CN104901551A - 高功率密度低压输出同步整流电源模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率密度低压输出同步整流电源模块，电源模块包括变压器、多层PCB板、铝基板和外壳；高功率密度低压输出同步整流电源模块采用初级部分为单端正激有源钳位电路，次级部分为同步整流电路；变压器采用平面变压器磁芯，变压器线圈、控制电路和功率电路集成一体化设计，采用多层PCB板的方式；功率器件、变压器和电感通过传导硅橡胶与基板粘贴方式传导散热，本发明的内部功率回路、外壳、控制电路、变压器和电感一体化集成设计，保证其结构简单，可靠性好、成本低、适应范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源模块，具体地说，涉及一种高功率密度低压输出同步整流电源模块。
背景技术
目前，随着国际电源模块发展趋势为输出低电压大电流，市场上需求此类产品越来越多，美国synqor公司生产的IQ24系列产品是典型的输出低电压大电流产品，并且在国内应用在非常重要的场合，具有不可替代的作用。
随着近期美国对国内部分模块实行禁运政策，影响了国内重要项目的进度和国家的战备保障能力。这就要求国内尽早将其国产化，这样不仅可以减少进口费用，提高项目研发进度，也能提高国产电源产品的水平，而且可以促进国内相关产业的发展，保障国家战备实力。
发明内容
本发明正是为了解决上述技术问题，而设计的一种高功率密度低压输出同步整流电源模块。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高功率密度低压输出同步整流电源模块，包括变压器、多层PCB板、铝板和外壳。高功率密度低压输出同步整流电源模块初级部分为单端正激有源钳位电路，变压器T1的初级绕组异名端与功率开关管Q1的漏极和钳位电容C16一端相连，功率开关管Q1的栅极和源极均与逻辑控制电路相连；钳位电容C16另一端与有源钳位功率开关管Q2的漏极相连，有源钳位开关管Q2的栅极与隔离电容C15一端和二极管D阳极相连，有源钳位开关管Q2的源极、隔离电容C15和二极管D阴极与逻辑控制电路相连；次级部分为同步整流电路，变压器T1的次级绕组同名端与整流管Q3和Q4的漏极和续流管Q5和Q6的栅极相连，变压器T1的次级绕组异名端与整流管Q3和Q4的栅极和续流管Q5和Q6的漏极相连，整流管Q3和Q4的源极和续流管Q5和Q6的源极相连再接输出滤波电路；输出电压采样电路检测端夸接在输出滤波电容CO的两端，输出电压采样电路输出端通过OC电路与逻辑控制电路相连。
所述高功率密度低压输出同步整流电源模块，其变压器线圈T1、控制电路和功率电路集成一体化设计，采用多层PCB板的方式；功率器件、变压器通过传导硅橡胶与基板粘贴方式传导散热；输入电压覆盖DC9V-DC80V，输出电压覆盖DC1.5V-DC15V，外形尺寸为36.47*26.31*12.7mm，最大输出功率为50W，最大输出电流为25A，最高功率密度为67.3W/in3。
所述高功率密度低压输出同步整流电源模块，其变压器T1采用铁氧体磁芯P14/8-3C81。
所述高功率密度低压输出同步整流电源模块，其功率开关管Q1和有源钳位开关管Q2均为MOSFET零电压开关管。
本发明具有下列特点：
1、输入端与输出端之间隔离耐压为DC500V；
2、内部功率回路、外壳、控制电路、变压器和电感一体化集成设计；
3、采用自然散热方式，无需外加散热措施；
4、输入电压覆盖DC9V-DC80V，输出电压覆盖DC1.5V-DC15V（单路输出），体积为：36.47*26.31*12.7（单位:mm），最大输出功率为50W，最大输出电流为25A，最高功率密度为：67.3W/in3。
本发明的有益效果是内部功率回路、外壳、控制电路、变压器和电感一体化集成设计，保证其结构简单，可靠性好、成本低、适应范围广。
附图说明
图1为本发明高功率密度低压输出同步整流电源模块等效原理框图。
图2为本发明高功率密度低压输出同步整流电源模块输入、测试和输出点波型图。
图3为本发明高功率密度低压输出同步整流电源模块电路原理图。
图4为本发明高功率密度低压输出同步整流电源模块顶视结构图。
图5为本发明高功率密度低压输出同步整流电源模块剖面结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1和3 所示，一种高功率密度低压输出同步整流电源模块，包括变压器、多层PCB板、铝板和外壳。高功率密度低压输出同步整流电源模块初级部分为单端正激有源钳位电路，变压器T1的初级绕组异名端与功率开关管Q1的漏极和钳位电容C16一端相连，功率开关管Q1的栅极和源极均与逻辑控制电路相连；钳位电容C16另一端与有源钳位功率开关管Q2的漏极相连，有源钳位开关管Q2的栅极与隔离电容C15一端和二极管D阳极相连，有源钳位开关管Q2的源极、隔离电容C15和二极管D阴极与逻辑控制电路相连；次级部分为同步整流电路，变压器T1的次级绕组同名端与整流管Q3和Q4的漏极和续流管Q5和Q6的栅极相连，变压器T1的次级绕组异名端与整流管Q3和Q4的栅极和续流管Q5和Q6的漏极相连，整流管Q3和Q4的源极和续流管Q5和Q6的源极相连再接输出滤波电路；输出电压采样电路检测端夸接在输出滤波电容CO的两端，输出电压采样电路输出端通过OC电路与逻辑控制电路相连。
所述高功率密度低压输出同步整流电源模块，其变压器线圈T1、控制电路和功率电路集成一体化设计，采用多层PCB板的方式；功率器件、变压器通过传导硅橡胶与基板粘贴方式传导散热；输入电压覆盖DC9V-DC80V，输出电压覆盖DC1.5V-DC15V，外形尺寸为36.47*26.31*12.7mm，最大输出功率为50W，最大输出电流为25A，最高功率密度为67.3W/in3。通过采用上述的设计方案的电源模块完全替代美国synqor公司生产的IQ24系列产品，实现国产化，得到了广泛应用。
所述高功率密度低压输出同步整流电源模块，其变压器T1采用铁氧体磁芯P14/8-3C81。
所述高功率密度低压输出同步整流电源模块，其功率开关管Q1和有源钳位开关管Q2均为MOSFET零电压开关管。
如图3和图4所示，本发明电源模块内部采用变压器、变压器线圈、控制电路和功率电路集成一体化设计，采用多层PCB板的方式结构，这种方式结构简单，可靠性高，所有器件采用贴片方式，通过自动贴片机进行贴装，减少人为因素。电源模块内部功率器件、变压器通过传导硅橡胶与基板粘贴方式传导散热，其散热能力非常好，可以保证产品内部的散热和各部分的热平衡。
高功率密度低压输出同步整流电源模块，其内部变压器、变压器线圈、控制电路和功率电路集成一体化设计，采用多层PCB板的方式，其顶视结构图见图3和剖面结构图4。注：1：外壳；2：输入插针；3：输出插针；4：输入滤波和控制电路；5：输出滤波、控制电路和储能电感；6：四层PCB线路板、功率电路和控制电路集成一体化设计在PCB板上；7：铝板：将变压器和功率管的热量传导出去；8：导热硅胶：将功率器件与铝板粘贴，起到导热和固定作用；9：输出功率管；10：输入功率管；11：变压器。
如图1和3 所示，本发明一种高功率密度低压输出同步整流电源模块的工作原理是：当功率MOSFET开关管Q1导通后，变压器励磁电流和负载电流开始线性上升，当关断时，折算到变压器原边的励磁电流和负载电流给功率MOSFET开关管Q1的结电容充电，限制了功率MOSFET开关管Q1上的电压上升率，因此功率MOSFET开关管Q1是零电压关断的。这期间，功率MOSFET开关管Q1两端电压持续上升，当上升至钳位电容C16稳定的电压后，钳位开关管中的寄生二极管导通，励磁电流经过该二极管流进钳位电容C16给其充电，电压被钳位在Vin+Vcc，由于寄生二极管导通，则钳位管可以零电压开通。当励磁电流降为0后，钳位管寄生二极管自然截止，励磁电流经过钳位开关管反向流动，到钳位开关管关断时，由于钳位电容C16和结电容的存在，钳位管两端电压不能突变，因此钳位管是零电压关断。钳位管关断后，励磁电流流过功率MOSFET开关管Q1界电容，结电容开始放电，励磁电流反向增加。此后，结电容两端电压持续下降，则变压器两边电压为正，直至功率MOSFET开关管Q1两端电压变为0后开始进行下一个周期。在整个过程中，功率开关管上的最大电压被钳位电路钳位，同样次级两个整流MOS管(Q3和Q4)和两个续流MOS管(Q5和Q6)电压也被钳位，除去钳位开关管外所有功率器件两端电压都是为准方波，降低了电压要求，并减小了漏电损耗，由于次级整流和续流MOS管的导通内阻仅为5毫欧-10毫欧，当输出电流为25A时，导通电阻为50毫欧，其导通损耗为：3.125W-6.25W，其导通损坏远远小于整流二极管的的导通损坏（一般肖特基二极管导通压降为0.3V-0.5V，当输出为25A时，导通损耗为7.5W-12.5W），同时功率MOSFET开关管Q1软关断，钳位开关管软开关，并且能将励磁能量和漏感能量全部回馈至输入部分，减少漏感损耗。后面的输出滤波器（L0、C0）用于降低输出直流电压的纹波。
采用有源钳位软开关技术和次级同步整流后，输入能量可以近乎无损耗地传输到输出端，多余的漏感和励磁能量可以回馈到输入部分，次级同步整流开关管损耗仅为采用传统整流技术肖特基整流损耗的1/4～1/2，不仅提高了电源模块的效率，还可大大减小传导噪声和辐射噪声，其效率最高可达95%左右。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高功率密度低压输出同步整流电源模块，包括变压器、多层PCB板、铝板和外壳；其特征在于：高功率密度低压输出同步整流电源模块初级部分为单端正激有源钳位电路，变压器T1的初级绕组异名端与功率开关管Q1的漏极和钳位电容C16一端相连，功率开关管Q1的栅极和源极均与逻辑控制电路相连；钳位电容C16另一端与有源钳位功率开关管Q2的漏极相连，有源钳位开关管Q2的栅极与隔离电容C15一端和二极管D阳极相连，有源钳位开关管Q2的源极、隔离电容C15和二极管D阴极与逻辑控制电路相连；次级部分为同步整流电路，变压器T1的次级绕组同名端与整流管Q3和Q4的漏极和续流管Q5和Q6的栅极相连，变压器T1的次级绕组异名端与整流管Q3和Q4的栅极和续流管Q5和Q6的漏极相连，整流管Q3和Q4的源极和续流管Q5和Q6的源极相连再接输出滤波电路；输出电压采样电路检测端夸接在输出滤波电容CO的两端，输出电压采样电路输出端通过OC电路与逻辑控制电路相连。
2.根据权利要求1所述的高功率密度低压输出同步整流电源模块，其特征在于：变压器线圈T1、控制电路和功率电路集成一体化设计，采用多层PCB板的方式；功率器件、变压器通过传导硅橡胶与基板粘贴方式传导散热；输入电压覆盖DC9V-DC80V，输出电压覆盖DC1.5V-DC15V，外形尺寸为36.47*26.31*12.7mm，最大输出功率为50W，最大输出电流为25A，最高功率密度为67.3W/in3。
3.根据权利要求1所述的高功率密度低压输出同步整流电源模块，其特征在于：变压器T1采用铁氧体磁芯P14/8-3C81。
4.根据权利要求1所述的高功率密度低压输出同步整流电源模块，其特征在于：功率开关管Q1和有源钳位开关管Q2均为MOSFET零电压开关管。
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