CN220290177U - 一种用于台式机的电源供应器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于台式机的电源供应器，其包括：印刷电路板；位于所述印刷电路板的正面上的磁性部件；位于所述印刷电路板的背面上的晶体管器件；位于所述印刷电路板与所述晶体管器件之间的铜片；在所述印刷电路板的背面上并且包围所述晶体管器件和所述铜片的导热胶层；以及直接附接于所述导热胶层上的金属壳。
Description
技术领域
本公开总体上涉及电源领域，更具体地，涉及一种用于台式机的小尺寸、无风扇、高效率的电源供应器。
背景技术
计算机的电源供应器(Power supply unit，PSU)是一种电能转换类的电源，其负责将标准交流电转成低压稳定的直流电，从而为计算机中的其它部件供电。由于不同部件所需的电压不同，因此电源供应器需要提供若干个直流电。当前常用的ATX规格计算机电源供应器输入电压一般为100V至250V之间自动适应，输入交流电频率50Hz或60Hz，并且输出12V的稳定的直流电压。
在传统的台式计算机的机箱中，电源供应器的尺寸可达15厘米长、14厘米高、8.6厘米款，因而通常占据机箱中的较大空间，这限制了台式机机箱结构的设计。此外，传统的电源供应器的功率效率相对较低，导致发热较多较快，使得散热成问题。传统的散热方式通常是采用一个独立于电源印刷电路板(PCB)的风扇装置来对PCB上产生的热量进行散热。然而，这种风扇装置通常会带来较大的噪声，并且可靠性也比较成问题。
因此，需要一种小尺寸的、无风扇且功率效率高的电源供应器。
实用新型内容
鉴于上述问题，本公开提供了一种用于台式机的电源供应器，其包括：印刷电路板；位于所述印刷电路板的正面上的磁性部件；位于所述印刷电路板的背面上的晶体管器件；位于所述印刷电路板与所述晶体管器件之间的铜片；在所述印刷电路板的背面上并且包围所述晶体管器件和所述铜片的导热胶层；以及直接附接于所述导热胶层上的金属壳。
在实施例中，所述晶体管器件包括在高频下工作的晶体管，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，例如，基于氮化镓或碳化硅的金属氧化物半导体场效应晶体管。
在实施例中，所述磁性部件包括电感器和变压器。
在实施例中，所述电源供应器包括依次串联连接的图腾柱功率因数校正电路、半桥谐振电路和同步整流电路。
在实施例中，所述图腾柱功率因数校正电路和所述半桥谐振电路包括氮化镓晶体管。
在实施例中，所述金属壳是所述电源供应器的电源外壳。
附图说明
附图被并入本文并形成说明书的一部分，例示了本公开的实施例并与说明书一起进一步用以解释本公开的原理，并使相关领域的技术人员能够做出和使用本公开。
图1示出了电源供应器的电路示意图。
图2示出了电源供应器内的各部件的布局。
将参考附图描述各实施例。
具体实施方式
现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。例如，所描述的方法可以按照与所描述的顺序不同的顺序来执行，以及各个步骤可以被添加、省略或者组合。另外，相对一些示例所描述的特征在其它例子中也可以进行组合。
要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可包括特定的特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的措辞用语未必是指相同的实施例。另外，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其它实施例实现此类特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围之内。
本公开所提供的电源供应器的结构不仅能够大幅地提高功率效率，还能显著减小电源供应器的整体尺寸，从而使台式机机箱的设计更具灵活性。此外，通过本公开所提供的电源供应器的结构，可以避免使用独立的风扇来为电源PCB散热。
图1示出了电源供应器的电路示意图。如图1所示，电源供应器电路包括图腾柱功率因数校正(PFC)电路102、LLC半桥谐振电路104和同步整流电路106，电路102、104和106依次串联连接在一起。
由于电源供应器需要将交流电转换为稳定的低压直流电，因而首先需要将交流输入转换为直流电。如本领域技术人员所知的，在传统电源供应器中，通常采用AC输入二极管整流桥来进行交流电到直流电的转换。然而，该整流桥电路中的二极管的正向电压通常会导致较高的功耗，使得电源供应器的功率效率较低。
在实施例中，使用图腾柱功率因数校正(PFC)电路102来接收交流电，并且将交流电转换为直流电。因此，在本申请中，通过采用图腾柱PFC电路102代替二极管整流桥电路，能够提高电源供应器的功率效率。
在图腾柱PFC电路102中，优选地使用基于第三代功率半导体的MOSFET器件作为开关晶体管。由于这种基于第三代功率半导体的MOSFET器件能够在高频和高温下工作，因而其动态功率损耗能够得到降低。例如，这种基于第三代功率半导体的MOSFET器件可以包括氮化镓晶体管、碳化硅晶体管等。下文以氮化镓晶体管为例进行说明。
在传统的开关电源中，通常采用磁性元件实现滤波、能量储存和传输。开关器件的工作频率越高，则磁性元件的尺寸就可以越小，电源装置的小型化、轻量化和低成本化就越容易实现。但是，开关频率提高会相应地提升开关器件的开关损耗。因此，最好的情况是使开关在电压和电流同时为零时关断和开通，这样损耗才会真正为零。要实现这个目标，必须采用谐振技术。
在实施例中，使用LLC半桥谐振电路来实现零开关损耗。如图1所示，图腾柱PFC电路102连接到LLC半桥谐振电路104。在LLC半桥谐振电路中，电感器和电容器串联或并联可以构成谐振电路，使得在电源为直流电源时，电路中的电压或电流按照正弦规律变化。图1中的LLC半桥谐振电路104在零电压开关模式下工作，其中电路中的电压按正弦规律变化，因而存在电压过零点。如果电路中的开关器件Q1/Q2在其中的电压接近零或等于零时，发生导通或关断，则在开关器件Q1/Q2的导通或关断期间产生的损耗接近于零。
同样地，在LLC半桥谐振电路104中，优选地使用能够在高频和高温下工作的氮化镓场效应晶体管作为开关晶体管。此外，还可以使用碳化硅晶体管等其他的基于第三代功率半导体的MOSFET器件。
如图1所示，同步整流电路106连接在LLC半桥谐振电路104之后。同步整流电路是采用通态电阻极低的MOSFET器件来取代整流二极管，因此能大大降低整流器的损耗，提高DC/DC转换的效率，从而满足低电压、大电流整流的需要。
图1中的同步整流电路106在零电流开关模式下工作，其中电路中的电流按正弦规律变化，因而存在电流过零点。如果电路中的开关器件Q3/Q4在流过其的电流接近零或等于零时，发生导通或关断，则在开关器件Q3/Q4的导通或关断期间产生的损耗接近于零。
因此，在实施例中，通过采用依次串联连接在一起的图腾柱PFC电路102、LLC半桥谐振电路104和同步整流电路106的电路结构，能够显著降低功率损耗，从而大幅提高电源供应器的功率效率。此外，通过在图腾柱PFC电路102和LLC半桥谐振电路104中使用能够在高频下工作的氮化镓FET作为开关晶体管，能够进一步降低功率损耗、提高功率效率。另外，氮化镓FET不仅能够提供良好的功率效率，还有助于减小电源供应器的尺寸，这将在下文具体阐述。
如上文所述，由于诸如氮化镓晶体管等的基于第三代功率半导体的MOSFET器件能够在高频下工作，因而在图腾柱PFC电路和LLC谐振电路等需要高频操作的电路中尤为适用，能够改善电路的损耗，提升功率效率。
在实施例中，诸如变压器、电感器等磁性部件的体积相对较大，占电源供应器的相对大部分。因而，要想减小电源供应器的体积，首先需要考虑减小磁性部件的体积。以电感器为例，磁性部件的体积可以按如下公式计算：
V＝L*dI/dt
其中，频率越高，意味着电流变化率dI/dt越大，时间变化dt越小，所以在相同电流下，电感器在一个开关周期所需要存储和释放的能量也就减小,因此不需要太大的电感值，电感器的尺寸也相应地减小。
因此，通过采用能够在高频下工作的晶体管作为开关晶体管，不仅能够提高功率效率，还能够显著减小诸如电感器和变压器等磁性部件的体积尺寸，从而减小电源供应器的整体尺寸。
如图2所示，其示出了电源供应器200内的各部件的布局。如上文参考图1所描述的，电源供应器200电路包括依次串联连接在一起的图腾柱功率因数校正电路102、LLC半桥谐振电路104和同步整流电路106。如图1所示，在电路102、104和106中除了包括诸如电感器和变压器等磁性部件外，还包括诸如氮化镓开关晶体管等晶体管器件。因此，在电源供应器中，产生热量的主要部件包括磁性部件和晶体管器件这两部分。
在图2的实施例中，为了更好地散热，在PCB 203上将磁性部件201和晶体管器件211分开布置。如图2所示，由于磁性部件201的体积通常相对较大，因此，可以将磁性部件单独布置在PCB 203的正面上，从而通过自然散热的方式为PCB 203的正面上的磁性部件201散热。
诸如氮化镓晶体管的晶体管器件211布置在PCB 203的背面上，由于晶体管体积小，无法通过自然散热的方式进行散热，因此，PCB 203背面上的晶体管是通过采用导热胶连接到一层金属外壳的方式来散热的。具体而言，在实施例中，如图2所示，晶体管器件211的背面通过铜片209连接到PCB 203的背面，并且在晶体管器件211的正面上均匀地覆盖有一层导热胶层205，该导热胶层205包围晶体管器件211和铜片209，并且金属壳207直接设置并附接在导热胶层205上。在一些实施例中，导热胶是导热硅胶，其以有机硅胶为主体，并添加有填充料、导热材料等高分子材料。在一些实施例中，金属壳207即为电源供应器200的电源外壳。在一些实施例中，金属壳207可以采用铜制成。在其他实施例中，金属壳207可以是采用其他金属材料制成的外壳。
在图2所示的布局方式中，位于PCB 203的背面上的晶体管器件211的正面直接附接到导热胶层205，并通过导热胶层205连接到金属壳207，从而散除热量。同时，由于晶体管器件211的背面上的焊盘与PCB 203的背面上的焊盘直接连接，致使晶体管器件211的背面不能很好地散热，因而通过使用铜片209将晶体管器件211的背面上的焊盘引出到晶体管器件之外。由于铜片209同样也附接到导热胶层205，继而使得晶体管器件211的背面也通过导热胶层205而连接到金属壳207，从而在晶体管器件的背面上也形成完整的散热路径。
在一个实施例中，在使用时，电源供应器200被插入台式机的机箱中，由于电源供应器200中的磁性部件和晶体管器件所散发的热量被引导到作为电源外壳的金属壳207，而该金属壳207上的热量又可以通过机箱中的风扇的工作而被带出机箱。因此，即使在电源供应器200中不包含风扇，也能够实现良好的散热。
因此，通过图2的这种布局方式，不仅能够将产生大量热量的磁性部件201和晶体管器件211分开布置，采用不同方式进行散热，还能够通过采用铜片结合导热胶来对晶体管器件211的两侧都进行散热。因此，通过这种良好的散热方式，本公开所提供的电源供应器不再需要独立的风扇来为其散热。
通过本公开所提供的电源供应器，不仅能够显著提高电源供应器的功率效率，减少损耗，使功率效率能够达到96％，并且还能够减小整体电源的体积尺寸，使台式计算机的机箱设计更加灵活。此外，本公开所提供的电源供应器通过对磁性部件和晶体管器件分开布局，还能实现更好的散热，从而避免了使用独立的风扇来散热。
本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
Claims (7)
1.一种用于台式机的电源供应器，其特征在于，所述电源供应器包括：
印刷电路板；
位于所述印刷电路板的正面上的磁性部件；
位于所述印刷电路板的背面上的晶体管器件；
位于所述印刷电路板与所述晶体管器件之间的铜片；
在所述印刷电路板的背面上并且包围所述晶体管器件和所述铜片的导热胶层；以及
直接附接于所述导热胶层上的金属壳。
2.根据权利要求1所述的电源供应器，其中，所述晶体管器件包括在高频下工作的晶体管。
3.根据权利要求1或2所述的电源供应器，其中，所述晶体管器件是氮化镓晶体管或碳化硅晶体管。
4.根据权利要求1所述的电源供应器，其中，所述磁性部件包括电感器和变压器。
5.根据权利要求1所述的电源供应器，其中，所述电源供应器包括依次串联连接的图腾柱功率因数校正电路、半桥谐振电路和同步整流电路。
6.根据权利要求5所述的电源供应器，其中，所述图腾柱功率因数校正电路和所述半桥谐振电路包括氮化镓晶体管。
7.根据权利要求1所述的电源供应器，其中，所述金属壳是所述电源供应器的电源外壳。
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