高功率密度低噪聲的電源部件的製作方法
2023-07-12 05:07:21
專利名稱：高功率密度低噪聲的電源部件的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波電工技術領域，尤其涉及一種高功率密度、低噪聲的 電源部件。
背景技術：
微波固態功放組件採用的固態功放晶片的直流到射頻轉換效率較低， 漏極工作電壓較低，因此電源部件需要提供較大電流，才能滿足微波固態 功放組件的高功率的要求。微波固態功放組件經常應用於體積和重量要求 嚴格的飛彈、雷達等場合，對電源部件體積和重量的要求也很苛刻。微波 固態功放組件低頻自激和輸出射頻功率的穩定性的一個關鍵因素是電源 部件的噪聲，因此要求電源部件輸出噪聲在很寬的頻率範圍內都要保持較 小值。
傳統應用於微波固態功放組件產品的電源部件採用磚塊電源模塊設 計，但由於該磚塊模塊的體積比較大，重量重，功率密度不夠高，再加上 輸入、輸出電源處理電路，以及印製板體積，設計出來的電源部件體積比 較大。電源部件的輸出電源濾波採用較大容量的鉭電容作為濾波電容，由 於其寄生電阻值較高，並不能很好消除紋波，而且鉭電容抗沖擊等機械性 能較差， 一般不能滿足高機動應用場合。電源部件的磚塊電源模塊的開關 頻率產生的噪聲一般採用高電導率材料的屏蔽殼進行抑制，但是高電導率 材料對電磁噪聲屏蔽效果一般，滿足不了微波固態功放組件對噪聲的要 求。
發明內容
本發明提供一種功率密度高、噪聲低、體積小、重量輕的電源部件。 一種高功率密度低噪聲的電源部件，包括通過正線和負線相連的電源 輸入端和電源輸出端，所述的電源輸入端和電源輸出端之間依次設有保護
電路、輸入抑制噪聲部分、電源轉換部分和電源輸出部分；所述的保護電路包括分別與電源輸入端正、負級並聯的單向擊穿二極
管Dl和單向擊穿二極體D2,單向擊穿二極體Dl和單向擊穿二極體D2 之間的正線上設有熔斷器F1。
所述的輸入抑制噪聲部分包括連接在正線和負線間的共模和差模抑 制裝置Ul和電容C1。
共模和差模抑制裝置U1由共模和差模電感以及Y型電容組成，電容 Cl 一般可採用幾百uF的鋁電解電容。
所述的電源轉換部分包括電源轉換模塊Ml ，共^f莫和差才莫抑制裝置Ul 的正、負輸出端連接至電源轉換模塊M1的正、負輸入端，Ml的正、負 輸入端並聯有電容C2，電源轉換模塊M1的正輸入、正輸出端並聯有電 容C3，電源轉換^f莫塊Ml的負輸入、負輸出端並聯有電容C4。
所述電源輸出部分包括與正線和負線相連的電容Cn2，電容Cn2並聯 有緩衝器，所述的緩衝器由串聯的電阻Rl和電容C5組成。
所述的電源轉換模塊M1採用兩級開關電源晶片實現，第一級開關電 源晶片先將輸入電源的電壓電流轉換為 一個中間電壓電流的電源，第二級 開關電源晶片將中間電壓電流的電源將轉換為輸出所需的電壓電流的電 源。為進一步屏蔽電源轉換部分的電源轉換模塊M1的噪聲並使之良好散 熱，在電源轉換模塊M1上設有屏蔽散熱器。
所述的屏蔽散熱器由散熱材料、高電導率材料和高磁導率材料經過層 壓製成。高磁導率材料層與電源轉換模塊的開關電源晶片接觸。在屏蔽散 熱器與開關電源晶片接觸 一側設有兩個彼此隔離的凹陷，分別與兩級開關 電源晶片配合。開關電源晶片與屏蔽散熱器之間設有銦箔，可進一步提高 接觸熱導率。屏蔽散熱器具體採用鋁做為散熱材料，採用黃銅做為高電導 率材料，釆用坡莫合金作為高磁導率材料。
和負載正線RL+的連線儘可能短和粗，降低由此產生的共模噪聲，採用緊 固件連接，緊固件採用黃銅製做，並做表面導電氧化處理。
為了保證本發明電源部件中電源輸出部分的電源輸出端負線Vout -和負載負線RL-良好共線，通過螺絲緊固，並將部件的Vout-在印製板 上的銅去阻焊做表面沉金處理。當RL從滿負載到空載快速變化時，由R1 和C5組成的緩沖器為輸出電源提供電流迴路，減少由此產生的噪聲。輸
5出電源濾波電容採用寄生電阻值比鉭電容還低的電容Cn2,降低輸出電源 的紋波。
較高電壓與較低電流輸入本發明電源部件的電源輸入端後，經轉換以 較低電壓與較高電流從電源輸出端輸出，並通過電源接口連接至微波固態 功放組件(負載)。
本發明電源部件中的屏蔽散熱器屏蔽電源轉換模塊產生的噪聲，並實 現良好的散熱能力。電源部件的正線輸出連"^妄器減少因電源部件輸出電源 和負載之間的連接產生的共模噪聲。本發明的多種抑制噪聲方式，處處抑 制噪聲，電源部件具有輸入範圍寬、功率密度高、轉換效率高、電流大、 輸出噪聲低、體積小、重量輕的優點。
圖l是本發明電源部件的原理示意圖2是本發明電源部件的屏蔽散熱器的結構示意圖3本發明電源部件的屏蔽散熱器壓制疊層結構的示意示意圖
具體實施例方式
本具體實施方式
的電源部件的輸入電壓範圍為36-75V,輸出電壓為 6V，額定輸出電流80A,輸出功率480W,輸出噪聲低於17mV，電源轉 換效率超過90% ，整個電源部件體積為80mmx 60mmx 13mm ,重量約 為137克。
本發明電源部件的電路原理如圖1，圖中
(l)部分為保護電路；(2)部分為輸入抑制噪聲部分；(3)部分為 電源轉換部分；(4)部分為電源輸出部分。
所述的保護電路為分別與電源輸入端正、負級並聯的單向擊穿二極體 Dl和單向擊穿二極體D2，單向擊穿二極體Dl和單向擊穿二極體D2之 間的正線上設有熔斷器Fl。
當輸入電源的Vin+和Vin-反接，Dl提供反向電流Irl迴路，使得If -OA,預防該部件由於輸入電源極性反接造成的損壞。當輸入電源Vin+通過F1的一端到達輸入電源的正線，如果輸入電流超過一額定電流，Fl 自動切斷電路，禁止$餘入電源的電流到達輸入電源的正線，預防該部件由 於輸入電源過流造成的損壞。輸入電源的正線和負線兩端並上D2，保證 在輸入電源的電壓超過一額定電壓，D2提供反向電流Ir2迴路，使得If =0A,預防該部件由於輸入電源過壓造成的損壞。
所述的輸入抑制噪聲部分包括連接在正線和負線間的共模和差模抑 制裝置U1和電容C1。
共模和差模抑制裝置U1由共模和差模電感以及Y型電容組成，電容 Cl 一般可採用幾百uF的鋁電解電容。大容量的電容C1可減少輸入電源 的交流阻抗。
還可以在輸入電源正、負線兩端並上電容Cnl，對輸入電源不同頻率 的噪聲進行濾波，減少電源部件輸入紋波，其中Cnl為由NPO、 X7R和 鋁電解三種不同材質電容組成的電容陣列。輸入電源正負線通過輸入輸出 隔離的共模和差模抑制裝置Ul輸出提供給電源轉換模塊Ml,並將U1的 屏蔽殼連接至系統大地，將共模和差模噪聲洩放導系統大地。U1採用QFN 封裝器件，因為相比其他封裝的同類抑制器件，該封裝的器件從工藝上提 高共模和差模噪聲抑制性能。
所述的電源轉換部分包括電源轉換模塊Ml，共模和差模抑制裝置Ul 的正、負輸出端連接至電源轉換模塊M1的正、負輸入端，Ml的正、負 輸入端並聯有電容C2，電源轉換模塊M1的正輸入、輸出端並聯有電容 C3,電源轉換模塊M1的負輸入、輸出端並聯有電容C4。
經過U1輸出的電源兩端Out+和Out-連接至電源轉換模塊Ml輸入 兩端，濾波電容C2放置於最靠近M1輸入兩端。採用貼裝Y型電容C3 和C4抑制電源轉換模塊Ml產生的共模噪聲。
所述包括與正線和負線相連的電容Cn2,電容Cn2並聯有緩沖器，所 述的緩沖器由串聯的電阻R1和電容C5組成。
為了保證電源輸出部分的電源輸出端正線Vout +和負載正線RL+的 連線儘可能短和粗，降低由此產生的共模噪聲，採用緊固件連接，參見圖 4，緊固件採用黃銅製做，並做表面導電氧化處理。
為了保證電源輸出部分的電源輸出端負線Vout -和負載負線RL-良 好共線，Vout-和RL-通過螺絲緊固，並將部件的Vout-在印製板上的銅去阻焊做表面沉金處理。
當RL從滿負栽到空載快速變化時，由Rl和C5組成的緩衝器為輸出 電源提供電流迴路，減少由此產生的噪聲。輸出電源濾波電容採用寄生電 阻值比鉭電容還低的電容Cn2，降低輸出電源的紋波。
本發明電源部件中的電源轉換模塊M1採用開關電源晶片提高功率密 度，轉換效率可達到卯％以上，但由於總功率達到480W,因此仍然需要 散熱裝置來增強散熱，
電源轉換模塊M1採用兩級開關電源晶片實現，第一級開關電源晶片 先將輸入電源的電壓電流轉換為一個中間電壓電流的電源，第二級開關電 源晶片將中間電壓電流的電源將轉換為輸出所需的電壓電流的電源。
由開關電源晶片的開關頻率產生的電感性噪聲可採用高電導率的材 料製作的屏蔽裝置來實現抑制，該噪聲磁通使屏蔽殼內腔產生渦流電流， 而渦流電流產生的磁通跟噪聲磁通方向剛好相反，從而抑制該噪聲。
參見圖2、 3，本發明採用了集散熱、屏蔽一體的屏蔽散熱器，屏蔽散 熱器由散熱材料、高電導率材料和經過層壓製成。高磁導率材料側與電源 轉換模塊的開關電源晶片接觸。
圖2中(a)為主視圖，圖中部可見兩個與兩級開關電源晶片配合的 凹陷；(b)為左^L圖；(c)為後3見電源轉換模塊M1的兩級開關電源晶片的開關頻率互不相同，為了相 互抑制由這兩個開關頻率產生的噪聲，在屏蔽散熱器與開關電源晶片接觸 一側設有兩個彼此隔離的凹陷，分別與兩級開關電源晶片配合。
開關電源晶片與屏蔽散熱器之間設有銦箔，可進一步提高接觸熱導率。
屏蔽散熱器具體採用鋁做為散熱材料，採用黃銅做為高電導率材料，
採用坡莫合金作為高磁導率材料。
屏蔽散熱器加工時必須保證在渦流電流的垂直方向上沒有縫隙。 屏蔽散熱器的散熱材料表面黑色陽極氧化，可提高模塊外表面的紅外
發射率，改善模塊與外部環境的輻射熱阻，並開槽增加有效散熱面積，提
高表面換熱能力，並將屏蔽散熱器的緊固件連接至系統大地，提供噪聲洩
放通路。
通過安捷倫頻譜儀E4447A測試，屏蔽散熱器安裝後，在0 lGHz帶
8寬內，相比安裝前噪聲最大衰減了 30dBc，最小衰減了 20dBc。將數字點 溫計的探頭安置在開關電源晶片表面，在室溫情況下，不安裝屏蔽散熱器， 滿負載工作2分鐘，數字點溫計顯示溫度已達到在12(TC;安裝屏蔽散熱 器，滿負載連續工作IO小時，數字點溫計顯示溫度一直維持在ll(TC以下。
權利要求
1、一種高功率密度低噪聲的電源部件，包括通過正線和負線相連的電源輸入端和電源輸出端，其特徵在於所述的電源輸入端和電源輸出端之間依次設有保護電路、輸入抑制噪聲部分、電源轉換部分和電源輸出部分；所述的保護電路包括分別與電源輸入端正、負級並聯的單向擊穿二極體D1和單向擊穿二極體D2，單向擊穿二極體D1和單向擊穿二極體D2之間的正線上設有熔斷器F1；所述的輸入抑制噪聲部分包括連接在正線和負線間的共模和差模抑制裝置U1和電容C1；所述的電源轉換部分包括電源轉換模塊M1，共模和差模抑制裝置U1的正、負輸出端連接至電源轉換模塊M1的正、負輸入端，M1的正、負輸入端並聯有電容C2，電源轉換模塊M1的正輸入、正輸出端並聯有電容C3，電源轉換模塊M1的負輸入、負輸出端並聯有電容C4；所述電源輸出部分包括與正線和負線相連的電容Cn2，電容Cn2並聯有緩衝器，所述的緩衝器由串聯的電阻R1和電容C5組成。
2、 如權利要求1所述的電源部件，其特徵在於所述的電源轉換模 塊M1採用兩級開關電源晶片實現，第一級開關電源晶片先將輸入電源的 電壓電流轉換為一個中間電壓電流的電源，第二級開關電源晶片將中間電 壓電流的電源將轉換為輸出所需的電壓電流的電源。
3、 如權利要求2所述的電源部件，其特徵在於所述的電源轉換模 塊M1上設有屏蔽散熱器。
4、 如權利要求3所述的電源部件，其特徵在於所述的屏蔽散熱器 由散熱材料、高電導率材料和高磁導率材料經過層壓製成，高磁導率材料 層與電源轉換模塊的開關電源晶片接觸。
5、 如權利要求4所述的電源部件，其特徵在於所述的屏蔽散熱器與開關電源晶片接觸 一側設有兩個彼此隔離的凹陷，分別與兩級開關電源 晶片配合，開關電源晶片與屏蔽散熱器之間設有銦箔。
6、如權利要求4所述的電源部件，其特徵在於所述的屏蔽散熱器 釆用鋁做為散熱材料，採用黃銅做為高電導率材料，採用坡莫合金作為高 磁導率材料。
全文摘要
本發明公開了一種高功率密度低噪聲的電源部件，包括通過正線和負線相連的電源輸入端和電源輸出端，所述的電源輸入端和電源輸出端之間依次設有保護電路、輸入抑制噪聲部分、電源轉換部分和電源輸出部分。本發明電源部件中的屏蔽散熱器屏蔽電源轉換模塊產生的噪聲，並實現良好的散熱能力。電源部件的正線輸出連接器減少因電源部件輸出電源和負載之間的連接產生的共模噪聲。本發明的多種抑制噪聲方式，處處抑制噪聲，電源部件具有輸入範圍寬、功率密度高、轉換效率高、電流大、輸出噪聲低、體積小、重量輕的優點。
文檔編號H05K7/20GK101557163SQ20081000759
公開日2009年10月14日 申請日期2008年2月29日 優先權日2008年2月29日
發明者超 王, 陳宏欽 申請人:浙江中微科電子集成技術工程有限公司