一种低压大功率电源电路、电路板及装置的制作方法

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种低压大功率电源电路、电路板及装置。

背景技术：

电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。例如在区块链应用中的大功率电源和激光电源等领域，需要低电压大电流高可靠性的电源产品。对于低压大电流的输出方案，通用的方案是采用llc谐振变换器或移相全桥变换器，但是传统的llc谐振变换器或移相全桥变换器都是采用单变压器进行能量传送，变压器连接跨接一二次侧，随着功率的提升，变压器体积就会增大，布局困难，单变压器转化效率降低，发热量增大，散热困难，因此电源可靠性降低。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种低压大功率电源电路、电路板及装置，能够扩大电源输出电流的能力，便于布局，同时降低电源整机的温度和提高电源的可靠性，提升电源的输出功率。

第一方面，本申请实施例提供了一种低压大功率电源电路，该电路包括依次连接的滤波电路、全波整流电路、功率因数校正(powerfactorcorrection,pfc)电路、全桥谐振电路和同步整流电路；

所述滤波电路，用于滤掉高频干扰信号；

所述全波整流电路，用于将所述滤波电路输出的交流信号转换为一个方向的电流信号输出；

所述pfc电路，用于提高从全波整流电路输出的信号的电压，以及补偿所述提高电压后的信号中电流和电压的相位差；

所述全桥谐振电路包括多个变压器，其中，所述pfc电路输出的信号输入到所述多个变压器，所述多个变压器的原边串联连接，所述多个变压器的副边并联输出；

所述同步整流电路，用于同步转换所述多个变压器并联输出的信号。

本申请实施例通过在全桥谐振电路中采用原边串联、副边并联输出的多个变压器结构，能够扩大电源输出电流的能力，且由于多个变压器原边串联，副边并联，在满足所需信号能量传递的情况下，还能够缩小了单个变压器的设计尺寸，便于布局，同时由于多变压器的散热面积大，因此降低了电源整机的温度和提高了电源的可靠性，提升了电源的输出功率。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实施方式中，所述全桥谐振电路包括依次连接的全桥驱动模块、开关模块和谐振/变压器模块。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，在第一方面的第二种可能的实施方式中，所述全桥驱动模块包括四个驱动信号输入端s1、s2、s3和s4；所述开关模块包括四个第一场效应管q1、q2、q3和q4；所述谐振/变压器模块包括电感lr，电容cr和n个变压器ti，所述n个变压器中的每个变压器包括原边和副边，所述原边包括原边绕组和原边电感，所述原边电感包括励磁电感lm和漏电感lk，所述励磁电感lm与所述原边绕组并联连接，所述漏电感lk与所述原边绕组串联连接，所述i的取值范围为[1，n]之间的整数，所述n为大于或等于2的整数；

其中，所述s1与所述q1的栅极连接，所述s2与所述q2的栅极连接，所述s3与所述q3的栅极连接，所述s4与所述q4的栅极连接，所述q2的漏极和所述q4的漏极连接并与所述pfc电路的输出端连接，所述q2的源极与所述q1的漏极连接，所述q4的源极与所述q3的漏极连接，所述q1的源极和所述q3的源极连接并接地，所述q2的源极还与所述lr的一端连接，所述lr的另一端与变压器t1的一端连接，所述q4的源极还与所述cr的一端连接，所述cr的另一端与变压器tn的一端连接，所述n个变压器t1至tn的原边串联连接，所述n个变压器t1至tn的副边作为并联输出端与所述同步整流电路连接。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，在第一方面的第三种可能的实施方式中，所述s1和所述s4输入的驱动信号相同，所述s2和所述s3输入的驱动信号相同，所述s1和所述s2输入的驱动信号相位相差180度。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，在第一方面的第四种可能的实施方式中，所述全桥谐振电路包括两个谐振频率fr和fm，fr的计算公式为：

其中lk＝lk_1+lk_2+…+lk_n，n≥2；

其中lk＝lk_1+lk_2+…+lk_n，lm＝lm_1+lm_2+…+lm_n，n≥2；

所述lk_i为所述变压器ti的漏电感，所述lm_i为所述变压器ti的励磁电感。

结合第一方面的第二种可能的实施方式、结合第一方面的第三种可能的实施方式或第一方面的第四种可能的实施方式，在第一方面的第五种可能的实施方式中，所述同步整流电路包括2n个同步整流驱动输入端m1_i和m2_i，2n个第二场效应管q1_i和q2_i，以及2n个肖特基二极管d1_i和d2_i，其中，所述m1_i与所述q1_i的栅极连接，所述m2_i与所述q2_i的栅极连接，所述d1_i导通方向的正极与所述q1_i的源极连接，所述d1_i导通方向的负极与所述q1_i的漏极连接，所述d2_i导通方向的正极与所述q2_i的源极连接，所述d2_i导通方向的负极与所述q2_i的漏极连接，所述q1_i的漏极与变压器ti的副边的一端ns1_i连接，所述q2_i的漏极与所述变压器ti的副边的另一端ns3_i连接，所述变压器ti的中间端ns2_i连接在一起作为整流电路的输出端，所述2n个第二场效应管的源极连接在一起并接地。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，在第一方面的第六种可能的实施方式中，m1_i输入的同步整流驱动信号相同，m2_i输入的同步整流驱动信号相同，m1_i和m2_i输入的同步整流驱动信号相位相差180度。

第二方面，本申请实施例提供了一种印制电路板，该印制电路板包括第一方面所述的电路。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实施方式中，所述印制电路板包括一次侧高压区和二次侧低压区，所述n个变压器布局在所述二次侧低压区。

第三方面，本申请实施例提供了一种装置，该装置包括第二方面所述的印制电路。

综上所述，本申请实施例提供了一种低压大功率电源电路、电路板及装置，本申请实施例通过在全桥谐振电路中采用原边串联、副边并联输出的多个变压器结构，能够扩大电源输出电流的能力，且由于多个变压器原边串联副边并联，在满足所需信号能量传递的情况下，还能够缩小了单个变压器的设计尺寸，便于布局，同时由于多变压器的散热面积大，因此降低了电源整机的温度和提高了电源的可靠性，提升了电源的输出功率。

附图说明

下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作介绍。

图1为本申请实施例提供的一种低压大功率电源电路的结构示意图；

图2为图1所述全桥谐振电路的结构示意图；

图3为图2所述全桥谐振电路中各个模块的结构示意图；

图4为图1所述的同步整流电路的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种印制电路板的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种低压大功率电源电路、电路板及装置，本申请实施例通过在全桥谐振电路中采用原边串联、副边并联输出的多个变压器结构，能够扩大电源输出电流的能力，且由于多个变压器原边串联副边并联，在满足所需信号能量传递的情况下，还能够缩小了单个变压器的设计尺寸，便于布局，同时由于多变压器的散热面积大，因此降低了电源整机的温度和提高了电源的可靠性，提升了电源的输出功率。

为了使本领域技术人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种低压大功率电源电路的结构示意图，该低压大功率电源电路包括依次连接的滤波电路101、全波整流电路102、pfc电路103、全桥谐振电路104和同步整流电路105；

所述滤波电路101，用于滤掉高频干扰信号，防止电网中其它设备对所述低压大功率电源电路的干扰；

所述全波整流电路102，用于将所述滤波电路101输出的交流信号转换为一个方向的电流信号输出；

所述pfc电路103，用于提高从全波整流电路102输出的电流信号的电压，以及补偿所述提高电压后的信号中电流和电压的相位差，从而提高功率因数以提高电力的利用率；

所述全桥谐振电路104，包括多个变压器，其中，所述pfc电路103输出的信号输入到所述多个变压器，所述多个变压器的原边串联连接，所述多个变压器的副边并联输出，扩大了电流的输出能力，且由于多个变压器原边串联，副边并联，在满足所需信号能量传递的情况下，还能够缩小了单个变压器的设计尺寸，便于布局，同时由于多变压器的散热面积大，因此降低了电源整机的温度和提高了电源的可靠性，提升了电源的输出功率。

所述同步整流电路105，用于同步转换所述多个变压器并联输出的信号以减少损耗，提高转换效率。

所述滤波电路101可以是电磁干扰(electromagneticinterference,emi)滤波电路101，所述pfc电路103可以是升压/功率因数校正(boost/powerfactorcorrection,boost/pfc)电路。

本申请实施例提供的低压大功率电源电路用于将输入的220v高压信号转换为所需要的低压信号输出到负载中给负载供电，且本申请实施例通过在全桥谐振电路104中采用原边串联、副边并联输出的多个变压器结构，能够扩大电源输出电流的能力，且由于多个变压器原边串联，副边并联，在满足所需信号能量传递的情况下，还能够缩小了单个变压器的设计尺寸，便于布局，同时由于多变压器的散热面积大，因此降低了电源整机的温度和提高了电源的可靠性，提升了电源的输出功率。

请参阅图2，全桥谐振电路104包括依次连接的全桥驱动模块1041、开关模块1042和谐振/变压器模块1043。

具体的，同时参阅图3，所述全桥驱动模块1041包括四个驱动信号输入端s1、s2、s3和s4；所述开关模块1042包括四个第一场效应管q1、q2、q3和q4；所述谐振/变压器模块包括电感lr，电容cr和n个变压器ti，所述n个变压器中的每个变压器包括原边和副边，所述原边包括原边绕组和原边电感，所述原边电感包括励磁电感lm和漏电感lk，所述副边包括副边绕组，所述i的取值范围为[1，n]之间的整数，所述n为大于或等于2的整数；所述变压器ti的原边绕组的一端标记为np1_i，该原边绕组的另一端标记为np2_i；所述变压器ti的副边绕组包含三个接线端，其中一端标记为ns1_i，另一端标记为ns3_i，中间端标记为ns2_i。需要说明的是图3中仅画出了第一个变压器t1和第n个变压器tn，如果在n大于2的情况下，t2至t(n-1)的变压器的组成的元器件、结构和连接方式和t1或tn的相同，且所有的变压器的原边串联连接，副边并连输出，具体的连接方式如下：

所述s1与所述q1的栅极连接，所述s2与所述q2的栅极连接，所述s3与所述q3的栅极连接，所述s4与所述q4的栅极连接，所述q2的漏极和所述q4的漏极连接并与所述pfc电路的输出端连接，所述q2的源极与所述q1的漏极连接，所述q4的源极与所述q3的漏极连接，所述q1的源极和所述q3的源极连接并接地，所述q2的源极还与所述lr的一端连接，所述lr的另一端与变压器t1的一端连接，所述q4的源极还与所述cr的一端连接，所述cr的另一端与变压器tn的一端连接，所述n个变压器t1至tn的原边串联连接，所述n个变压器t1至tn的的副边作为并联输出端连接到同步整流电路105，其中，第i个变压器ti原边包括的励磁电感和漏电感分别标记为lm_i和lk_i，具体的，励磁电感lm_i与第i个变压器ti的原边绕组并联连接，漏电感lk_i与第i个变压器ti的原边绕组串联连接。

在具体实施例中，驱动信号用于控制第一场效应管q1、q2、q3和q4的导通和关断，具体的，第一场效应管q1和q4同时导通，当q1和q4导通时，q2和q3关断；第一场效应管q2和q3同时导通，当q2和q3导通时，q1和q4关断。驱动信号输入端s1、s2、s3、s4输入的信号可以为方波信号，其中，s1和s4输入的驱动信号相同，s2和s3输入的驱动信号相同，s1和s2输入的驱动信号相位相差180度，占空比都是接近50％。第一场效应管q1、q2、q3和q4可以是n型金属氧化物半导体(negativechannel-metal-oxide-semiconductor，nmos)。电感lr、励磁电感lm_i、漏电感lk_i、电容cr构成llc谐振腔，lr和lk_i构成谐振电感，cr为谐振电容。llc有两个谐振频率点fr和fm，fr谐振频率由cr、lr和变压器的漏电感lk_i决定，fm谐振频率由变压器的励磁电感lm_1和漏电感lk_i、lr、cr决定，其中两个谐振频率点fr和fm计算公式如下：

其中lk＝lk_1+lk_2+…+lk_n，n≥2；

其中lk＝lk_1+lk_2+…+lk_n，lm＝lm_1+lm_2+…+lm_n，n≥2。

在具体实施例中，当q2和q3导通时，pfc电路输出的信号输入到q2的漏极，然后再通过q2的源极传输到电感lr，然后信号分成两路，分别传输到lm_1和t1的原边绕组，然后再合并传输到lk_1，在信号传输到t1的原边绕组的时候会将信号转移到t1的副边绕组输出；信号传输到lk_1之后再传输到t2的原边绕组和lm_2，然后再合并传输到lk_2，在信号传输到t2的原边绕组的时候会将信号转移到t2的副边绕组输出；在n大于2的情况下，信号传输到lk_2之后再传输到t3的原边绕组和lm_3，然后再合并传输到lk_3，在信号传输到t3的原边绕组的时候会将信号转移到t3的副边绕组输出；以此类推，直到信号经过n个变压器之后传输到cr，信号经过cr传输到q3的漏极，然后通过q3传输到接地端以构成一个回路。当q1和q4导通时，pfc电路输出的信号输入到q4的漏极，然后再通过q4的源极传输到电容cr，信号经过cr传输到lk_n，然后信号分成两路，分别传输到lm_n和tn的原边绕组，然后再合并传输到lk_(n-1)，在信号传输到tn的原边绕组的时候会将信号转移到tn的副边绕组输出；信号传输到lk_(n-1)之后再传输到t(n-1)的原边绕组和lm_(n-1)，然后再合并传输到lk_(n-2)，在信号传输到t(n-1)的原边绕组的时候会将信号转移到t(n-1)的副边绕组输出；以此类推，直到信号经过n个变压器之后传输到lr，信号经过lr传输到q1的漏极，然后通过q1传输到接地端以构成一个回路。

请参阅图4，同步整流电路105包括2n个同步整流驱动输入端m1_i和m2_i，2n个第二场效应管q1_i和q2_i，以及2n个肖特基二极管d1_i和d2_i，其中，所述m1_i与所述q1_i的栅极连接，所述m2_i与所述q2_i的栅极连接，所述d1_i导通方向的正极与所述q1_i的源极连接，所述d1_i导通方向的负极与所述q1_i的漏极连接，所述d2_i导通方向的正极与所述q2_i的源极连接，所述d2_i导通方向的负极与所述q2_i的漏极连接，所述q1_i的漏极与变压器ti的副边的一端ns1_i连接，所述q2_i的漏极与所述变压器ti的副边的另一端ns3_i连接，所述变压器ti的中间端ns2_i连接在一起作为整流电路的输出端，所述2n个第二场效应管的源极连接在一起并接地，所述i的取值范围为[1，n]之间的整数，所述n为大于或等于2的整数。

在具体实施例中，q1_i和q2_i可以是同步整流场效应管(synchronousrectifyeffectmosfet,srmos)，m1_i和m2_i输入的信号为同步整流驱动信号，其中，m1_i输入的驱动信号相同，m2_i输入的驱动信号相同，m1_i与m2_i输入的信号的相位差180度，占空比都是接近50％，由于srmos的导通电阻比较小，比二极管整流损耗低，从而提高了重载效率。又，d1_i和d2_i采用快恢复低压降肖特基二极管，目的是在轻载时，srmos未完全导通的情况下，降低srmos体内二极管的损耗，从而提高了轻载效率。

在具体实施例中，当变压器ti副边的一端ns1_i为正极端，则m2_i端将高电平信号输入q2_i的栅极使得q2_i导通，m1_i端则将低电平信号输入q1_i的栅极以用于关断q1_i；此时，所述变压器ti副边输出的信号从ns2_i输出到输出端连接负载，同时，所述变压器ti副边输出的信号从ns2_i经ns3_i端传输到q2_i，再经过q2_i然后接地从而形成一个回路。当变压器ti副边的另一端ns3_p为正极端，则m1_i端将高电平信号输入q1_i的栅极使得q1_i导通，m2_i端则将低电平信号输入q2_i的栅极以用于关断q2_i；此时，所述变压器ti副边输出的信号从ns2_i输出到输出端连接负载，同时，所述变压器ti副边输出的信号经ns2_i端再经过ns1_i传输到q1_i，再经过q1_i然后接地从而形成一个回路。具体的，n个变压器的中间端ns2_i连接在一起将每个变压器的输出电流合并输出，从而扩大了输出的电流，提升了电源的输出功率。

请参阅图5，图5为包括上述低压大功率电源电路的印制电路板的结构示意图，该印制电路板主要包括一次侧高压区和二次侧高压区，其中一次侧高压区与二次侧高压区之间有安全间距，一次侧高压区用于布局(包括印制和/或焊接)滤波电路101、整流电路102、pfc电路103和全桥谐振电路104，二次侧低压区主要用于布局同步整流电路然后输出信号，但是在本申请实施例中，全桥谐振电路104中的n个变压器布局在二次侧低压区，主要通过延长变压器t1与pfc电路之间连接的导线的长度以及延长变压器tn与pfc电路之间连接的导线，然后缩短变压器输出端到印制电路板输出端之间的导线长度来实现；具体的，可以通过延长变压器t1与lr之间连接的导线的长度以及延长变压器tn与cr之间连接的导线，然后缩短变压器输出端到印制电路板输出端之间的导线长度来实现；或者，可以将图3所示中的谐振变压器模块都印制和布局在所述二次侧低压区，这种印制焊接方式主要通过延长变压器lr与q2源极之间连接的导线的长度以及延长变压器cr与q4源极之间连接的导线，然后缩短变压器输出端到印制电路板输出端之间的导线长度来实现；由于变压器一次侧电压高电流小，二次侧电压低电流大，所以二次侧节约的路径功耗远大于一次侧连接导线长度延长增加的导线功耗，因此提高了电源输出的效率，降低电源的损耗。

或者说，在本申请实施例中，为了达到降低功率损耗以提高电源的输出功率的目的，增大所述n个变压器与所述印制电路板的输入端vin之间的距离到第一预设距离，减小所述n个变压器与所述印制电路板的输出端vout之间的距离到第二预设距离，使得所述第二预设距离小于所述第一预设距离。

或者说，在本申请实施例中，为了达到降低功率损耗以提高电源的输出功率的目的，延长变压器t1的原边与pfc电路之间连接的导线的长度到第一预设长度，以及延长变压器tn的原边与pfc电路之间连接的导线的长度到第二预设长度，同时，缩短所述n个变压器的输出端与印制电路板的输出端之间连接的导线的长度到第三预设长度，使得所述第三预设长度小于第一预设长度，且使得所述第三预设长度小于第二预设长度。

需要说明的是，本申请实施例主要的目的是缩短变压器输出端到印制电路板输出端之间的连接导线以达到降低功率损耗的目的，因此，延长变压器t1和变压器tn的原边与pfc电路之间连接的导线的长度只是为了辅助实现该目的，至于具体延长哪一根导线都可以，这里也不做限制。

本申请实施例还提供了一种装置，所述装置包括上述描述的印制电路板。

综上所述，本申请实施例提供了一种低压大功率电源电路、电路板及装置，本申请实施例通过在全桥谐振电路中采用原边串联、副边并联输出的多个变压器结构，能够扩大电源输出电流的能力，且由于多个变压器原边串联副边并联，在满足所需信号能量传递的情况下，还能够缩小了单个变压器的设计尺寸，便于布局，同时由于多变压器的散热面积大，因此降低了电源整机的温度和提高了电源的可靠性，提升了电源的输出功率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。