CN105099193A

CN105099193A - 直流到直流电源装置

Info

Publication number: CN105099193A
Application number: CN201410152880.4A
Authority: CN
Inventors: 李文华; 陆胜利; 杨仲望; 张晋颖; 张琼
Original assignee: Delta Electronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: Delta Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-11-25
Also published as: US9893625B2; US20150303814A1

Abstract

本发明提供一种直流到直流电源装置，其包括多个功率板、控制板与主板。多个功率板彼此并联连接，每一功率板包括承载电路板以及放置在承载电路板上的功率器件。控制板包括一反馈控制电路和一脉宽调制产生电路，反馈控制电路用于接收来自功率板的一个或多个反馈信号，脉宽调制产生电路根据反馈信号输出脉宽调制控制信号至功率板。主板与功率板和控制板电性连接。

Description

直流到直流电源装置

技术领域

本发明是有关于一种直流到直流电源装置，且特别是有关于一种直流到直流电源装置。

背景技术

直流到直流（DC/DC）转换器模块中有一类适用在电信、数据通信等设备的电源系统中，直流到直流转换器模块接收系统的直流电压，然后将其转换成一个合适电平的直流电压。这类产品常被直接应用在系统板上，通常被称为板载电源模块（boardmountedpower,缩写BMP）。作为基本的电源变换单元,这类产品通常采用印刷线路板作为变压器绕组(PCBWinding)，并将功率电路及控制电路集成在一个印刷线路板中，因而具有比较高的功率密度及良好的散热性能，但由于受到系统高度空间的限制，单个模块的功率一般不能太大，通常只有数十瓦到数百瓦的功率。

随着电信、数据通信等设备的不断发展，对电源功率的需求也从数百瓦上升到数千瓦。当要设计一个大功率的电源变换器时，一种现有技术的做法是直接设计一个较大功率的直流到直流变换器，按照功率比例扩大变压器及功率器件，比如1000W系统就设计一个1000W的直流到直流变换器。对于数百瓦甚至上千瓦的功率，变压器通常只能采用传统的分离式的结构，由于这样的变压器有比较大的漏感而使得变换器的效率比模块电源的效率低；同时，由于采用单个的变压器，其体积比较大，通常会影响电源系统的风道设计，特别是在功率密度要求比较高的设计中，很难兼顾散热性能的设计，而最终只能以增加系统风流量来解决散热问题。另外，由于变压器和功率电路的设计会因变换器的功率大小而异，设计人员在面临多个产品设计项目时，往往不能利用已有的资源，导致大量的重复劳动以及较长的设计开发周期。

图1是现有技术的另一种做法，通过采用数个功率较小的直流到直流板载电源模块进行并联来实现电源变换器的大功率需求。比如1000W系统，可以将10个100W的模块进行并联。通常直流到直流电源变换器作为板载电源使用，其优点是：板载电源可以将产品与负载距离缩短，可以使连接线损耗大大降低，EMI和输出指标得到保证。此外还可以根据实际负载需要订购产品。并且变换器为隔离式产品，可以方便地设置数字地和模拟地。因为板载电源模块本身具有高功率密度的优势，这样可以保持直流到直流转换器模块电源高功率密度，良好散热性能的优势，可靠性高。然而，图1的每个板载电源模块都必须包含功率电路和对应的控制电路，藉由控制电路对功率电路中的功率开关管进行控制，这会增加整个系统的控制电路数量，导致元器件成本急剧增加。此外，系统板上还需要增加均流电路或者监控电路以保证多个板载电源模块间的电流平衡，另外，由于系统散热条件的不均匀性可能导致不同的板载电源模块有不同的温升，每个模块的性能不能得到充分发挥，因而并联模块的数量受到一定的限制。

因此，如何因应电源产品朝着高功率密度、高效率发展的趋势同时又满足一定的灵活性和兼容性，成为相关领域人员当前研发的一个重要方向。从电源产品的设计周期来看，如何使电源产品的整体制作相对变得简易、灵活和环保也是本领域技术人员面临的挑战。

发明内容

本发明的一方面是在提供一种直流到直流电源装置，以解决先前技术中所面临的的问题。

本发明所提供的直流到直流电源装置，其包括多个功率板、控制板与主板。多个功率板彼此并联连接，每一功率板包括承载电路板以及放置在承载电路板上的功率器件。控制板包括一反馈控制电路和一脉宽调制产生电路，反馈控制电路用于接收来自功率板的一个或多个反馈信号，脉宽调制产生电路根据反馈信号输出脉宽调制控制信号至功率板。主板与功率板和控制板电性连接。

于一实施例中，功率板垂直安装在主板上。

于一实施例中，反馈信号为电压信号、电流信号和温度信号中的至少一种。

于一实施例中，功率板还包括温度采样电路，用于检测功率板的温度，并输出对应的温度信号至控制板。

于一实施例中，脉宽调制产生电路根据温度信号输出单个脉宽调制控制信号，通过单个脉宽调制控制信号对每一功率板进行控制。

于一实施例中，脉宽调制产生电路根据温度信号输出多个脉宽调制控制信号，通过每一脉宽调制控制信号对相应的功率板进行单独控制，以调节多个功率板之间的温度达到平衡。

于一实施例中，脉宽调制产生电路根据直流到直流电源装置的负载大小，选择输出一个或多个脉宽调制控制信号至多个功率板中的一部分功率板，以减小轻载和空载损耗。

于一实施例中，脉宽调制产生电路输出单个脉宽调制控制信号，通过单个脉宽调制控制信号对每一功率板进行控制。

于一实施例中，脉宽调制产生电路输出多个脉宽调制控制信号，通过每一脉宽调制控制信号对相应的功率板进行单独控制。

于一实施例中，不同的脉宽调制控制信号具有一相位差，通过相位差来减小直流到直流电源装置的输出电压纹波。

于一实施例中，控制板还包括一通信接口，用于传送控制板和/或功率板的工作状态信息，并接收外部的控制指令。

于一实施例中，功率板还包括电流采样电路，用于采样功率板的输出电流。

于一实施例中，控制板垂直安装于主板。

于一实施例中，功率板包括一隔离型转换器，具有变压器、功率开关管、电容器和电感器，其中，功率开关管以及电容器通过表贴技术焊接在承载电路板上。

于一实施例中，功率板包括一隔离型转换器，该隔离型转换器具有变压器、设置于变压器初级侧的一原边电路以及设置于变压器次级侧的一副边电路，主板包括一电感器和一电容器，电感器的一端电性耦接至副边电路的输出且另一端电性耦接至电容器。

于一实施例中，控制板还包括隔离器，脉宽调制产生电路经由隔离器产生两路彼此隔离的脉宽调制控制信号，以分别控制变压器初级测的功率开关管和次级侧的功率开关管。

于一实施例中，直流到直流电源装置还包括辅助电源，放置于控制板或主板，用于对控制板进行供电。

于一实施例中，功率板还包括散热片，用于对功率板上的功率器件进行散热。

于一实施例中，功率板为单边引脚的引脚排布方式。

于一实施例中，直流到直流电源装置封装于一机壳内。

综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。通过上述技术方案，本发明的电源装置具有高功率密度和高效率，同时又满足一定的灵活性和兼容性，并且电源装置的整体制作简易、灵活和环保。

以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1绘示了现有技术的一种电源装置；

图2是依照本发明一实施例的一种直流到直流电源装置的方块图；

图3是依照本发明一实施例的一种功率板的结构示意图；

图4是依照本发明一实施例的一种功率板的电路拓扑结构图；

图5是依照本发明一实施例的一种控制板的结构示意图；

图6为是依照本发明一实施例的一种风道示意图；

图7是依照本发明一实施例的一种直流到直流电源装置进行温度检测的示意图；以及

图8是依照本发明另一实施例的一种带机壳的直流到直流电源装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的组件。另一方面，众所周知的组件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。

图2是依照本发明一实施例的一种直流到直流电源装置100的方块图。本发明将直流转换器的功率部分和控制部分分离，在功率板110中保留原来板载电源模块中的功率电路，而原来板载电源模块中的控制电路转移至控制板120中。因此功率板可以充分利用原来板载电源模块中的控制电路所占用的地方进行功率电路设计，其表面使用率相比现有板载电源模块产品提高了20%左右，从而进一步提高了直流到直流电源装置的功率密度。

在架构上，多个功率板110彼此并联连接，每一功率板110包括承载电路板112以及放置在承载电路板112上的功率器件114。控制板120包括反馈控制电路122和脉宽调制产生电路124。于运作时，控制板120可以根据功率板110的运行情况，实现过压、过流、过温保护。具体而言，反馈控制电路122用于接收来自功率板110的一个或多个反馈信号（例如：电压信号、电流信号和温度信号中的至少一种），脉宽调制产生电路124根据反馈信号输出脉宽调制控制信号以作为驱动信号发送至功率板110，借以控制功率板110中的功率器件。

在一具体实施例中，来自脉宽调制产生电路124的驱动信号可以是单路的，即，单个驱动信号统一地控制多个功率板112。在一具体实施例中，驱动信号也可以是多路的，每个驱动信号发送至对应的功率板，从而单独地控制该功率板中的功率器件。容易理解，前者采用单个驱动信号的方式可以实现更简单、更方便的控制策略，后者采用多个驱动信号的方式虽然相对比较复杂，但可以达到更加灵活的控制效果。

上述采用多个驱动信号进行一对一的控制方式可根据负载的大小选择功率板投入运行的数量，藉以降低轻载或空载时的损耗。详细地，脉宽调制产生电路124根据直流到直流电源装置的负载大小，可选择输出一个或多个驱动信号至多个功率板110中的一部分功率板，从而屏蔽其他的功率板来减小轻载和空载损耗。假设该直流到直流电源装置包括10块功率板，每个功率板的输出功率为100W，若负载所需的功率仅为400W，则控制板上的脉宽调制产生电路仅需发送4路驱动信号至4个不同的功率板，而其他的6个功率板被屏蔽而无需投入运行。当负载功率增加时，再逐渐开启这些被屏蔽的功率板所对应的驱动信号。较佳地，脉宽调制产生电路124输出多个驱动信号，并通过每一驱动信号对相应的功率板110进行单独控制时，不同的驱动信号具有一相位差，通过相位差来减小直流到直流电源装置的输出电压纹波。

图3是依照本发明一实施例的一种功率板110的结构示意图。功率板110包括功率电路210、隔离器212、散热片214、温度采样电路216（例如：温度传感器）、电流采样电路218和引脚220。其中，功率电路210用于传输功率，隔离器212通常是变压器。散热片214可以选择性安装于较热的元器件附近，也可以有多个散热片214分别安装于不同的元器件附近，甚至安装在功率板110的两侧或任一侧，对功率板上的功率器件114进行散热。温度采样电路216用于采集功率板110的温度，并输出对应的温度信号至控制板120。电流采样电路218用于采样功率板110的输出电流。引脚220则是用于和主板电性连接，于一实施例中，功率板110为单边引脚220的引脚排布方式。本领域的技术人员应当理解，图3的功率板仅为本发明的示意性结构，但本发明并不只局限于此。在其他的一些实施例中，功率板可只包括电流采样电路。在另一些实施例中，功率板可包括电流采样电路和温度采样电路。

图4是依照本发明一实施例的一种功率板的电路拓扑结构图。如图4所示，隔离型转换器200包括了功率电路210、隔离变压器212、电容器C1、C2和电感器230。其中功率电路210具有设置于隔离变压器212原边的功率开关管S1～S4和设置于隔离变压器212副边的功率开关管S5～S8。电感器230是输出电感。电容器C2是输出电容。此外，功率开关管S1～S8以及电容器C1、C2可通过表贴技术焊接在承载电路板112（绘示于图3）上。在可替换实施例中，上述隔离型转换器可仅包括功率电路210和隔离变压器212。而电感器230和电容器C1、C2设置于主板100。如此一来，主板130上的电感器230的一端电性耦接至功率板200上的隔离变压器212副边的功率电路，另一端电性耦接至电容器C2。

图5是依照本发明一实施例的一种控制板120的结构示意图。除了图1已绘示的脉宽调制产生电路124与反馈控制电路122以外，于图5中，控制板120还包括控制芯片310。另外，引脚320可作为通信接口，用于传送控制板120和/或功率板110的工作状态信息，并接收外部的控制指令，还可以提供与外部的通信功能，可由外部读取控制板120和功率板110的工作信息，并对控制板120和功率板110的工作进行一定程度的控制。

再者，控制板120还包括隔离器312。请同时参照图1、4、5，脉宽调制产生电路124经由隔离器312产生两路彼此隔离的驱动信号，以分别控制变压器212原边的功率开关管（S1～S4）和副边的功率开关管（S5～S8）。直流到直流电源装置还包括辅助电源314，放置于控制板120或主板130，用于对控制板120进行供电。

图6为依照本发明一实施例的一种风道示意图。如图6所示，主板130与功率板110和控制板120电性连接。区别于一个较大功率的直流变换器，本发明的每个功率板110都有一个较小的变压器（如图4的212），不仅避免漏感损耗，而且整个直流变换器中的热源分散；又因功率板110和控制板120不仅可以水平安装，也能垂直安装，通过单边引脚220、320的方式固定，自然形成的风道有利于散热，同时有利于电源系统的风道设计（如图6所示），而普通板载电源模块大多只能单面散热，因此重要元器件只能布局在单面，增加了产品设计的局限性，特别是在功率密度要求比较高的设计中，此发明更有利于优化系统散热性能的设计。

应了解到，并联的多个板载电源模块在输出功率时有一定的局限性。举例来说，两个相同功率的板载电源模块并联，假设其处在不同的散热环境中，其中一个模块处在风流量较小的位置，它的散热环境较差，当它在尚未达到额定功率时就会达到其温度过热点。而在并联系统中，每个板载电源的输出电流是相等的，所以整个并联系统的输出功率被散热环境较恶劣的板载电源限制，达不到额定的最大输出功率。为了解决板载电源模块的上述问题，请参照图7，图7是依照本发明一实施例的一种直流到直流电源装置进行温度检测的示意图。在此发明中，脉宽调制产生电路124不仅可以根据温度信号输出单个驱动信号，通过单个驱动信号对每一功率板110进行控制，实现过温保护的功能；脉宽调制产生电路124也可以根据温度信号输出多个驱动信号，通过每一驱动信号对相应的功率板110进行单独控制，以调节多个功率板110之间的温度趋向平衡。在上例描述的同样情况中，现有多个功率板并联，当控制电路根据温度信号检测到功率板的温度有明显差异时，脉宽调制产生电路124会发出某特定的驱动信号，增加散热环境较好的功率板的输出电流，使其提高输出功率。由此可知，本发明可采用各自的驱动信号来调节不同功率板之间的温度平衡，改变功率板间的功率分配，从而使直流转换器输出最大功率。

如前所述，在现有技术中，由于变压器和功率电路的设计会因变换器的功率大小而异，设计人员在面临多个产品设计项目时，往往不能利用已有的资源，导致大量的重复劳动以及较长的设计开发周期。为了适应不同负载的需要，本发明提供一个控制板120加多个功率板110的结构，其中任意数量的功率板并联连接以满足直流转换器的功率要求。比如选用4个100W的功率板110加一块控制板120就可以组成一个400W的直流变换器，或选用6个100W的功率板110加一块控制板组成一个600W的直流变换器,或选用4个200W的功率板加一块控制板120组成一个800W的直流变换器,甚至更大功率的直流转换器都能够实现极其方便的功率升级满足不同的负载需求。当然，本发明亦可提供一个控制板120加上6块功率板110的直流变换器，当负载功率需求为400W时，控制板120输出四路驱动信号至其中的4块功率板，使得直流变换器的输出功率为400W，因此，可通过屏蔽另外2块功率板来降低轻载时的损耗。再者，所选择的四路驱动信号可对应于6块功率板中的任意4块，当其中的一块功率板出现故障时，可更换另一块功率板投入运行，以实现功率板彼此之间的冗余功能；当负载功率需求为600W时，控制板120输出六路驱动信号至所有的6块功率板，使得直流变换器的输出功率为600W。此外,各种功率级别的功率板110和不同功能的控制板120都可以在工厂进行标准化生产，在进行直流模块的设计时，只需直接将合适的标准化功率板110和控制板120任意组合，比如,对于同样功率大小、不同功能的直流变换器，只需要根据所需的功能选用不同的控制板120或设计新的控制板120，而无需更换功率板110，不用像现有技术的做法去重新设计全新的产品，这样有效地节约了设计开发的时间，缩短项目的设计开发周期。

图8是依照本发明另一实施例的一种带机壳510的直流到直流电源装置100的结构示意图。如图8所示，功率板110和控制板120垂直安装在主板130上，直流到直流电源装置100封装于机壳510内，对比板载电源模块产品，其具有明显的成本优势。由于本来多个控制电路变成了一个，整个直流变换器的元器件数量减少，成本因此下降。另一个降低成本的原因：板载电源模块一般都是多层板，而功率板110只需要双层板，多层板的价格远远高于双层板。直流变换器的功率越大，并联功率板的数量越多，其成本优势就更可观。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种直流到直流电源装置，其特征在于，包括：

多个功率板，彼此并联连接，每一功率板包括承载电路板以及放置在所述承载电路板上的功率器件；

控制板，包括一反馈控制电路和一脉宽调制产生电路，所述反馈控制电路用于接收来自所述功率板的一个或多个反馈信号，所述脉宽调制产生电路根据所述反馈信号输出脉宽调制控制信号至所述功率板；以及

主板，与所述功率板和所述控制板电性连接。

2.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述功率板垂直安装在所述主板上。

3.根据权利要求1或2所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述反馈信号为电压信号、电流信号和温度信号中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述功率板还包括温度采样电路，用于检测所述功率板的温度，并输出对应的温度信号至所述控制板。

5.根据权利要求4所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述脉宽调制产生电路根据所述温度信号输出单个脉宽调制控制信号，以便对每一功率板进行控制。

6.根据权利要求4所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述脉宽调制产生电路根据所述温度信号输出多个脉宽调制控制信号，通过每一脉宽调制控制信号对相应的功率板进行单独控制，以调节多个功率板之间的温度达到平衡。

7.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述脉宽调制产生电路根据所述直流到直流电源装置的负载大小，选择输出一个或多个脉宽调制控制信号至多个功率板中的一部分功率板，以减小轻载和空载损耗。

8.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述脉宽调制产生电路输出单个脉宽调制控制信号，以便对每一功率板进行控制。

9.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述脉宽调制产生电路输出多个脉宽调制控制信号，通过每一脉宽调制控制信号对相应的功率板进行单独控制。

10.根据权利要求9所述的直流到直流电源装置，其特征在于，不同的脉宽调制控制信号具有一相位差，通过所述相位差来减小所述直流到直流电源装置的输出电压纹波。

11.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述控制板还包括一通信接口，用于传送所述控制板和/或所述功率板的工作状态信息，并接收外部的控制指令。

12.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述功率板还包括电流采样电路，用于采样所述功率板的输出电流。

13.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述控制板垂直安装于所述主板。

14.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述功率板包括一隔离型转换器，该隔离型转换器具有变压器、功率开关管、电容器和电感器，其中，所述功率开关管以及所述电容器通过表贴技术焊接在所述承载电路板上。

15.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述功率板包括一隔离型转换器，该隔离型转换器具有变压器、设置于所述变压器初级侧的一原边电路以及设置于所述变压器次级侧的一副边电路，所述主板包括一电感器和一电容器，所述电感器的一端电性耦接至所述副边电路的输出且另一端电性耦接至所述电容器。

16.根据权利要求14或15所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述控制板还包括隔离器，所述脉宽调制产生电路经由所述隔离器产生两路彼此隔离的脉宽调制控制信号，以分别控制所述变压器初级侧的功率开关管和次级侧的功率开关管。

17.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述直流到直流电源装置还包括辅助电源，放置于所述控制板或所述主板，用于对所述控制板进行供电。

18.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述功率板还包括散热片，用于对所述功率板上的功率器件进行散热。

19.根据权利要求2所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述功率板为单边引脚的引脚排布方式。

20.根据权利要求1所述的直流到直流电源装置，其特征在于，所述直流到直流电源装置封装于一机壳内。