TWI578681B - 電源供應器及同步整流模組電路板 - Google Patents

Description

電源供應器及同步整流模組電路板

本發明是有關於一種電源供應器，特別是指一種將功率開關元件以模組化電路板方式另外插置在主電路板上之電源供應器。

習知電源供應器之變壓器二次側電路中的同步整流電路包含有兩顆運作時會產生高溫的MOS開關元件(整流晶體)，因此，為了解決MOS開關元件的散熱問題，如圖1所示，傳統的作法是將這兩顆MOS開關元件11、12以一組螺絲13(在正面)和螺帽(在背面，圖未示)穿過MOS開關元件11、12外露的一金屬片14，並將MOS開關元件11、12鎖固在一散熱器15的相反兩面上，以透過散熱器15解決MOS開關元件11、12過熱問題。但是，要將MOS開關元件11、12固定在散熱器15上，並使兩顆MOS開關元件11、12不致透過外露的金屬片14與散熱器15接觸而相互導接，必需在散熱器15表面先墊一絕緣片16，在絕緣片16上放置MOS開關元件11、12後，再於MOS開關元件11的金屬片14與螺絲13之間，以及MOS開關元件12與螺帽(圖未示)之間分別墊一絕緣粒17，並塗上散熱膏(圖未示)。但此做法不但製程繁複、耗費零件而且需要大量人工作業，無法有效縮減製程時間、人力和成本。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以簡化製程、節省零件，並有效縮減功率開關元件所佔用的空間、人工作業、製程時間和成本的電源供應器及同步整流模組電路板。

為達到上述目的，本發明之電源供應器包括一主電路板及一功率開關模組電路板。

該主電路板，包括一包含一初級側繞組及一次級側繞組的變壓器，一與該變壓器的初級側繞組電耦接的初級側電路，一與該變壓器的次級側繞組電耦接的次級側電路。

該功率開關模組電路板包含一印刷電路板及至少一設置在該印刷電路板上的功率開關元件，該印刷電路板的側邊設有至少三個導接墊，且該功率開關元件的三個電極經由形成在該印刷電路板上的三條導線各別導接至相對應的導接墊，該功率開關模組電路板可插接在該主電路板上，並透過該等導接墊與該初級側電路或該次級側電路其中之一電耦接，而構成該初級側電路或該次級側電路的一部分。

較佳地，該等導線是由印刷在該印刷電路板上的銅箔所構成，且其中與該功率開關元件的汲極和閘極連接的導線線寬及面積遠大於與該功率開關元件的源極連接的導線。

較佳地，該次級側電路包括一輸出濾波器，且該功率開關模組電路板是一電耦接在該變壓器的次級側繞組與該輸出濾波器之間的同步整流模組電路板，其包括兩個功率開關元件、兩個分別與相對應的功率開關元件電耦接的驅動電路，以及兩個分別與相對應的功率開關元件電耦接的 緩衝電路。且較佳地，該二功率開關元件的汲極經由導線電耦接並連接至該等導接墊其中之一，其源極分別經由導線連接至其它兩個導接墊，其閘極分別連接相對應的該驅動電路，且其汲極和源極之間電耦接相對應的該緩衝電路。

較佳地，該初級側電路包括一橋式整流電路，且該功率開關模組電路板是一電耦接在該橋式整流電路與該變壓器的初級側繞組之間的升壓模組電路板，並包括一功率開關元件及一二極體，功率開關元件的汲極經由一導線與該二極體的A極(陽極)電耦接並連接設於該印刷電路板側邊的一第一導接墊，其源極和閘極各別經由二導線連接至該印刷電路板側邊的一第二導接墊及一第三導接墊，該二極體的K極(陰極)則經由另一導線連接至該印刷電路板側邊的一第四導接墊。

較佳地，該初級側電路包括一升壓電路，且該功率開關模組電路板電耦接在該升壓電路與該變壓器的初級側繞組之間，並包括兩顆功率開關元件，其中一功率開關元件的源極、閘極和汲極分別經由三條導線連接至位於該印刷電路板側邊的三個導接墊，另一功率開關元件的源極、閘極和汲極則分別經由另外三條導線連接至位於該印刷電路板側邊的另外三個導接墊。

再者，本發明之同步整流模組電路板，包括一印刷電路板，兩個設置在該印刷電路板上的功率開關元件，兩個設置在該印刷電路板上並分別與相對應的各該功率開關元件的閘極電耦接的驅動電路，以及兩個設置在該印刷電路 板上並分別電耦接在相對應的各該功率開關元件的汲極和源極之間的緩衝電路。

較佳地，該印刷電路板的側邊設有複數導接墊，且該二功率開關元件的汲極經由一條導線電耦接並連接至該等導接墊其中之一，其源極分別經由二條導線連接至該等導接墊的其中兩個，其閘極分別連接相對應的該驅動電路，且其汲極和源極之間電耦接相對應的該緩衝電路。

較佳地，該印刷電路板是一單層電路板，且該等導線是由印刷在該印刷電路板上的銅箔所構成，且其中與該二功率開關元件的汲極和閘極連接的導線線寬及面積遠大於與該二功率開關元件的源極連接的導線。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參見圖2所示，一般電源供應器2主要包括一變壓器3以及設於變壓器3的一次側繞組31側的一次側電路4和設於變壓器3的二次側繞組32側的二次側電路5。

其中一次側電路4主要包括一個對輸入的交流電源AC進行EMI差模雜訊和共模雜訊濾波的EMI濾波電路41，一個對EMI濾波電路41輸出的交流電源進行全波整流，以產生一直流脈動電壓的橋式整流電路42，一個將直流脈動電壓進行升壓轉換以輸出一高電壓(約380V)的升 壓電路43，一個受升壓電路43輸出的高電壓驅動，以對變壓器3的一次側繞組31激磁，使進行電壓能量轉換，而讓變壓器3的二次側繞組32產生一感應電壓的功率開關電路44，以及一個控制功率開關電路44之導通時間的PWM控制電路45。

而二次側電路5主要包括一個與變壓器3的二次側繞組32電耦接，以對二次側繞組32產生的感應電壓進行同步整流，以輸出一直流電壓的同步整流電路51，一個濾除同步整流電路51輸出的直流電壓中的漣波成份的輸出濾波電路52，以及一個回授電路53，其取樣輸出濾波電路52輸出的直流電壓，並經由一光耦(圖未示)輸出一控制訊號控制PWM控制電路45，使改變功率開關電路44的導通時間，讓同步整流電路51得以輸出穩定的直流電壓。

其中，如圖3所示，升壓電路43主要包含一MOS功率開關元件Q1、一與MOS功率開關元件Q1的汲極D順向連接的二極體D1，以及一連接MOS功率開關元件Q1的閘極G之.驅動電路，該驅動電路包含一設在MOS功率開關元件Q1的閘極G和源極S之間的電阻R1，以及一與MOS功率開關元件Q1的閘極G電耦接的電阻R2。

功率開關電路44主要包含兩個MOS功率開關元件Q2、Q3，以及各別連接MOS功率開關元件Q2、Q3的閘極G之驅動電路，其中一驅動電路包含一連接在MOS功率開關元件Q2的閘極G和源極S之間的電阻R3和一與MOS功率開關元件Q2的閘極G電耦接的電阻R4。另一驅動電路包含一連接在MOS功率開關元件Q3的閘極G和源極S之間的電阻R5，以及一與MOS功率開關元件Q3的閘極G電耦接的電阻R6。

同步整流電路51主要包含兩個MOS功率開關元件Q4、Q5，兩個各別與相對應的MOS功率開關元件Q4、Q5的閘極G電耦接的驅動電路54、55，以及兩個各別電耦接在相對應的MOS功率開關元件Q4、Q5的汲極D和源極S之間的緩衝電路(snubber)56、57。其中驅動電路54包含一連接在MOS功率開關元件Q4的閘極G和源極S之間的電阻R7以及一連接MOS功率開關元件Q4的閘極G之電阻R8。驅動電路55包含兩個連接MOS功率開關元件Q4的閘極G且並聯之電阻R10、R11，以及一連接在MOS功率開關元件Q5的閘極G和源極S之間的電阻R12。緩衝電路(snubber)56包含串接在MOS功率開關元件Q4的汲極D和源極S之間的一電阻R9和一電容C1。緩衝電路(snubber)57包含連接在MOS功率開關元件Q5的汲極D和源極S之間的三個並聯的電阻R13、R14、R15和一電容C2。

且為了讓上述MOS功率開關元件Q1~Q5便於組裝、替換及散熱，本實施例主要將電源供應器2其中的至少一MOS功率開關元件另外設置在一單層的獨立的印刷電路板上，使構成一功率開關模組電路板，且MOS功率開關元件的源極S、閘極G和汲極D可透過設置在該獨立的印刷電路板上的導接墊(pad)與電源供應器2之設置在主電路板上的其它電路電耦接，藉此，將工作溫度高的MOS功率開關元件另外設置在獨立的印刷電路板上，不但可避免主電路板因溫度過高散熱不及而影響其它電路元件運作，而且當MOS功率開關元件損壞時，只需更換一功率開關模組電路板即可，並且省去傳統以人工鎖固MOS功率開關元件於散熱片上，再將MOS功率開關元件插設焊接在電源供應器2的主電路板上之繁複製程，並節省將MOS功率開關元件鎖固於散熱片時需要用到的絕緣片、絕緣粒、螺絲、螺帽等零件，有效縮減製程時間、人力和成本。

因此，根據上述做法，在本實施例中，例如圖4所示，可以將電源供應器2之二次側電路5中的同步整流電路51另外設置在一單層的獨立的印刷電路板6上，而構成一同步整流模組電路板100，其中MOS功率開關元件Q4的源極S經由導線61連接至印刷電路板6側邊的第一導接墊62，其汲極D經由導線63與另一MOS功率開關元件Q5的汲極D電耦接，並連接至印刷電路板6側邊的第二導接墊64，其閘極G則經由導線65與驅動電路54電耦接，驅動電路54中的電阻R7電耦接在MOS功率開關元件Q4的閘極G和源極S之間，且電阻R8電耦接在該閘極G和一輸出接腳66之間。另外，緩衝電路56電耦接在MOS功率開關元件Q4的汲極D和源極S之間，並包含串聯的電阻R9和電容C1。而另一MOS功率開關元件Q5的源極S經由導線67連接至印刷電路板6的第三導接墊68，且驅動電路55與MOS功率開關元件Q5的閘極G電耦接，其中的電阻R10、R11並聯且電耦接在閘極G與一輸出接腳69之間，電阻R12電耦接在MOS功率開關元件Q5的閘極G和源極S之間。而緩衝電路57電耦接在MOS功率開關元件Q5的源極S和汲極D之間，並包含三個並聯的電阻R13、R14、R15以及與該等電阻R13、R14、R15串接的電容C2。

而且其中的導線61、63、67是由印刷電路板6上大片面積的銅箔構成，可讓MOS功率開關元件Q4、Q5經由導線61、63、67進行散熱。再者，需要說明的是，圖4中跨過元件之導線只是說明元件之間的連接關係的示意圖，實際上該等導線是佈設在印刷電路板6表面上的銅箔且位於元件的下方。

此外，印刷電路板6上還設有兩顆用以感測同步整流電路51之溫度的溫度感測器58、59。該二溫度感測器58、59各別經由導線連接至相對應的輸出接腳35~38。

藉此，同步整流模組電路板100可以透過該些導接墊62、64、68和輸出接腳66、69、35~38插置在主電路板10的一插槽20上並與主電路板10電耦接，而連接在變壓器3的次級側繞組32與輸出濾波器52之間，不但簡化人工組裝過程，並且能透過印刷電路板6上的銅箔散熱，縮小體積節省空間，而且當需要置換或擴充同步整流電路時，只需要將整塊同步整流模組電路板100從主電路板10上取下，再換上一塊新的同步整流模組電路板即可，更換非常容易且方便。而且，本實施例透過獨立的單層印刷電路板6以及加寬的銅箔導線62、63、64寬度即可達到散熱效果。此外，亦可將本實施例的同步整流電路51設置在具有雙層或雙層以上銅箔的印刷電路板，以透過印刷電路板之一層以上的銅箔以及加寬的銅箔導線進一步提升散熱效果。

再參見圖5所示，本實施例亦可將電源供應器2之升壓電路43中的MOS功率開關元件Q1和二極體D1製作在另一單層的獨立的印刷電路板7上，而構成一升壓模組電路板200，亦即MOS功率開關元件Q1的汲極D經由導線71與二極體的A極(陽極)電耦接並連接設於印刷電路板7側邊的一第一導接墊72，源極S和閘極G亦各別經由導線73、74連接至印刷電路板7側邊的一第二導接墊75及一第三導接墊76，二極體D1的K極(陰極)則經由另一導線77連接至印刷電路板7側邊的一第四導接墊78。而且導線71、73、77是由印刷電路板7上的大面積銅箔構成。且同樣地，升壓模組電路板200亦可將該等導接墊72、75、76、78插置在設於上述主電路板10上的一插槽(圖未示)而與主電路板10上的其它電路電耦接。

藉此，將升壓電路43設置在單層的印刷電路板7上，不但可以簡化人工組裝過程，且MOS功率開關元件Q1和二極體D1可透過印刷電路板7上的銅箔進行散熱，並且相較於傳統需要鎖固一散熱片的MOS功率開關元件而言，進一步縮小了升壓電路43的體積而節省空間，而且當要擴充或置換升壓電路43時，只需將整個升壓模組電路板換掉即可，置換相對簡單容易。

再參見圖6所示，本實施例亦可將電源供應器2之功率開關電路44中的兩個MOS功率開關元件Q2、Q3另外製作在另一單層的獨立的印刷電路板8上，而構成一功率開關模組電路板300，其中MOS功率開關元件Q2的汲極D、源極S、閘極G分別經由導線81、82、83連接至位於印刷電路板8側邊的三個導接墊84、85、86，而MOS功率開關元件Q3的汲極D、源極S、閘極G則分別經由導線87、88、89連接至位於印刷電路板8側邊另外的三個導接墊91、92、93，其中導線81、82、87、88是由印刷電路板8上的大面積銅箔所構成，而有助於MOS功率開關元件Q2、Q3散熱。同樣地，功率開關模組電路板300亦可藉由導接墊84~86、91~93插置在設於上述主電路板10上的一插槽(圖未示)而與主電路板10上的其它電路電耦接。

因此，將功率開關電路44中的兩個MOS功率開關元件Q2、Q3設置在單層的印刷電路板8上，不但可以簡化人工組裝散熱片的製程，並且相較於傳統需要鎖固一散熱片的MOS功率開關元件而言，進一步縮小了功率開關電路43的體積，而且當要置換MOS功率開關元件Q2、Q3時，只需將整個功率開關模組電路板換掉即可。

綜上所述，上述實施例藉由將運作時易產生高溫的一顆或多顆功率開關元件，或由至少一顆或多顆功率開關元件組成的同步整流電路51、升壓電路43另外設置在一印刷電路板上，構成一功率開關模組電路板300、一同步整流模組電路板100或一升壓模組電路板200，並將連接功率開關元件之由印刷電路板上的銅箔構成的導線之線寬加寬，使功率開關元件不但能透過本身所在的印刷電路板上的銅箔散熱，而不需再鎖附於一大體積的散熱片上，而縮小電路體積並節省空間，而且當需要置換或擴充同步整流電路或升壓電路或功率開關元件時，只需將整塊模組電路板(例如同步整流模組電路板100、升壓模組電路板200或功率開關模組電路板300)從電源供應器2的主電路板10上取下，再換上一塊新的模組電路板即可，更換非常容易且方便擴充，確實達到本發明的功效和目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．電源供應器

3．．．變壓器

4．．．一次側電路

5．．．二次側電路

6、7、8．．．印刷電路板

10．．．主電路板

20．．．插槽

31．．．一次側繞組

32．．．二次側繞組

41．．．EMI濾波器

42．．．橋式整流器

43．．．升壓電路

44．．．功率開關電路

45．．．PWM控制電路

51．．．同步整流電路

52．．．輸出濾波電路

53．．．回授電路

54、55．．．驅動電路

56、57．．．緩衝電路

58、59．．．溫度感測器

61、63、67．．．導線

62、64、68．．．導接墊

35~38、66、69．．．輸出接腳

71、73、74、77．．．導線

72、75、76、78．．．導接墊

81~83、87~89．．．導線

84~86、91~93．．．導接墊

100．．．同步整流模組電路板

200．．．升壓模組電路板

300．．．功率開關模組電路板

Q1~Q5．．．功率開關元件

R1~R15．．．電阻

C1、C2．．．電容

圖1是習知將功率開關元件鎖固在一散熱片上的示意圖；

圖2是習知電源供應器的主要電路方塊圖

圖3是習知電源供應器的升壓電路、功率開關電路及同步整流電路的詳細電路圖；

圖4是本發明電源供應器的一較佳實施例，其將同步整流電路設置在主電路板之外的一印刷電路板上，而構成一同步整流模組電路板，其中顯示設置在印刷電路板上的同步整流電路之元件配置以及元件與印刷電路板上之導線的連接關係；

圖5是本實施例將升壓電路中的功率開關元件及二極體另外設置在主電路板之外的一獨立的印刷電路板上，而構成一升壓模組電路板，其中顯示功率開關元件及二極體在印刷電路板上的配置以及與印刷電路板上之導線的連接關係；及

圖6是本實施例將功率開關電路中的兩顆功率開關元件另外設置在主電路板之外的一獨立的印刷電路板上，而構成一功率開關模組電路板，其中顯示該二功率開關元件在印刷電路板上的配置以及與印刷電路板上之導線的連接關係。

10．．．主電路板

20．．．插槽

51．．．同步整流電路

54、55．．．驅動電路

56、57．．．緩衝電路

58、59．．．溫度感測器

61、63、65、67．．．導線

62、64、68．．．導接墊

35~38、66、69．．．輸出接腳

100．．．同步整流模組電路板

Q4、Q5．．．功率開關元件

R7~R15．．．電阻

C1、C2．．．電容

6．．．印刷電路板

Claims (10)

1. 一種電源供應器，包括：一主電路板，包括：一變壓器，包含一初級側繞組及一次級側繞組；一初級側電路，與該變壓器的初級側繞組電耦接；一次級側電路，與該變壓器的次級側繞組電耦接；及一功率開關模組電路板，包含一獨立的印刷電路板及至少一設置在該印刷電路板上的功率開關元件，該印刷電路板的側邊設有至少三個導接墊，且該功率開關元件的三個電極經由形成在該印刷電路板上的三條導線各別導接至相對應的導接墊，該功率開關模組電路板可插接在該主電路板上，並透過該等導接墊與該初級側電路或該次級側電路其中之一電耦接，而構成該初級側電路或該次級側電路的一部分。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的電源供應器，其中該等導線是由印刷在該印刷電路板上的銅箔所構成，且其中與該功率開關元件的汲極和閘極連接的導線線寬及面積遠大於與該功率開關元件的源極連接的導線。
3. 依據申請專利範圍第1項所述的電源供應器，其中該印刷電路板是一單層電路板。
4. 依據申請專利範圍第1、2或3項所述的電源供應器，其中該次級側電路包括一輸出濾波器，且該功率開關模組電路板是一電耦接在該變壓器的次級側繞組與該輸出濾波器之 間的同步整流模組電路板，其包括兩個功率開關元件、兩個分別與相對應的功率開關元件電耦接的驅動電路，以及兩個分別與相對應的功率開關元件電耦接的緩衝電路。
5. 依據申請專利範圍第4項所述的電源供應器，其中該二功率開關元件的汲極經由導線電耦接並連接至該等導接墊其中之一，其源極分別經由導線連接至其它兩個導接墊，其閘極分別連接相對應的該驅動電路，且其汲極和源極之間電耦接相對應的該緩衝電路。
6. 依據申請專利範圍第1、2或3項所述的電源供應器，其中該初級側電路包括一橋式整流電路，且該功率開關模組電路板是一電耦接在該橋式整流電路與該變壓器的初級側繞組之間的升壓模組電路板，並包括一功率開關元件及一二極體，功率開關元件的汲極經由一導線與該二極體的陽極電耦接並連接設於該印刷電路板側邊的一第一導接墊，其源極和閘極各別經由二導線連接至該印刷電路板側邊的一第二導接墊及一第三導接墊，該二極體的陰極則經由另一導線連接至該印刷電路板側邊的一第四導接墊。
7. 依據申請專利範圍第1、2或3項所述的電源供應器，其中該初級側電路包括一升壓電路，且該功率開關模組電路板電耦接在該升壓電路與該變壓器的初級側繞組之間，並包括兩顆功率開關元件，其中一功率開關元件的源極、閘極和汲極分別經由三條導線連接至位於該印刷電路板側邊的三個導接墊，另一功率開關元件的源極、閘極和汲極則分別經由另外三條導線連接至位於該印刷電路板側邊的另外 三個導接墊。
8. 一種同步整流模組電路板，包括：一印刷電路板；兩個功率開關元件，設置在該電路板上；兩個驅動電路，設置在該電路板上並分別與相對應的各該功率開關元件的閘極電耦接；及兩個緩衝電路，設置在該電路板上並分別電耦接在相對應的各該功率開關元件的汲極和源極之間。
9. 依據申請專利範圍第8項所述的同步整流模組電路板，其中該印刷電路板的側邊設有複數導接墊，且該二功率開關元件的汲極經由一條導線電耦接並連接至該等導接墊其中之一，其源極分別經由二條導線連接至該等導接墊的其中兩個。
10. 依據申請專利範圍第9項所述的同步整流模組電路板，其中該印刷電路板是一單層電路板，且該等導線是由印刷在該印刷電路板上的銅箔所構成，且其中與該二功率開關元件的汲極和閘極連接的導線線寬及面積遠大於與該二功率開關元件的源極連接的導線。