CN218920286U - 一种高频电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高频电路及开关电源，该高频电路应用于印刷电路板，通过在高频电路中设置第一电流路径和第二电流路径，第一电流路径与第二电流路径相连，第二电流路径和第一电流路径上下放置，第一电流路径的电流流向与第二电流路径的电流流向相反，从而使第一电流路径中的线路布局与第二电流路径中的布局形成反向叠层布局，降低高频电路的交流电阻，减少功率损耗。

Description

一种高频电路及开关电源

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，特别是一种高频电路及开关电源。

背景技术

开关电源(switching mode power supply，SMPS)是一种高频化电能转换装置，开关电源中包括许多由功率器件所组成的高频环路，当高频环路电流较大时，高频环路产生交流阻抗，导致功率损耗，开关电源的效率降低。因此，如何在高频环路电流较大时，降低高频环路的交流阻抗，成为当下所需解决的技术问题。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种高频电路及开关电源，使得高频环路在电流较大时降低功率损耗，具体方案如下：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种高频电路，其特征在于，所述电路应用于印刷电路板，所述电路包括：

第一电流路径和第二电流路径；

所述第一电流路径与所述第二电流路径相连；

所述第二电流路径和所述第一电流路径上下放置；

所述第一电流路径的电流流向与所述第二电流路径的电流流向相反。

所述高频电路还包括：高频电路器件；

所述高频电路器件包括：功率开关管、电容和/或电感和/或变压器绕组；

所述高频电路器件位于所述印刷电路板的顶层和/或底层。

可选的，所述高频电路器件位于所述第一电流路径时，所述第二电流路径中的导线经过所述第一电流路径中高频电路器件在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影；所述高频电路器件位于所述第二电流路径时，所述第一电流路径中的导线经过所述第二电流路径中高频电路器件在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影。

可选的，所述第一电流路径和所述第二电流路径不经过所述高频电路器件所位于的区域时，所述第二电流路径的导线在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影，与所述第一电流路径的导线在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影相同。

可选的，所述高频电路器件为插件器件和/或贴片器件。

可选的，所述第一电流路径中的高频电路器件和所述第二电流路径中的高频电路器件通过印制导线进行连接。

可选的，所述印刷电路板为双层板或多层板。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种开关电源，所述开关电源包括上述任意一种高频电路。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通过在印刷电路板中设置上下放置的第一电流路径和第二电流路径，并使第一电流路径的电流流向与第二电流路径的电流流向相反，从而使高频电路具备反向叠层布局结构，降低高频电路的交流电阻，减少功率损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种PCB布局结构示意图；

图2为两块铜箔上下放置的电流分布仿真结果分析图；

图3为两块铜箔左右放置的电流分布仿真结果分析图；

图4本实用新型实施例中一种高频电路的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中另一种高频电路的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中另一种高频电路的等效电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

图1为现有技术中的一种PCB板布局结构示意图，其中，变压器T1有5个脚位，分别是变压器第一引脚T1(1)、变压器第二引脚T1(2)、变压器第三引脚T1(3)、变压器第四引脚T1(4)和变压器第五引脚T1(5)，其中，变压器第一引脚T1(1)、变压器第二引脚T1(2)是原边脚位，变压器第三引脚T1(3)、变压器第四引脚T1(4)和变压器第五引脚T1(5)是副边脚位。第一同步整流管Q1、第二同步整流管Q2，各有3个脚位，栅极Q1(1)和栅极Q2(1)，源极Q1(2)和源极Q2(2)，漏极Q1(3)和漏极Q2(3)。电感L1有2个脚位，分别是电感第一引脚L1(1)和电感第二引脚L1(2)。电容C1有2个脚位，分别是正极脚位C1(+)和负极脚位C1(-)。T1(4)与L1(1)连接，L1(2)与C1(+)连接，C1(-)与Q2(2)连接，Q2(3)与T1(3)连接，C1(-)与Q1(2)连接，Q1(3)与T1(5)连接。

由背景技术可知，现有技术中的高频环路在电流较大时均会产生交流阻抗，导致电流减小，影响开关电源的效率。

为解决上述技术问题，通过电磁仿真软件对高频大电流环路的电流分布进行仿真分析，将两块宽度3mm厚度为0.2mm的铜箔分别流过正反向的频率为100K的40A的高频电流，也就是说两块铜箔一块为电流流入，另一块为电流流出，并将两块铜箔进行上下放置和左右放置。

如图2所示，当将两块铜箔进行上下放置时，最大电流密度为95A每平方毫米，电流在铜箔上分布较为均匀。如图3所示，当将两块铜箔进行左右放置时，最大电流密度为223A每平方毫米左右，两块铜箔的相互接近的位置电流密度大。仿真结果表明，进行左右放置的两块铜箔相对于进行上下放置的两块铜箔，在频率为100K的高频电流下的交流阻抗比值为1.88。若将两块铜箔的宽度加大或厚度减小，则进行左右放置的两块铜箔相对于进行上下放置的两块铜箔在100K的高频电流的交流阻抗的比值会增大。

对上述仿真结果进行实验验证：

将两块铜箔放置在印刷电路板(printed circuit board，PCB)上，在印制电路板A上将两块铜箔进行左右放置，铜箔之间的间距为2毫米，铜箔宽度20毫米、长度65毫米、厚度0.035毫米，两块铜箔的前端的2毫米间距用宽度10毫米、长度10毫米、厚度0.2毫米的铜片连接，两块铜箔的后端分别用绞合的多股漆包线焊接连接到电流源。

在印制电路板B上将两块铜箔进行上下放置，铜箔之间的间距为2毫米，铜箔宽度20毫米、长度65毫米、厚度0.035毫米，两块铜箔的前端的2毫米间距用宽度10毫米、长度10毫米、厚度0.2毫米的铜片连接，两块铜箔的后端分别用绞合的多股漆包线焊接连接到电流源，电流源采用30A的直流电流源。

印制电路板A上两块铜箔的后端之间的压降为90毫伏，则两块铜箔的直流电阻为3毫欧，印制电路板B上两块铜箔的后端之间的压降为90毫伏，则两块铜箔的直流电阻为3毫欧。由此可知，印制电路板A与印制电路板B上铜箔的直流电阻相同。

测量印制电路板A和印制电路板B的温升，由于印制电路板A上面的两块铜箔左右放置，铜箔的下面是印制电路板的基板，铜箔表面散热比较快，基板的热阻大，所以基板的温度上升比较慢；由于印制电路板B上面的两块铜箔上下放置，两块铜箔的中间是印制电路板的基板，基板的热阻大，基板受到上下两块铜箔同时加热，所以基板温度相对比较高。由此可知，虽然印制电路板A和印制电路板B的损耗相同，但是基板温度并不相同。基于此，可根据印制电路板A和印制电路板B的损耗和基板温度绘制损耗-基板温度曲线，并根据基板温度，推算出对应的损耗，根据损耗，确定印制电路板A和印制电路板B在频率为100K下的交流电阻分别为19毫欧和7毫欧。基于上述内容，本实用新型实施例提供了一种高频电路，以解决高频环路在电流较大时均会产生交流阻抗，导致功率损耗这一技术问题。

如图4所示，本实用新型实施例提供了一种高频电路，所述电路应用于印刷电路板，所述电路包括：

第一电流路径401和第二电流路径402；

所述第一电流路径401与所述第二电流路径402相连；

所述第二电流路径和所述第一电流路径上下放置；

所述第一电流路径的电流流向与所述第二电流路径的电流流向相反。

第一电流路径401可以位于第二电流路径402的上方或者下方，具体可根据实际需求进行选择。第一电流路径401上的电流流向与第二电流路径402的电流流向相反，如，当第一电流路径401在第二电流路径402上方时，第一电流路径401中任意一区域的电流流向，与第二电流路径402中该区域在印刷电路板上的投影位置的电流流向相反。

通过将第二电流路径402和第一电流路径401的进行上下放置，并使第一电流路径401与第二电流路径402中的电流流向相反，从而使得高频电路中的电流密度较为均匀，降低交流电阻，减少电路的功率损耗。

在一种可选的实施例中，所述高频电路还包括：高频电路器件；

所述高频电路器件包括：功率开关管、电容和/或电感和/或变压器绕组；

所述高频电路器件位于所述印刷电路板的顶层和/或底层。

高频电路为由功率开关管、电容和/或电感和/或变压器绕组组成的一个或多个高频电路。

在一种可选的实施例中，所述高频电路器件位于所述第一电流路径401时，所述第二电流路径402中的导线经过所述第一电流路径401中高频电路器件在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影；所述高频电路器件位于所述第二电流路径402时，所述第一电流路径401中的导线经过所述第二电流路径402中高频电路器件在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影。

在第一电流路径401中包括高频电路器件时，第二电流路径402经过第一电流路径401中所包含的高频电路器件在垂直于印刷电路板的方向上的投影位置。在第二电流路径402中包括高频电路器件时，第一电流路径401经过第二电流路径402中所包含的高频电路器件在垂直于印刷电路板的方向上的投影位置。从而使第二电流路径402中的走线形状与第一电流路径401中的走线形状相似，走线形状为电路中的导线所构成的形状。

需要说明的是，导线经过高频电路器件在垂直于印刷电路板的方向上的投影位置可以为与该高频电路器件连接或导线直接经过该高频电路器件的投影位置，具体可根据实际需要选择。

在另一种可选的实施例中，所述第一电流路径401和所述第二电流路径402不经过所述高频电路器件所位于的区域时，所述第二电流路径402的导线在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影，与所述第一电流路径401的导线在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影相同。

在第一电流路径401和第二电流路径402均未经过高频电路器件所在的区域时，第一电流路径401和第二电流路径402中只包括用于传输电流的导线，第一电流路径401与第二电流路径402完全镜像，也就是说第一电流路径401中的导线在垂直于印刷电路板层方向上的投影和第二电流路径402中的导线在垂直于印刷电路板层方向上的投影完全相同。

在一种可选的实施例中，高频电路器件为插件器件和/或贴片器件。

高频电路器件可以部分为插件器件部分为贴片器件，或全部为插件器件，或全部为贴片器件，具体可结合实际需求进行选择。

为便于理解本实用新型所要保护的高频电路，下面进行举例说明：

如图5左半部分电路所示，在一种可选的实施例中，第一电流路径401包括：

变压器T1、第一同步整流管Q1、第二同步整流管Q2、电感L1和电容C1；

变压器的第三引脚T1(3)与第二同步整流管的漏极Q2(3)连接；

第二同步整流管的源极Q2(2)与电容的负极C1(-)连接；

电容的正极C1(+)与电感的第二引脚L1(2)相连；

电容的负极C1(-)与第一同步整流管的源极Q1(2)相连；

第一同步整流管的漏极Q1(3)与变压器的第五引脚T1(5)相连；

电容的负极C1(-)接地。

变压器T1、电感L1和电容C1为插件器件。

第一同步整流管Q1和第二同步整流管Q2为贴片器件。

在第一电流路径401中，当变压器T1的同名端电压为正时，电流从电感第二引脚L1(2)经过电容正极C1(+)、电容负极C1(-)、第二同步整流管的源极Q2(2)、第二同步整流管的漏极Q2(3)、变压器第三引脚T1(3)，回到变压器T1。此时，第一电流路径中只有电感第二引脚L1(2)-电容正极C1(+)-电容负极C1(-)-第二同步整流管的源极Q2(2)-第二同步整流管的漏极Q2(3)-变压器第三引脚T1(3)这一路径中存在电流。

当变压器T1的同名端电压为负时，电流从电感第二引脚L1(2)经过电容正极C1(+)、电容负极C1(-)、第一同步整流管的源极Q1(2)、第一同步整流管的漏极Q1(3)、变压器第三引脚T1(3)，回到变压器T1。此时，第一电流路径中只有第二引脚L1(2)-电容正极C1(+)-电容负极C1(-)-第一同步整流管的源极Q1(2)-第一同步整流管的漏极Q1(3)-变压器第三引脚T1(3)这一路径中存在电流。

当变压器T1的同名端电压为0时，电流从电感第二引脚L1(2)经过电容正极C1(+)、电容负极C1(-)，分为两路，一路经过第二同步整流管的源极Q2(2)、第二同步整流管的漏极Q2(3)、变压器第三引脚T1(3)，回到变压器T1，另一路经过第一同步整流管的源极Q1(2)、第一同步整流管的漏极Q1(3)、变压器第三引脚T1(3)，回到变压器T1。此时，第一电流路径中的电感第二引脚L1(2)-电容正极C1(+)-电容负极C1(-)-第二同步整流管的源极Q2(2)-第二同步整流管的漏极Q2(3)-变压器第三引脚T1(3)这一路径，和第二引脚L1(2)-电容正极C1(+)-电容负极C1(-)-第一同步整流管的源极Q1(2)-第一同步整流管的漏极Q1(3)-变压器第三引脚T1(3)这一路径中均存在电流。

如图5右半部分电路所示，第二电流路径402包括：

变压器T1和电感L1；

变压器的第四引脚T1(4)与电感的第一引脚L1(1)相连。

变压器的第四引脚T1(4)通过上连接路径和下连接路径与电感的第一引脚L1(1)相连；上连接路径包括，变压器的第四引脚T1(4)依次经过第一同步整流管Q1所在的位置以及电容C1所在的位置，与电感的第一引脚L1(1)相连；下连接路径包括，变压器的第四引脚T1(4)依次经过第二同步整流管Q2所在的位置以及电容C1所在的位置，与电感的第一引脚L1(1)相连。

当变压器T1同名端电压为正时，电流从变压器第四引脚T1(4)出发，存在上连接路径和下连接路径两种路径到达电感第一引脚L1(1)。

由上述仿真和实验结果可知，当变压器T1同名端电压为正时，上连接路径高频交流电阻比较小，下连接路径高频交流电阻比较大，大部分交流电流通过上连接路径，较小部分交流电流通过下连接路径，由于大部分交流电流会走交流电阻比较小的回路，所以，当变压器T1的同名端电压为正时，第二电流路径402可以看做是通过上连接路径使电流从变压器第四引脚T1(4)出发到达电感第一引脚L1(1)。

当变压器T1同名端电压为负时，电流从变压器第四引脚T1(4)出发，存在上连接路径和下连接路径两种路径到达电感第一引脚L1(1)。

由上述仿真和实验结果可知，当变压器T1同名端电压为负时，上连接路径高频交流电阻比较大，下连接路径高频交流电阻比较小，大部分交流电流通过下连接路径，较小部分交流电流通过上连接路径，由于大部分交流电流会走交流电阻比较小的回路，所以，当变压器T1的同名端电压为正时，第二电流路径402可以看做是通过下连接路径使电流从变压器第四引脚T1(4)出发到达电感第一引脚L1(1)。

当变压器T1同名端电压为0时，电流从变压器第四引脚T1(4)出发，存在上连接路径和下连接路径两种路径到达电感第一引脚L1(1)。由于，在变压器T1同名端电压为0时，上连接路径的高频交流电阻与下连接路径的高频交流电阻相同，上连接路径和下连接路径中均存在较大交流电流，所以当变压器T1同名端电压为0时，第二电流路径402可以看做是通过上连接路径和下连接路径使电流从变压器第四引脚T1(4)出发到达电感第一引脚L1(1)。

通过为第二电流路径402中变压器T1的第四引脚至电感的第一引脚设置两种连接路径，使得变压器T1同名端电压分别为正、负和0时，第二电流路径402中的导线布局均与第一电流路径401中的导线布局近似镜像，且第一电流路径中的电流流向与第二电流路径中的电流流向相反，使电流密度更加均匀，减小高频电路中的交流电阻。

为便于理解，进一步将图5所对应的实施例等效为电路图，如图6所示，当变压器T1同名端电压为正时，电流从变压器第四引脚T1(4)出发，经过电感第一引脚L1(1)、电感第二引脚L1(2)、电容正极C1(+)、电容负极C1(-)、第二同步整流管的源极Q2(2)、第二同步整流管的漏极Q2(3)、变压器第三引脚T1(3)，回到变压器T1。当变压器T1同名端电压为负时，电流从变压器第四引脚T1(4)出发，经过电感第一引脚L1(1)、电感第二引脚L1(2)、电容正极C1(+)、电容负极C1(-)、第一同步整流管的源极Q1(2)、第一同步整流管的漏极Q1(3)、变压器第五引脚T1(5)，回到变压器T1。当变压器T1同名端电压为0时，为电感电流续流状态，电流从变压器第四引脚T1(4)出发，经过电感第一引脚L1(1)、电感第二引脚L1(2)、电容正极C1(+)、电容负极C1(-)，然后分为两路，一路经过第二同步整流管的源极Q2(2)、第二同步整流管的漏极Q2(3)、变压器第三引脚T1(3)，回到变压器T1，另一路经过第一同步整流管的源极Q1(2)、第一同步整流管的漏极Q1(3)、变压器第五引脚T1(5)，回到变压器T1。

需要说明的是，本实用新型中的高频回路还可以为包括其他元器件的高频电路，如只包括变压器、电容和整流管高频电路，此处仅为举例示意，并不是对本实用新型中高频电路的限制。

在一种可选的实施例中，所述第一电流路径401中的高频电路器件和所述第二电流路径402中的高频电路器件通过印制导线进行连接。

通过印制导线分别将第一电流路径401中所需进行连接的各个高频电路器件，以及第二电流路径402中所需进行连接的各个高频电路器件进行连接。

在一种可选的实施例中，所述印刷电路板为双层板或多层板。

选择双层板或多层板作为本实用新型实施例中的印刷电路板，第一电路板层为印刷电路板的正面，第二电路板层为双层板的另一层或多层板的其他层。

需要说明的是，第一电流路径所经过的印刷电路板层数量与第二电流路径所经过的印刷电路板层数量可以不相同。如，第一电流路径部分位于第一层，部分位于第二层，第二电流路径位于第三层。

在一种可选的实施例中，所述印刷电路板层之间还包括绝缘层；

所述绝缘层的厚度为0.1毫米。

由于环路的面积约为正向电流印制导线的长度与两层印制导线之间的间隔距离的乘积的两倍，所以，在第一电路板和第二电路板之间的绝缘层厚度较小时，本实用新型实施例中的环路面积较小，从而在降低高频电路中的交流阻抗的同时，降低高频电路所产生的噪音。

本实用新型通过在印刷电路板中设置上下放置的第一电流路径和第二电流路径，并使第一电流路径的电流流向与第二电流路径的电流流向相反，从而使高频电路具备反向叠层布局结构，降低高频电路的交流电阻，减少功率损耗。

本实用新型实施例还提供了一种开关电源，所述开关电源包括上述任意一种高频电路。

开关电源原边采用半桥拓扑，副边采用全波整流结构的同步整流。

通过在印刷电路板中设置上下放置的第一电流路径和第二电流路径，并使第一电流路径的电流流向与第二电流路径的电流流向相反，从而使高频电路具备反向叠层布局结构，降低高频电路的交流电阻，提高开关电源的效率。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种高频电路，其特征在于，所述电路应用于印刷电路板，所述高频电路包括：

第一电流路径和第二电流路径；

所述第一电流路径与所述第二电流路径相连；

所述第二电流路径和所述第一电流路径上下放置；

所述第一电流路径的电流流向与所述第二电流路径的电流流向相反。

2.根据权利要求1所述的高频电路，其特征在于，所述高频电路还包括：高频电路器件；

所述高频电路器件包括：功率开关管、电容和/或电感和/或变压器绕组；

所述高频电路器件位于所述印刷电路板的顶层和/或底层。

3.根据权利要求2所述的高频电路，其特征在于，所述高频电路器件位于所述第一电流路径时，所述第二电流路径中的导线经过所述第一电流路径中高频电路器件在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影；

所述高频电路器件位于所述第二电流路径时，所述第一电流路径中的导线经过所述第二电流路径中高频电路器件在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影。

4.根据权利要求1所述的高频电路，其特征在于，所述第一电流路径和所述第二电流路径不经过所述高频电路器件所位于的区域时，所述第二电流路径的导线在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影，与所述第一电流路径的导线在垂直于所述印刷电路板层方向上的投影相同。

5.根据权利要求2所述的高频电路，其特征在于，所述高频电路器件为插件器件和/或贴片器件。

6.根据权利要求3所述的高频电路，其特征在于，所述第一电流路径中的高频电路器件和所述第二电流路径中的高频电路器件通过印制导线进行连接。

7.根据权利要求1所述的高频电路，其特征在于，所述印刷电路板为双层板或多层板。

8.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括权利要求1-7中任意一项所述的高频电路。

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