一種高性能電源模組的製作方法

2023-04-23 03:03:41

本實用新型屬於電源領域，尤其涉及一種高性能電源模組。

背景技術：

隨著科技的發展，目前對電子設備小型化和可靠性的要求越來越高，特別是在行動裝置和軍用裝備中。然而，電源作為電子設備中不可或缺的供電裝置在電子設備中佔據了相當大一部分體積，也是最容易導致故障發生的系統單元，因此電源的小型化和高可靠性設計一直是熱門課題。

目前，縮小電源體積的方式通常通過增大開關電源的工作頻率以減小磁性元件的體積，來提高電源的效率從而減小散熱器體積或者散熱PCB面積，並且採用系統封裝的方式，將電源控制器與功率管、磁性組件和電阻電容等分立器件集成到一個管殼內，使電源的布局布線更加緊湊，功率密度得到極大提升，滿足小型化和高可靠性的需求，例如電源模組。

電源模組是一種採用系統封裝設計和生產的產品，其將電源控制晶片和磁性組件(通常為變壓器和電感)、功率管、二極體、電容和電阻等分立器件集成在同一個管殼內，在管殼內部通過基板PCB安裝和互連，從而使電源模組內部構造了一個基本的電源系統，在外部只需要簡單配置即可滿足用戶使用需求。在電源模組的設計中，管殼內部布局布線非常關鍵，特別是反饋電壓信號走線的設計質量，會嚴重影響電源模組的輸出電壓精度和負載調整率，特別是在模組輸出電流較大和內部基板PCB層數較多時，採樣輸出引腳的電壓(反饋電壓)隨輸出電流變化，從而嚴重影響模組的性能。

技術實現要素：

本實用新型實施例的目的在於提供一種高性能電源模組，旨在解決現有電源模組內的布線結構在模組輸出電流較大和內部基板PCB層數較多時輸出電壓精度和負載調整率低的問題。

本實用新型實施例是這樣實現的，一種高性能電源模組，包括電壓輸入引腳、電壓輸出引腳和反饋引腳，所述電源模組外部的反饋引腳通過下拉反饋電阻接地，所述電源模組的內部結構包括：

基板、功率級電路、電源控制晶片、上拉反饋電阻、輸入電容和輸出電容；

所述功率級電路、所述電源控制晶片、所述上拉反饋電阻、所述輸入電容和所述輸出電容固定於所述基板上，所述電壓輸入引腳的內部引出端通過所述輸入電容接地，所述電壓輸入引腳的內部引出端還與所述功率級電路的輸入端連接，所述電壓輸出引腳的內部引出端與所述功率級電路的輸出端連接，所述功率級電路的輸出端還通過所述輸出電容接地，所述電源控制晶片的輸出端與所述功率級電路的控制端連接，所述反饋引腳的內部引出端與所述電源控制晶片的反饋端連接，所述電源控制晶片的反饋端還與所述上拉反饋電阻的一端連接，所述上拉反饋電阻的另一端與所述功率級電路的輸出端連接。

進一步地，所述上拉反饋電阻的精度高於0.1％。

更進一步地，所述基板包括頂層和底層；

所述功率級電路、所述電源控制晶片、所述上拉反饋電阻、所述輸入電容和所述輸出電容固定於所述基板的頂層上；

所述電壓輸入引腳的內部引出端、所述電壓輸出引腳的內部引出端和所述反饋引腳的內部引出端位於所述基板的底層；

所述功率級電路的輸出端位於所述基板的頂層，通過孔與所述基板底層的一個或多個覆銅點連接，所述覆銅點為所述電壓輸出引腳的內部引出端，所述上拉反饋電阻的另一端通過走線連接到一個或多個覆銅點的中心位置。

更進一步地，所述孔為通孔、過孔或盲孔。

本實用新型實施例將電源模組的上拉反饋電阻RUP置於模組內部，在用戶未 增加成本的條件下提高了輸出電壓精度，減小了用戶的PCB布線難度，並且通過在基板底層輸出電壓信號，採用整體覆銅的方式，減小了模組輸出引腳之間的寄生電阻，優化了電源模組的負載調整率。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例提供的高性能電源模組的電路示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的高性能電源模組的基板結構圖；

圖3為本實用新型實施例提供的高性能電源模組的基板底層平面圖；

圖4為本實用新型實施例提供的高性能電源模組的基本頂層平面圖；

圖5為本實用新型實施例提供的高性能電源模組的基本頂層和底層剖面圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

本實用新型實施例將電源模組的上拉反饋電阻RUP置於模組內部，在用戶未增加成本的條件下提高了輸出電壓精度，減小了用戶的PCB布線難度，並且通過在基板底層輸出電壓信號，採用整體覆銅的方式，減小了模組輸出引腳之間的寄生電阻，優化了電源模組的負載調整率。

圖1示出了本實用新型實施例提供的高性能電源模組的電路示意圖，該電源模組，包括電壓輸入引腳Vin、電壓輸出引腳Vout和反饋引腳FB，電源模組外部的反饋引腳FB通過下拉反饋電阻RDOWN接地，電源模組的內部結構包括：

基板PCB、功率級電路10、電源控制晶片20、上拉反饋電阻RUP、輸入電 容Cin和輸出電容Cout；

功率級電路10、電源控制晶片20、上拉反饋電阻RUP、輸入電容Cin和輸出電容Cout固定於基板PCB上，電壓輸入引腳Vin的內部引出端通過輸入電容Cin接地，電壓輸入引腳Vin的內部引出端還與功率級電路10的輸入端連接，電壓輸出引腳Vout的內部引出端與功率級電路10的輸出端VOUT_SENSE連接，功率級電路10的輸出端VOUT_SENSE還通過輸出電容Cout接地，電源控制晶片20的輸出端與功率級電路10的控制端連接，反饋引腳FB的內部引出端與電源控制晶片20的反饋端VFB連接，電源控制晶片20的反饋端VFB還與上拉反饋電阻RUP的一端連接，上拉反饋電阻RUP的另一端與功率級電路10的輸出端VOUT_SENSE連接。

在本實用新型實施例中，電源模組通過由上拉反饋電阻RUP和下拉反饋電阻RDOWN組成的反饋網絡採樣輸出電壓Vout，得到反饋電壓VFB，在穩定工作的條件下，反饋電壓VFB與電源控制晶片20內部基準電壓近似相等，理論輸出電壓為：

但實際上，電源模組的實際輸出電壓與理論輸出電壓存在偏差，偏差的大小即為輸出電壓精度。

例如電源模組的理論輸出電壓為Vout，實際輸出電壓為Vout1，則輸出電壓精度為：

作為本實用新型一實施例，上拉反饋電阻RUP優選選擇精度高於±0.1％的。

假設電源控制晶片20內部的基準電壓精確恆定且系統環路穩定，則輸出電壓的精度主要受反饋電阻精度影響。

假設基準電壓VREF為0.5V，需要設定輸出電壓為1V，設定RUP為10KΩ，RDOWN為10KΩ，假設用戶選取1％精度等級的電阻，由於本實用新型實施例將電源模組的上拉反饋電阻RUP置於模組內部，因此此時上拉反饋電阻RUP的精度在±0.1％之內。

那麼，極端情況下，RUP為10.01KΩ，RDOWN為9.9KΩ，則實際的輸出電 壓為：其輸出電壓精度為0.5％；

而採用傳統方式，採用1％精度等級的電阻只能達到輸出電壓精度為1％。

可以看到，本實用新型實施例在用戶未增加成本的條件下(選取的電阻精度等級相同)，輸出電壓精度得到了提高。並且，輸出電壓到電源控制晶片的反饋端的敏感信號走線集成在模組內部，用戶只需要在電源模組外部的反饋引腳FB配置一個下拉反饋電阻RDOWN到地，減小了用戶的PCB布線難度。

另外，在傳統做法中，電源模組內部的功率輸出級到模組的輸出引腳之間存在較大的寄生電阻，假設輸出電壓的採樣點到模組輸出引腳的總寄生電阻為R_PCB。

那麼在電源模組穩定工作時，輸出電壓設定值Vout＝VOUT_SENSE，當模組輸出電流時，假設VOUT_SENSE到模組的輸出端VOUT_USER流過電流為Io，則VOUT_USER＝VOUT_SENSE-R_PCB*Io，假設某一模組的內部PCB設計，R_PCB為20mΩ，VOUT_SENSE的電壓為1.5V，輸出電流為20A時，VOUT_SENSE到模組的輸出端VOUT_USER流過電流為Io＝10A(輸出電流還有其他路徑，由功率輸出級流向模組的輸出端)，則用戶實際得到的輸出電壓VOUT_USER＝1.5V-20mΩ*10A＝1.3V，則由於PCB寄生電阻導致的負載調整率變化為：

圖2示出了本實用新型實施例提供的高性能電源模組的基板結構圖。

作為本實用新型一實施例，基板PCB包括頂層301和底層302；

功率級電路10、電源控制晶片20、上拉反饋電阻RUP、輸入電容Cin和輸出電容Cout固定於基板的頂層301上；

電壓輸入引腳Vin的內部引出端、電壓輸出引腳Vout的內部引出端和反饋引腳FB的內部引出端位於基板的底層302，且電壓輸入引腳Vin的內部引出端和反饋引腳FB的內部引出端分別通過過孔與功率級電路10、電源控制晶片20連接；

功率級電路10的輸出端VOUT_SENSE位於基板的頂層301，通過孔陣列401與基板底層的一個或多個覆銅點50連接，該孔陣列401由多個孔40組成，結合圖3、圖4、圖5，該孔40可以為通孔、過孔或盲孔，覆銅點50為電壓輸出引腳的內部引出端，上拉反饋電阻RUP的另一端(即輸出電壓的採樣端)通過反饋電壓的信號走線701連接到一個或多個覆銅點50的中心位置。

基板底層302的平面布局參見圖3，其中覆銅點50為電壓輸出引腳的內部引出端的大面積銅皮，在覆銅點50上具有由多個模組外部輸出PAD 60組成的模組輸出引腳陣列，每一模組外部輸出焊盤(PAD)60均與覆銅點50相連接，該陣列的中心位置具有輸出電壓VOUT_USER的模組輸出端的過孔70，結合圖2、圖4、圖5，該過孔70連接反饋電壓的信號走線701，經反饋電壓的信號走線701將過孔70連接到上拉反饋電阻RUP的另一端(即輸出電壓的採樣端)，反饋電壓的信號走線701通過過孔70將基板頂層301與基板底層302連接，輸出電壓的過孔40從基板的頂層301貫通到基板的底層302，與覆銅點50相連。

基板的頂層301的平面布局參見圖4，其中80為晶片反饋引腳FB對應PAD，801為走線，802為電源控制晶片的功率輸出信號PAD，803為基板PCB的鍵合焊盤(bonding PAD)，804為元器件安裝焊盤。

基板的頂層301和基板底層302的剖面結構參加圖5，其中過孔70基板的頂層301的走線連接到上拉反饋電阻RUP的另一端(即輸出電壓的採樣端)，孔40陣列通過走線801連接功率級電路10的輸出端VOUT_SENSE，模組外部輸出PAD 60通過覆銅點50連接至電壓輸出引腳Vout。在本實用新型實施例中，模組內部基板的頂層301用於電源控制晶片和其他分立元器件的安裝，底層302用於連接模組焊盤引腳，例如電壓輸入引腳Vin的內部引出端、電壓輸出引腳Vout的內部引出端和反饋引腳FB的內部引出端。

R1和R2為上拉反饋電阻RUP的安裝pad，FB為控制器的反饋輸入端，均位於基板頂層。

將基板頂層的功率級輸出pad(L)，通常為功率電感或者變壓器的輸出引 腳，負責輸出經電源控制晶片調製的輸出電壓；

將輸出端VOUT_SENSE設置在模組內部基板PCB的底層，且靠近或位於模組輸出電壓引腳的中心位置。

PCB頂層的功率輸出級，通過過孔(或者盲孔等)和覆銅，與模組的輸出引腳陣列相連；

反饋電壓的信號走線，在模組輸出引腳陣列的中心位置(或者靠近中心位置)與輸出電壓的覆銅單點連接。

本實用新型實施例通過在基板底層輸出電壓信號，採用整體覆銅的方式，減小了模組輸出引腳之間的寄生電阻，使模組所有的輸出引腳電壓接近相等，均接近等於輸出引腳陣列中心引腳的電壓VOUT_USER；並且輸出電壓的採樣點位於模組輸出電壓引腳陣列的中心位置，控制器採樣到的輸出電壓VOUT_SENSE與模組的實際輸出電壓VOUT_USER相等(因為它們之間的寄生電阻已經可以忽略不計)。輸出電流不再會導致採樣到的輸出電壓VOUT_SENSE與模組實際輸出電壓VOUT_USER存在偏差。優化了電源模組的負載調整率。

以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。