高功率密度低噪声的电源部件.pdf

本发明公开了一种高功率密度低噪声的电源部件，包括通过正线和负线相连的电源输入端和电源输出端，所述的电源输入端和电源输出端之间依次设有保护电路、输入抑制噪声部分、电源转换部分和电源输出部分。本发明电源部件中的屏蔽散热器屏蔽电源转换模块产生的噪声，并实现良好的散热能力。电源部件的正线输出连接器减少因电源部件输出电源和负载之间的连接产生的共模噪声。本发明的多种抑制噪声方式，处处抑制噪声，电源部件具有输入范围宽、功率密度高、转换效率高、电流大、输出噪声低、体积小、重量轻的优点。

1、  一种高功率密度低噪声的电源部件，包括通过正线和负线相连的电源输入端和电源输出端，其特征在于：所述的电源输入端和电源输出端之间依次设有保护电路、输入抑制噪声部分、电源转换部分和电源输出部分；
所述的保护电路包括分别与电源输入端正、负级并联的单向击穿二极管D1和单向击穿二极管D2，单向击穿二极管D1和单向击穿二极管D2之间的正线上设有熔断器F1；
所述的输入抑制噪声部分包括连接在正线和负线间的共模和差模抑制装置U1和电容C1；
所述的电源转换部分包括电源转换模块M1，共模和差模抑制装置U1的正、负输出端连接至电源转换模块M1的正、负输入端，M1的正、负输入端并联有电容C2，电源转换模块M1的正输入、正输出端并联有电容C3，电源转换模块M1的负输入、负输出端并联有电容C4；
所述电源输出部分包括与正线和负线相连的电容Cn2，电容Cn2并联有缓冲器，所述的缓冲器由串联的电阻R1和电容C5组成。

2、  如权利要求1所述的电源部件，其特征在于：所述的电源转换模块M1采用两级开关电源芯片实现，第一级开关电源芯片先将输入电源的电压电流转换为一个中间电压电流的电源，第二级开关电源芯片将中间电压电流的电源将转换为输出所需的电压电流的电源。

3、  如权利要求2所述的电源部件，其特征在于：所述的电源转换模块M1上设有屏蔽散热器。

4、  如权利要求3所述的电源部件，其特征在于：所述的屏蔽散热器由散热材料、高电导率材料和高磁导率材料经过层压制成，高磁导率材料层与电源转换模块的开关电源芯片接触。

5、  如权利要求4所述的电源部件，其特征在于：所述的屏蔽散热器与开关电源芯片接触一侧设有两个彼此隔离的凹陷，分别与两级开关电源芯片配合，开关电源芯片与屏蔽散热器之间设有铟箔。

6、  如权利要求4所述的电源部件，其特征在于：所述的屏蔽散热器采用铝做为散热材料，采用黄铜做为高电导率材料，采用坡莫合金作为高磁导率材料。

高功率密度低噪声的电源部件
技术领域
本发明涉及微波电工技术领域，尤其涉及一种高功率密度、低噪声的电源部件。
背景技术
微波固态功放组件采用的固态功放芯片的直流到射频转换效率较低，漏极工作电压较低，因此电源部件需要提供较大电流，才能满足微波固态功放组件的高功率的要求。微波固态功放组件经常应用于体积和重量要求严格的导弹、雷达等场合，对电源部件体积和重量的要求也很苛刻。微波固态功放组件低频自激和输出射频功率的稳定性的一个关键因素是电源部件的噪声，因此要求电源部件输出噪声在很宽的频率范围内都要保持较小值。
传统应用于微波固态功放组件产品的电源部件采用砖块电源模块设计，但由于该砖块模块的体积比较大，重量重，功率密度不够高，再加上输入、输出电源处理电路，以及印制板体积，设计出来的电源部件体积比较大。电源部件的输出电源滤波采用较大容量的钽电容作为滤波电容，由于其寄生电阻值较高，并不能很好消除纹波，而且钽电容抗冲击等机械性能较差，一般不能满足高机动应用场合。电源部件的砖块电源模块的开关频率产生的噪声一般采用高电导率材料的屏蔽壳进行抑制，但是高电导率材料对电磁噪声屏蔽效果一般，满足不了微波固态功放组件对噪声的要求。
发明内容
本发明提供一种功率密度高、噪声低、体积小、重量轻的电源部件。
一种高功率密度低噪声的电源部件，包括通过正线和负线相连的电源输入端和电源输出端，所述的电源输入端和电源输出端之间依次设有保护电路、输入抑制噪声部分、电源转换部分和电源输出部分；
所述的保护电路包括分别与电源输入端正、负级并联的单向击穿二极管D1和单向击穿二极管D2，单向击穿二极管D1和单向击穿二极管D2之间的正线上设有熔断器F1。
所述的输入抑制噪声部分包括连接在正线和负线间的共模和差模抑制装置U1和电容C1。
共模和差模抑制装置U1由共模和差模电感以及Y型电容组成，电容C1一般可采用几百uF的铝电解电容。
所述的电源转换部分包括电源转换模块M1，共模和差模抑制装置U1的正、负输出端连接至电源转换模块M1的正、负输入端，M1的正、负输入端并联有电容C2，电源转换模块M1的正输入、正输出端并联有电容C3，电源转换模块M1的负输入、负输出端并联有电容C4。
所述电源输出部分包括与正线和负线相连的电容Cn2，电容Cn2并联有缓冲器，所述的缓冲器由串联的电阻R1和电容C5组成。
所述的电源转换模块M1采用两级开关电源芯片实现，第一级开关电源芯片先将输入电源的电压电流转换为一个中间电压电流的电源，第二级开关电源芯片将中间电压电流的电源将转换为输出所需的电压电流的电源。为进一步屏蔽电源转换部分的电源转换模块M1的噪声并使之良好散热，在电源转换模块M1上设有屏蔽散热器。
所述的屏蔽散热器由散热材料、高电导率材料和高磁导率材料经过层压制成。高磁导率材料层与电源转换模块的开关电源芯片接触。在屏蔽散热器与开关电源芯片接触一侧设有两个彼此隔离的凹陷，分别与两级开关电源芯片配合。开关电源芯片与屏蔽散热器之间设有铟箔，可进一步提高接触热导率。屏蔽散热器具体采用铝做为散热材料，采用黄铜做为高电导率材料，采用坡莫合金作为高磁导率材料。
为了保证本发明电源部件中电源输出部分的电源输出端正线Vout+和负载正线RL+的连线尽可能短和粗，降低由此产生的共模噪声，采用紧固件连接，紧固件采用黄铜制做，并做表面导电氧化处理。
为了保证本发明电源部件中电源输出部分的电源输出端负线Vout-和负载负线RL-良好共线，通过螺丝紧固，并将部件的Vout-在印制板上的铜去阻焊做表面沉金处理。当RL从满负载到空载快速变化时，由R1和C5组成的缓冲器为输出电源提供电流回路，减少由此产生的噪声。输出电源滤波电容采用寄生电阻值比钽电容还低的电容Cn2，降低输出电源的纹波。
较高电压与较低电流输入本发明电源部件的电源输入端后，经转换以较低电压与较高电流从电源输出端输出，并通过电源接口连接至微波固态功放组件(负载)。
本发明电源部件中的屏蔽散热器屏蔽电源转换模块产生的噪声，并实现良好的散热能力。电源部件的正线输出连接器减少因电源部件输出电源和负载之间的连接产生的共模噪声。本发明的多种抑制噪声方式，处处抑制噪声，电源部件具有输入范围宽、功率密度高、转换效率高、电流大、输出噪声低、体积小、重量轻的优点。
附图说明
图1是本发明电源部件的原理示意图；
图2是本发明电源部件的屏蔽散热器的结构示意图；
图3本发明电源部件的屏蔽散热器压制叠层结构的示意图；
图4本发明电源部件中电源输出部分的电源输出端正线紧固件的结构示意图。
具体实施方式
本具体实施方式的电源部件的输入电压范围为36～75V，输出电压为6V，额定输出电流80A，输出功率480W，输出噪声低于17mV，电源转换效率超过90％，整个电源部件体积为80mm×60mm×13mm，重量约为137克。
本发明电源部件的电路原理如图1，图中：
(1)部分为保护电路；(2)部分为输入抑制噪声部分；(3)部分为电源转换部分；(4)部分为电源输出部分。
所述的保护电路为分别与电源输入端正、负级并联的单向击穿二极管D1和单向击穿二极管D2，单向击穿二极管D1和单向击穿二极管D2之间的正线上设有熔断器F1。
当输入电源的Vin+和Vin-反接，D1提供反向电流Ir1回路，使得If＝0A，预防该部件由于输入电源极性反接造成的损坏。当输入电源Vin+通过F1的一端到达输入电源的正线，如果输入电流超过一额定电流，F1自动切断电路，禁止输入电源的电流到达输入电源的正线，预防该部件由于输入电源过流造成的损坏。输入电源的正线和负线两端并上D2，保证在输入电源的电压超过一额定电压，D2提供反向电流Ir2回路，使得If＝0A，预防该部件由于输入电源过压造成的损坏。
所述的输入抑制噪声部分包括连接在正线和负线间的共模和差模抑制装置U1和电容C1。
共模和差模抑制装置U1由共模和差模电感以及Y型电容组成，电容C1一般可采用几百uF的铝电解电容。大容量的电容C1可减少输入电源的交流阻抗。
还可以在输入电源正、负线两端并上电容Cn1，对输入电源不同频率的噪声进行滤波，减少电源部件输入纹波，其中Cn1为由NPO、X7R和铝电解三种不同材质电容组成的电容阵列。输入电源正负线通过输入输出隔离的共模和差模抑制装置U1输出提供给电源转换模块M1，并将U1的屏蔽壳连接至系统大地，将共模和差模噪声泄放导系统大地。U1采用QFN封装器件，因为相比其他封装的同类抑制器件，该封装的器件从工艺上提高共模和差模噪声抑制性能。
所述的电源转换部分包括电源转换模块M1，共模和差模抑制装置U1的正、负输出端连接至电源转换模块M1的正、负输入端，M1的正、负输入端并联有电容C2，电源转换模块M1的正输入、输出端并联有电容C3，电源转换模块M1的负输入、输出端并联有电容C4。
经过U1输出的电源两端Out+和Out-连接至电源转换模块M1输入两端，滤波电容C2放置于最靠近M1输入两端。采用贴装Y型电容C3和C4抑制电源转换模块M1产生的共模噪声。
所述包括与正线和负线相连的电容Cn2，电容Cn2并联有缓冲器，所述的缓冲器由串联的电阻R1和电容C5组成。
为了保证电源输出部分的电源输出端正线Vout+和负载正线RL+的连线尽可能短和粗，降低由此产生的共模噪声，采用紧固件连接，参见图4，紧固件采用黄铜制做，并做表面导电氧化处理。
为了保证电源输出部分的电源输出端负线Vout-和负载负线RL-良好共线，Vout-和RL-通过螺丝紧固，并将部件的Vout-在印制板上的铜去阻焊做表面沉金处理。
当RL从满负载到空载快速变化时，由R1和C5组成的缓冲器为输出电源提供电流回路，减少由此产生的噪声。输出电源滤波电容采用寄生电阻值比钽电容还低的电容Cn2，降低输出电源的纹波。
本发明电源部件中的电源转换模块M1采用开关电源芯片提高功率密度，转换效率可达到90％以上，但由于总功率达到480W，因此仍然需要散热装置来增强散热，
电源转换模块M1采用两级开关电源芯片实现，第一级开关电源芯片先将输入电源的电压电流转换为一个中间电压电流的电源，第二级开关电源芯片将中间电压电流的电源将转换为输出所需的电压电流的电源。
由开关电源芯片的开关频率产生的电感性噪声可采用高电导率的材料制作的屏蔽装置来实现抑制，该噪声磁通使屏蔽壳内腔产生涡流电流，而涡流电流产生的磁通跟噪声磁通方向刚好相反，从而抑制该噪声。
参见图2、3，本发明采用了集散热、屏蔽一体的屏蔽散热器，屏蔽散热器由散热材料、高电导率材料和经过层压制成。高磁导率材料侧与电源转换模块的开关电源芯片接触。
图2中：(a)为主视图，图中部可见两个与两级开关电源芯片配合的凹陷；(b)为左视图；(c)为后视图；
电源转换模块M1的两级开关电源芯片的开关频率互不相同，为了相互抑制由这两个开关频率产生的噪声，在屏蔽散热器与开关电源芯片接触一侧设有两个彼此隔离的凹陷，分别与两级开关电源芯片配合。
开关电源芯片与屏蔽散热器之间设有铟箔，可进一步提高接触热导率。
屏蔽散热器具体采用铝做为散热材料，采用黄铜做为高电导率材料，采用坡莫合金作为高磁导率材料。
屏蔽散热器加工时必须保证在涡流电流的垂直方向上没有缝隙。
屏蔽散热器的散热材料表面黑色阳极氧化，可提高模块外表面的红外发射率，改善模块与外部环境的辐射热阻，并开槽增加有效散热面积，提高表面换热能力，并将屏蔽散热器的紧固件连接至系统大地，提供噪声泄放通路。
通过安捷伦频谱仪E4447A测试，屏蔽散热器安装后，在0～1GHz带宽内，相比安装前噪声最大衰减了30dBc，最小衰减了20dBc。将数字点温计的探头安置在开关电源芯片表面，在室温情况下，不安装屏蔽散热器，满负载工作2分钟，数字点温计显示温度已达到在120℃；安装屏蔽散热器，满负载连续工作10小时，数字点温计显示温度一直维持在110℃以下。