TWI441406B - 模組式直流電源轉換系統及其直流電源轉換模組 - Google Patents

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Description

模組式直流電源轉換系統及其直流電源轉換模組
本發明係有關一種直流電源轉換系統，尤指一種模組式直流電源轉換系統及其直流電源轉換模組。
請參見第一圖係為先前技術之直流電源轉換器之方塊圖。如圖所示該直流電源轉換器10A係接收一直流輸入電壓Vin，並轉換該直流輸入電壓Vin之電壓準位為一直流輸出電壓Vout。其中，該直流電源轉換器10A通常係部局(layout)在一印刷電路板(printed circuit board)上。如此，使用單一直流電源轉換器做為產生直流電源輸出之用，係具有線路簡單之優點。惟，這種直流電源轉換器之電路架構之輸出功率將受到限制。另外，若該直流電源轉換器10A在使用過程中故障失效，將造成整個系統操作停滯。
此外，為了增加輸出功率之需求，因此，目前市面上也利用多組直流電源轉換器並聯使用，而發展出如第二圖所示之並聯連接之直流電源轉換器架構。如此，使用多組直流電源轉換器20A_1~20A_N做為產生直流電源輸出之用，除了可增加輸出功率外，使用者可根據系統負載所需之功率決定該些直流電源轉換器 20A_1~20A_N佈局在印刷電路板上之數量。惟，這種直流電源轉換器之電路架構之輸出功率雖然可受到調整，然而，一旦其中之一直流電源轉換器在使用過程中故障失效，整個印刷電路板裝配(PCB assembly)將報廢而無法再使用，也因此，除了增加整個系統可靠度降低之外，更造成維護成本大大地增加，並且每一開發案均需重新設計、擺置、測試等，亦造成開發時間過久，使產品無競爭性。
因此，如何設計出一種模組式直流電源轉換系統，利用模組化該些直流電源轉換器，能夠輕易地組裝或拆卸，以達到擴充性佳、壽命長、高可靠度之優點，乃為本案創作人所欲行克服並加以解決的一大課題。
本發明之一目的在於提供一種直流電源轉換模組，以克服習知技術的問題。
因此本發明之直流電源轉換模組，係接收一直流輸入電壓，以產生一直流輸出電壓。該直流電源轉換模組係包含一基板、一直流對直流轉換器以及一散熱片。
該基板係具有一第一表面與一第二表面。該直流對直流轉換器係電性連接於該基板之該第一表面上，以轉換該直流輸入電壓之電壓準位而產生該直流輸出電壓。該散熱片，係設置在該基板之該第二表面上，以對該直流對直流轉換器提供散熱。
本發明之另一目的在於提供一種模組式直流電源轉換系統，以克服習知技術的問題。
因此本發明之模組式直流電源轉換系統，係接收一直流輸入電壓，以產生一直流輸出電壓。該模組式直流電源轉換系統係包含一主板與複數個直流電源轉換模組。
該主板係包含一主表面、一電壓輸入端子、一電壓輸出端子、複數個插置區域以及複數個插針座。該電壓輸入端子係設置在該主板之該主表面上。該電壓輸出端子係設置在該主板之該主表面上。該些插置區域係設置在該主板之該主表面上。該些插針座係設置在該主板之該主表面上，並每兩個插針座係設置在一個插置區域上，以雙排結構設置在該插置區域上之相對兩側。
每一該直流電源轉換模組係包含一基板、一直流對直流轉換器、一散熱片以及複數個插針。該基板係具有一第一表面與一第二表面。該直流對直流轉換器係電性連接於該基板之該第一表面上，以轉換該直流輸入電壓之電壓準位而產生該直流輸出電壓。該散熱片係設置在該基板之該第二表面上，以對該直流對直流轉換器提供散熱。該些插針係以雙排結構設置在該基板之該第一表面上之相對兩側。
當該些插針插接於所對應之該些插針座時，該直流輸入電壓係由該主板之該電壓輸入端子輸入，並利用該些直流電源轉換模組轉換該直流輸入電壓之電壓準位，在該主板之該電壓輸出端子輸出一直流輸出電壓。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所 附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
〔先前技術］
10A‧‧‧直流電源轉換器
20A_1~20A_N‧‧‧直流電源轉換器
Vin‧‧‧直流輸入電壓
Vout‧‧‧直流輸出電壓
〔本發明］
10_1~10_N‧‧‧直流電源轉換模組
Vin‧‧‧直流輸入電壓
Vout‧‧‧直流輸出電壓
10‧‧‧直流電源轉換模組
102‧‧‧基板
1021‧‧‧基板第一表面
1022‧‧‧基板第二表面
104‧‧‧直流對直流轉換器
106‧‧‧散熱片
108‧‧‧插針
20‧‧‧模組式直流電源轉換系統
202‧‧‧主板
2022‧‧‧電壓輸入端子
2024‧‧‧電壓輸出端子
2026‧‧‧插置區域
2028‧‧‧插針座
第一圖係為先前技術之直流電源轉換器之方塊圖；第二圖係為先前技術之直流電源轉換器並聯連接之方塊示意圖；第三圖係為本發明複數個直流電源轉換模組並聯連接之方塊示意圖；第四圖A係為本發明該直流電源轉換模組之一側立體示意圖；第四圖B係為本發明該直流電源轉換模組之另一側立體示意圖；第五圖係為本發明一主板之一側立體示意圖；及第六圖係為本發明該些直流電源轉換模組組裝於該主板之立體示意圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參見第三圖係為本發明複數個直流電源轉換模組並聯連接之方塊示意圖。該些直流電源轉換模組10_1~10_N係彼此電性並聯連接，以接收一外部直流輸入電壓Vin。該些直流電源轉換模組10_1~10_N係轉換該直流輸入電壓Vin之電壓準位為一直流輸出電壓Vout。其中，該些直流電源轉換模組10_1~10_N係可為降壓式轉換器(buck converter)，以降壓該直流輸入電壓Vin之電壓準位；或者，該些直流電源轉換模組10_1~10_N係可為昇壓式轉換器(boost converter)，以昇壓該直流輸入電壓Vin之電壓準位；再者，該些直流電源轉換模組10_1~10_N係可為昇降壓式轉換器 (buck-boost converter)，以昇壓或降壓該直流輸入電壓之電壓準位，但不以此為限。在本實施例中，該些直流電源轉換模組10_1~10_N係提供降壓操作，用以將18伏特之該直流輸入電壓Vin轉換為12伏特之該直流輸出電壓Vout。
在實際應用上，該些直流電源轉換模組10_1~10_N之使用數量，可根據系統負載所需之功率調整，而達到可擴充之功能。此外，每一該直流電源轉換模組10_1~10_N係為高功率輸出之模組，在本發明之實施例中，每一該直流電源轉換模組10_1~10_N之輸出額定功率為1,000瓦。因此，若系統負載所需之功率在1,000瓦以內，則可僅裝設一該直流對直流轉換器模組。若系統負載所需之功率超過1,000瓦但尚不及2,000瓦，則可裝設兩個該直流對直流轉換器模組。因此，可根據系統負載所需之功率調整該些直流電源轉換模組10_1~10_N之使用數量。
請參見第四圖A係為本發明該直流電源轉換模組之一側立體示意圖，另外，第四圖B係為本發明該直流電源轉換模組之另一側立體示意圖。該直流電源轉換模組10係接收一直流輸入電壓，以產生一直流輸出電壓。其中，該直流電源轉換模組10係為第三圖所示之任一該直流電源轉換模組10_1~10_N。該直流電源轉換模組10係包含一基板102、一直流對直流轉換器104以及一散熱片106。
該基板102係具有一第一表面1021與一第二表面1022。其中，該基板102係可為一多層印刷電路板(multi-layer printed circuit board)。該直流對直流轉換器104係電性連接於該基板102之該第一表面1021上，以轉換該直流輸入電壓之電壓準位而 產生該直流輸出電壓。其中，該直流對直流轉換器104係為降壓式(buck)、昇壓式(boost)、昇降壓式(buck-boost)或高頻式電源轉換器。因此，該直流對直流轉換器104係包含由電容、電感、開關以及二極體所組成之電路架構(topology)。該散熱片106係設置在該基板102之該第二表面1022上，以對該直流對直流轉換器104提供散熱。
值得一提，本發明該直流電源轉換模組10之較佳實施例中，該直流對直流轉換器104係操作在400千赫茲(kHz)以上之高頻脈波寬度調變(pulse-width modulation,PWM)控制。因此，該直流對直流轉換器104可達到小型化之設計，使得該直流電源轉換模組10可在1U高度(4公分)之空間內，輸出達到1,000瓦以上之輸出。
此外，為了解決該直流對直流轉換器104在高頻操作下所產生之兩大主要問題一散熱問題與電磁干擾(electromagnetic interference)問題，因此，本發明也揭露克服前述問題之技術手段：
一、針對散熱問題。利用在該基板102之該第二表面1022上設置該散熱片106，以對該直流對直流轉換器104提供散熱。並且，由於該散熱片106係設置在該第二表面1022上(有別於該直流對直流轉換器104之組成元件係設置在該第一表面1021上)，因此，能有效利用該基板102之該第一表面1021與該第二表面1022之空間，而縮小該直流電源轉換模組10之體積。
二、針對電磁干擾問題。該直流電源轉換模組10內部所產生之電磁干擾，可透過該基板102為多層印刷電路板架構，利用層間屏 蔽設計，經由對於信號、接地與電源之佈局，以提供電磁干擾之抑制。
本發明另外揭露一種模組式直流電源轉換系統，係接收一直流輸入電壓，以產生一直流輸出電壓。該模組式直流電源轉換系統20係包含一主板202與複數個直流電源轉換模組10。
請參見第五圖係為本發明一主板之一側立體示意圖。該主板202係包含一主表面(未標示)、一電壓輸入端子2022、一電壓輸出端子2024、複數個插置區域2026以及複數個插針座2028。該電壓輸入端子2022、該電壓輸出端子2024、該些插針座2028係設置在該主板202之該主表面上。其中，每兩個插針座2028係設置在一個插置區域2026間上，以雙排結構設置在該插置區域2026上之相對兩側。
再請配合參見第四圖A與第四圖B，每一該直流電源轉換模組10係包含一基板102、一直流對直流轉換器104、一散熱片106以及複數個插針108。該基板102係具有一第一表面1021與一第二表面1022。其中，該基板102係可為一多層印刷電路板(multi-layer printed circuit board)。該直流對直流轉換器104係電性連接於該基板102之該第一表面1021上，以轉換該直流輸入電壓之電壓準位而產生該直流輸出電壓。其中，該直流對直流轉換器104係為降壓式(buck)、昇壓式(boost)或昇降壓式(buck-boost)之轉換器或高頻式電源轉換器。因此，該直流對直流轉換器104係包含由電容、電感、開關以及二極體所組成之電路架構(topology)。其中，該直流對直流轉換器104係操作於400千赫茲(kHz)以上之高頻脈波寬度調變控制。該散熱片106係設置在該基 板102之該第二表面1022上，以對該直流對直流轉換器104提供散熱。該些插針108係以雙排結構設置在該基板102之該第一表面1021上之相對兩側。
當該些直流電源轉換模組10利用該些插針108電性插接於所對應之該些插針座2028時，該直流輸入電壓係由該主板之該電壓輸入端子2022，並利用該些直流電源轉換模組10轉換該直流輸入電壓之電壓準位，在該主板202之該電壓輸出端子2024輸出一直流輸出電壓。
請參見第六圖係為本發明該些直流電源轉換模組組裝於該主板之立體示意圖。以本實施例為例，該主板202係具有六個插置區域2026，並且，其中四個插置區域2026係插設有直流電源轉換模組10。亦即，使用者可根據系統負載所需決定該些直流電源轉換模組10之使用數量。值得一提，每一該直流電源轉換模組10係可插設在該些插置區域2026之任意位置，而不受順序之限制。亦即，本實施例所示該些直流電源轉換模組10插設於該主板202之上半部之四個插置區域2026，僅為其中一種插設方式。並且，若當系統負載增加時，使用者可在未插設有該直流電源轉換模組10之該插置區域2026上，再行加裝所需之該直流電源轉換模組10。如此，可提高該模組式直流電源轉換系統之擴充性。
使用者可依實際之需要予以變更該些直流電源轉換模組10之插設位置，如此，由於該些直流電源轉換模組10彼此間係為電性並聯連接，因此，將提供該模組式直流電源轉換系統之使用彈性。尤其，若當該些插針座2028中有任一發生電性連接失效，使用者可暫先保留異常之該插針座2028，先使用其他正常該些插針座2028 ，而俟其他時日，再針對異常之該插針座2028予以修補。再者，由於每一該直流電源轉換模組10可提供獨立之操作，因此，當些直流電源轉換模組10有任一發生故障失效時，使用者可針對故障之該直流電源轉換模組10予以更換。並且，若在插設使用的過程中，若發生有該直流電源轉換模組10故障失效時，僅為故障之該直流電源轉換模組10無法致能使用，並不會使整個模組式直流電源轉換系統發生失效。因此，使用者可在插接該直流電源轉換模組10於該主板202上使用之前，經過測試無誤之後，再插接使用，可增加該模組式直流電源轉換系統20之可靠度。
再者，為了解決該直流對直流轉換器104在高頻操作下所產生之兩大主要問題-散熱問題與電磁干擾(electromagnetic interference)問題，因此，本發明也揭露克服前述問題之技術手段：
一、針對散熱問題。利用在該基板102之該第二表面1022上設置該散熱片106，並提供良好之風道，使得當該直流電源轉換模組10插接於該主板202使用時能對該直流對直流轉換器104提供良好之散熱，如此，可提高該模組式直流電源轉換系統20之操作穩定度。並且，由於該散熱片106係設置在該第二表面1022上(有別於該直流對直流轉換器104之組成元件係設置在該第一表面1021上)，因此，能有效利用該基板102之該第一表面1021與該第二表面1022之空間，而縮小該直流電源轉換模組10之體積。
二、針對電磁干擾問題。該直流電源轉換模組10內部所產生之電磁干擾，可透過該基板102為多層印刷電路板架構，利用層間屏蔽設計，經由對於信號、接地與電源之佈局，以提供電磁干擾之 抑制。
綜上所述，本發明係具有以下之優點：1、模組化與高擴充性-利用將單一直流電源轉換器線路佈局(layout)在一印刷電路板上予以模組化，使其成為可獨立操作之電路模組，如此，可輕易地透過組裝或拆卸，可因應負載所需之功率需求，彈性地插接該些直流電源轉換模組，並提供額外擴充空間；2、高頻化與輕薄小型化-利用將該些直流對直流轉換器操作在400kHz以上之高頻脈波寬度調變控制，因此可縮減該些直流對直流轉換器之元件體積，而使該模組式直流電源轉換系統達到小型並輕薄化；3、高輸出功率-利用多個直流電源轉換模組整合在一主板上，而提供更高功率輸出之需求；4、高可靠度-可在插接該直流電源轉換模組於該主板上使用之前，經過測試無誤之後，再插接使用，以增加該模組式直流電源轉換系統之可靠度；5、高效率-利用該基板為多層印刷電路板架構，利用層間屏蔽設計，以提供電磁干擾之抑制，而提高該模組式直流電源轉換系統之轉換效率；及6、高穩定度-利用設置於該基板上之散熱片，並提供良好之風道，以對該直流對直流轉換器提供良好之散熱，而增加該模組式直流電源轉換系統之操作穩定度。
惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
10‧‧‧直流電源轉換模組
102‧‧‧基板
106‧‧‧散熱片
20‧‧‧模組式直流電源轉換系統
202‧‧‧主板
2022‧‧‧電壓輸入端子
2024‧‧‧電壓輸出端子
2026‧‧‧插置區域
2028‧‧‧插針座

Claims (10)

  1. 一種直流電源轉換模組，係設置在一主板上，接收一直流輸入電壓，以產生一直流輸出電壓，該直流電源轉換模組係包含：一基板，係具有一第一表面與一第二表面；一直流對直流轉換器，係電性連接並且裸露於該基板之該第一表面上，以轉換該直流輸入電壓之電壓準位而產生該直流輸出電壓；一散熱片，係設置並且裸露在該基板之該第二表面上，以對該直流對直流轉換器提供散熱；及複數個插針，係以雙排結構設置在該基板之該第一表面上之相對兩側，以提供該直流電源轉換模組與該主板之電性連接。
  2. 如申請專利範圍第1項該直流電源轉換模組，其中該直流對直流轉換器係為一降壓式轉換器、一昇壓式轉換器、一昇降壓式轉換器或高頻式電源轉換器，係對該直流輸入電壓之電壓準位進行降壓或昇壓。
  3. 如申請專利範圍第1項該直流電源轉換模組，其中該基板係為一多層印刷電路板，係利用層間屏蔽設計，提供電磁干擾之抑制。
  4. 如申請專利範圍第1項該直流電源轉換模組，其中該直流對直流轉換器係操作於400千赫茲(kHz)以上之高頻脈波寬度調變控制。
  5. 一種模組式直流電源轉換系統，係接收一直流輸入電壓，以產生一直流輸出電壓，該模組式直流電源轉換系統係包含：一主板，包含有： 一主表面；一電壓輸入端子，係設置在該主板之該主表面上；一電壓輸出端子，係設置在該主板之該主表面上；複數個插置區域，係設置在該主板之該主表面上；及複數個插針座，係設置在主板之該主表面上，並每一該插針座係以相對方式雙排結構設置在該插置區域上之兩側；及複數個直流電源轉換模組，每一該直流電源轉換模組係包含：一基板，係具有一第一表面與一第二表面；一直流對直流轉換器，係電性連接並且裸露於該基板之該第一表面上，以轉換該直流輸入電壓之電壓準位而產生該直流輸出電壓；一散熱片，係設置並且裸露在該基板之該第二表面上，以對該直流對直流轉換器提供散熱；及複數個插針，係以雙排結構設置在該基板之該第一表面上之相對兩側，以提供該直流電源轉換模組與該主板之電性連接；當該些插針插接於所對應之該些插針座時，該直流輸入電壓係由該主板之該電壓輸入端子輸入，並利用該些直流電源轉換模組轉換該直流輸入電壓之電壓準位，在該主板之該電壓輸出端子輸出一直流輸出電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項該直流電源轉換系統，其中該些直流電源轉換模組係彼此電性並聯連接。
  7. 如申請專利範圍第5項該直流電源轉換系統，其中該主板係為一多層印刷電路板。
  8. 如申請專利範圍第5項該直流電源轉換系統，其中該基板係為一多層印刷電路板，係利用層間屏蔽設計，提供電磁干擾之抑制。
  9. 如申請專利範圍第5項該直流電源轉換系統，其中該直流對直流轉換器係為一降壓式轉換器、一昇壓式轉換器、一昇降壓式轉換器或高頻式電源轉換器，係對該直流輸入電壓之電壓準位進行降壓或昇壓。
  10. 如申請專利範圍第5項該直流電源轉換系統，其中該直流對直流轉換器係操作於400千赫茲(kHz)以上之高頻脈波寬度調變控制。
TW100121635A 2011-06-21 2011-06-21 模組式直流電源轉換系統及其直流電源轉換模組 TWI441406B (zh)

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