DE29515378U1

DE29515378U1 - Power supply unit

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Publication number: DE29515378U1
Application number: DE29515378U
Authority: DE
Original assignee: SORG MANFRED ING GRAD
Current assignee: SORG MANFRED ING GRAD
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2005-09-27

Description

Stromversorgungseinheiten, auch als Netzgeräte oder Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler bezeichnet, sind ein unverzichtbarer Bestandteil der meisten elektrotechnischen Geräte, die mit Netzstrom betrieben werden. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Bauteilen, die eine möglichst perfekte und verlustfreie Umsetzung des eingangsseitigen Wechselstroms in einen möglichst geglätteten ausgangsseitigen Gleichstrom erreichen sollen.Power supply units, also known as power supplies or AC/DC converters, are an indispensable component of most electrical devices that are operated with mains power. They consist of a large number of components that are designed to achieve the most perfect and loss-free conversion possible of the input alternating current into the smoothest possible output direct current.

Trotz gewisser Standardisierungen auf diesem Gebiet durch Verwendung handelsüblicher Bauelemente oder integrierter Schaltungen, muß jedoch eine individuelle Abstimmung auf die Anforderungen des zu versorgenden Gerätes vorgenommen werden, wobei insbesondere die Festlegung der erforderlichen Einzel komponenten bzw. Module gehört, die dann zusammengefaßt werden. Das Zusammenspiel dieser Module bringt einen hohen Montageaufwand, oftmals Probleme bei der Funkentstörung, die bei der Planung kaum vorhersagbar sind und allgemeine Anpassungsprobleme der verwendeten Module untereinander zur Erreichung des angestrebten Ziels. Je nach Aufwand, technischer Qualität der Umsetzung und Leistungsauslegung entsteht somit hoher baulicher und Entwicklungsaufwand.Despite a certain degree of standardization in this area through the use of commercially available components or integrated circuits, individual adjustment to the requirements of the device to be supplied must be carried out, in particular the determination of the required individual components or modules, which are then combined. The interaction of these modules entails a high level of assembly effort, often problems with radio interference suppression, which are difficult to predict during planning, and general problems with the adaptation of the modules used to one another in order to achieve the desired goal. Depending on the effort, technical quality of implementation and performance design, this results in high construction and development costs.

Ein spezifisches Problem stellt die bei dieser Bauweise auftretende Verlustwärme bei den einzelnen Komponenten dar, deren Verteilung entsprechend der jeweiligen baulichen Konzeption unterschiedlich ist und somit eine ebenfalls im Einzelfall ausgelegte Abführung der Verlustwärme erfordert. Kühlelemente wie z.B. Kühlrippen oder ähnliches müssen auf die spezifischen Wärmequellen dimensioniert und räumlich zugeordnet werden, wobei die Gehäuseform und Gehäuseabmessungen berücksichtigt werden müssen.A specific problem with this type of construction is the heat loss that occurs in the individual components, the distribution of which varies depending on the respective structural design and therefore requires the dissipation of the heat loss to be designed on a case-by-case basis. Cooling elements such as cooling fins or similar must be dimensioned for the specific heat sources and allocated spatially, whereby the housing shape and dimensions must be taken into account.

Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, den Kompromiß zwischen elektrischer Funktionstüchtigkeit, baulicher Kompaktheit und zuverlässiger Wärmeabfuhr weitgehend zu optimieren und somit ein Bauteil zu schaffen, das als Basismodul ein weites Anwendungsspektrum abdeckt, und für spezifische Anforderungen einfach und kostengünstig modifiziert und ergänzt werden kann.It is therefore the object of the invention to largely optimize the compromise between electrical functionality, structural compactness and reliable heat dissipation and thus to create a component that, as a basic module, covers a wide range of applications and can be easily and inexpensively modified and supplemented for specific requirements.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Grundgedanken, zumindest die für die Verlustwärme "verantwortlichen" elektrischen Bauteile gemeinsam auf einer Platine anzuordnen, die mehrschichtig aufgebaut ist, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung "DCB" (directcopper bonding) oder auch IMS (insulated metal substrate) in der Halbleitertechnik bekannt ist.The solution according to the invention is based on the basic idea of arranging at least the electrical components "responsible" for the heat loss together on a circuit board that has a multi-layer structure, as is known in semiconductor technology, for example, under the name "DCB" (direct copper bonding) or IMS (insulated metal substrate).

Die Schichten einer DCB-Platine bestehen aus hoch wärme!eitfähigen Materialien (AL2O3 und CU/Ni), es ist dadurch sichergestellt, daß zumindest der überwiegende Teil der von den betreffenden Bauteilen abgehenden Verlustwärme an einer weitgehend ebenen Fläche dieser speziellen Platine zur Verfugung steht, die dann auch zweckmäßigerweise mit der Basisplatte oder Montageplatte des Gehäuses des Gerätes in thermisch leitenden Verbindung gebracht wird, beispielsweise verklebt oder verschraubt wird. Diese Anordnung hat den entscheidenden Vorteil, daß die Wärmeabgabe zum weit überwiegenden Teil über eine definierte Fläche des Gehäuses des Gerätes erfolgt, so daß an dieser Fläche erfindungsgemäß auch ein bekanntes Kühlelement wie z.B. Kühlrippen angebracht werden können, die die entstehende Verlustwärme dann zuverlässig abführen.The layers of a DCB board consist of highly thermally conductive materials (AL2O3 and CU/Ni), which ensures that at least the majority of the heat loss from the relevant components is available on a largely flat surface of this special board, which is then conveniently connected to the base plate or mounting plate of the device's housing in a thermally conductive manner, for example by gluing or screwing. This arrangement has the decisive advantage that the majority of the heat is dissipated via a defined surface of the device's housing, so that a known cooling element such as cooling fins can also be attached to this surface according to the invention, which then reliably dissipate the resulting heat loss.

Diese Maßnahme hat den unmittelbaren Vorteil, daß das Gehäuse selbst dann keine weiteren Lüftungsvorrichtungen, wie z.B. Kanäle und Lüftungsschlitze an Stellen erhöhter Temperaturentwicklung aufweisen muß, so daß eine räumliche Minimierung des Gehäuses und damit eine sehr hohe Packungsdichte bzw. Leistungsdichte erreicht werden kann. In der Praxis wird dies so aussehen, daß das Gehäuse als flacher Quader ausgeführt ist, dessen eine Breitseite in dem oben genannten Sinne als "Wärmeabgabefläche" definiert ist und der dann ein geeignetes Kühlelement zugeordnet werden kann.This measure has the immediate advantage that the housing itself does not need to have any additional ventilation devices, such as ducts and ventilation slots in places where the temperature is increased, so that the spatial size of the housing can be minimized and a very high packing density or power density can be achieved. In practice, this will look like this: the housing is designed as a flat cuboid, one broad side of which is defined as a "heat dissipation surface" in the sense mentioned above, and to which a suitable cooling element can then be assigned.

Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit ist daher extrem kompakt ausführbar und mit geringen Änderungen, beispielsweise durch Anbringung verschiedener Schalter- oder Steckerelemente an den Schmalseiten des Gehäuses, leicht modifizierbar, ohne in das Grundkonzept bzw. den Basisaufbau der Einheit eingreifen zu müssen.The power supply unit according to the invention can therefore be made extremely compact and can be easily modified with minor changes, for example by attaching various switch or plug elements to the narrow sides of the housing, without having to intervene in the basic concept or the basic structure of the unit.

Example:

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Stromversorgungseinheit nach der Erfindung im Detail dargestellt, wobei das Gehäuse 30 teilweise aufgeschnitten dargestellt ist und eine DCB-Platine 10 zeigt. Das Gehäuse 30 weist auf der zu einer Kühleinheit 40 zeigenden Breitseite eine Montageplatte oder Basisplatte 31 auf, auf deren Innenseite die Platine 10 befestigt ist, bestehend aus einer äußeren CU/Ni-Schicht 1OA, einer mittleren, AI-203-Schicht 1OB und einer innen liegenden CU/Ni-Schicht IOC, auf der einzelne Bauteile 20,21,22 verlötet sind und aus denen auch die Kontaktbahnen der Platine aufgebaut sind.In Figure 1, an embodiment of a power supply unit according to the invention is shown in detail, with the housing 30 shown partially cut open and showing a DCB board 10. The housing 30 has a mounting plate or base plate 31 on the broad side facing a cooling unit 40, on the inside of which the board 10 is attached, consisting of an outer CU/Ni layer 1OA, a middle AI-203 layer 1OB and an inner CU/Ni layer IOC, on which individual components 20, 21, 22 are soldered and from which the contact tracks of the board are also constructed.

Die Platine 10 befindet sich in unmittelbarem flächigen Kontakt mit der Basisplatte 31, so daß die von den Bauteilen 20,21 über die Platine 10 bzw. von den Bauteilen 22 unmittelbar an die Basisplatte 31 entweichende Verlustwärme an ein Kühlelement 40 gegeben wird, das im dargestellten Ausführungsbeispiel mit Kühlrippen 41 versehen ist.The circuit board 10 is in direct surface contact with the base plate 31, so that the heat loss escaping from the components 20, 21 via the circuit board 10 or from the components 22 directly to the base plate 31 is passed to a cooling element 40, which in the embodiment shown is provided with cooling fins 41.

Abhängig von der Auslegung der Bauteile 20,21,22 auf der Platine 10 und der von diesen verursachten Wärmeentwicklung, können verschiedene Kühlelemente 40 zum Einsatz kommen, wie sie als weitere Ausführungsbeispiele in Figur 2 gezeigt sind:Depending on the design of the components 20, 21, 22 on the circuit board 10 and the heat generated by them, various cooling elements 40 can be used, as shown as further embodiments in Figure 2:

Figur 2A zeigt ein Kühlelement mit schmaleren Rippen 41A, mit zugeordnetem Gebläse 41B, Figur 2B zeigt eine Flüssigkeitskühlung mit Anschlüssen 42A,42B zur Zufuhr bzw. Abfuhr einer Kühlflüssigkeit, Figur 2C schließlich zeigt ein U-förmiges Kühlblech, beispielsweise aus Aluminium, bei dem es sich auch um das Gehäuse eines größeren elektrotechnischen Gerätes handeln kann, dessen Bestandteil dieFigure 2A shows a cooling element with narrower ribs 41A, with an associated fan 41B, Figure 2B shows a liquid cooling system with connections 42A, 42B for supplying or removing a cooling liquid, Figure 2C finally shows a U-shaped cooling plate, for example made of aluminum, which can also be the housing of a larger electrical device, of which the

erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit bildet. In letzterem Fall, wo auf separate Kühleinrichtungen verzichtet wird, zeigen sich die Vorteile der definierten Wärmeabfuhr bei der erfindungsgemäßen Lösung besonders deutlich.forms the power supply unit according to the invention. In the latter case, where separate cooling devices are dispensed with, the advantages of defined heat dissipation in the solution according to the invention are particularly evident.

Figur 3 zeigt einige Varianten von Anschlußoptionen:Figure 3 shows some variants of connection options:

Die ausgangsseitigen Anschlüsse sind beispielsweise als Pins 38 auf der der Basisplatte 31 gegenüberliegenden Breitseite 32 des Gehäuses angebracht (Fig. 3A), es kann aber auch ein Stecker 39 an jeder gewünschten Schmalseite des Gehäuses 10 herausgeführt sein (Fig. 3B).The output-side connections are, for example, provided as pins 38 on the broad side 32 of the housing opposite the base plate 31 (Fig. 3A), but a plug 39 can also be led out on any desired narrow side of the housing 10 (Fig. 3B).

An der vorderen Schmalseite 33 des Gehäuses können dann je nach Bedarf und Kundenwunsch mehrere, insbesondere netzsei ti gen Elemente angeordnet sein, dargestellt sind in Fig. 3A, B, E ein Netz-Eingangsstecker (Kaltgerätestecker) 35, zwei Netzsicherungen 36 und ein Netzschalter 37.Depending on requirements and customer wishes, several elements, particularly those on the mains side, can be arranged on the front narrow side 33 of the housing. Fig. 3A, B, E show a mains input plug (IEC plug) 35, two mains fuses 36 and a mains switch 37.

Auch die Ausführung als Mother Board (Fig. 3E) ist möglich.It is also possible to design it as a mother board (Fig. 3E).

Bei einem konkreten Anwendungsbeispiel lassen sich Gehäusebreiten B von etwa 25 mm erreichen, mit Packungsdichten von etwa 1700 W/l.In a specific application example, housing widths B of about 25 mm can be achieved, with packing densities of about 1700 W/l.

Claims

Protection claims

1. Power supply unit, in particular a power supply unit with an alternating current/direct current converter, with a circuit board on which electrical/electronic components are held and connected to one another,

characterized in that the circuit board (10) is constructed using a technology in which the electrical/electronic components (20, 21...) are directly thermally coupled to the highly thermally conductive layers (10A...10C) of this circuit board, and that the outer of these layers (10A) of the circuit board is in thermal contact with an outer wall of a housing (30), which in turn can be at least thermally connected to an external cooling element (40).

2. Power supply unit according to claim 1, characterized in that the circuit board (10) is designed in DCB construction.

3. Power supply unit according to claim 1, characterized in that the circuit board (10) is designed in IMS construction.

4. Power supply unit according to claim 1, characterized in that the housing (30) has two opposing, large-area broad sides (31, 32) and circumferential, narrow end faces (33...), and that the circuit board (10) is arranged at least substantially parallel to one of the flat broad sides (31), in particular is mounted on this.

5. Power supply unit according to claim 4, characterized in that at least the mains-side switching and/or connection elements are attached to the narrow end faces (33) of the housing (30).

6. Power supply unit according to claim 4, characterized in that the end faces (33...) of the housing (30) are approximately 25 mm wide.

7. Power supply unit according to claim 1, characterized in that the cooling element (40) has cooling fins (41) for dissipating the heat of the outer wall of the housing (30) by convection.

8. Power supply unit according to claim 1, characterized in that the cooling element contains a container (42) with a flowing cooling medium, the side wall of which is in direct contact with the outer wall of the housing (30).

9. Power supply unit according to claim 5, characterized in that the output-side connection elements and optionally control and monitoring connections are arranged on that broad side (32) of the housing (30) which faces the contact elements of the circuit board and is located opposite the broad side (31) of the housing which can be connected to the cooling element (40).

10. Power supply unit according to claim 5, characterized in that a mains input plug (35), mains fuses (36) and a mains switch (37) are arranged exclusively or in combination on one of the end faces (33) of the housing.