变控制。