一种集成功率器件的电源模块电路及PCB板的制作方法

一种集成功率器件的电源模块电路及pcb板
技术领域
1.本技术涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种集成功率器件的电源模块电路及pcb板。


背景技术：

2.电源模块主要是由原副边开关器件及配套散热件、功率磁元件、控制检测器件、输入滤波防护四部分组成。原副边开关器件尺寸和散热能力依赖于基础半导体工艺和材料技术的发展，功率磁元件占整个模块体积的30％左右，控制检测器件属于阻容器件，输入滤波防护属于无缘器件，且多是标准配置。电源模块的主要元件包括功率开关、控制集成电路、输入电容、输出电容、功率电感和用于信号处理的电阻和电容。功率开关常用的是金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管，控制集成电路可以是驱动芯片、控制芯片或者两者的组合。
3.目前，电源和半导体厂商发展电源模块的封装集成技术大多采用集成金属-氧化物半导体场效应晶体管、ic芯片、无源器件(如电感、电阻、电容等)结构，内嵌印刷电路板或其他基板，采用金丝或铜丝键合的互联方式，金属-氧化物半导体场效应晶体管作为开关，由ic芯片控制或驱动，完成对输入电压的脉宽调制，经过电感、电容滤波，输出负载需要的电压。
4.针对上述中的相关技术，发明人认为在对电源模块的实际设计过程中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作，从而影响电源模块的转换效率。


技术实现要素：

5.为了降低电磁干扰(emi)和电磁兼容性(emc)，从而提高电源模块的转换效率，本技术提供一种集成功率器件的pcb板电源模块电路。
6.第一方面，本技术提供一种集成功率器件的电源模块电路，采用如下的技术方案：一种集成功率器件的电源模块电路，包括：交流电输入模块，所述交流电输入模块包括电磁干扰滤波单元和整流滤波单元，所述电磁干扰滤波单元与所述整流滤波单元连接；直流电输入模块，所述直流电输入模块包括输入滤波单元和抗浪涌单元，所述输入滤波单元与所述抗浪涌单元连接。
7.通过采用上述技术方案，电源开启的瞬间，电源的输入电源线向外传播电磁干扰，交流电输入模块和直流电输入模块可以对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，减少对电源的影响，同时也减少了电源本身产生的高频杂波对电网的干扰，从而提高了电源的转换效率。
8.可选的，所述电磁干扰滤波单元包括电容器c1、电容器c2、电容器c3、电容器c4、电阻器r1、电阻器r2、电感器l1、电感器l2和热敏电阻rt1；
所述电容器c1两端与所述电感器l1一端连接，所述电感器l1另一端与所述电容器c2和所述电容器c3组成的串联电路两端连接，所述电容器c2和所述电容器c3之间接地；所述电容器c2和所述电容器c3两端与所述电容器c4正负极连接，所述电容器c4正负极与所述电阻器r1和电阻器r2组成的串联电路并联，所述电感器l2与所述电阻器r1正极连接，所述热敏电阻rt1与所述电阻器r2负极连接。
9.通过采用上述技术方案，当电源开启瞬间，由于电流瞬间增大，瞬时能量全消耗在热敏电阻rt1上，热敏电阻rt1可以有效防止浪涌电流，一定时间温度升高后热敏电阻rt1阻值减小，热敏电阻rt1消耗的能量降低，后级电路可正常工作。
10.可选的，所述整流滤波单元包括整流桥brg1和电容器c5，所述整流桥brg1的输入端分别与所述电感器l2和所述热敏电阻rt1连接，所述整流桥brg1一输出端与所述电容器c5的正极连接，所述整流桥brg1另一输出端和所述电容器c5的负极接地。
11.通过采用上述技术方案，交流电压经整流桥brg1整流，再经电容器c5滤波后得到较为纯净的直流电压，若电容器c5容量变小，输出的交流纹波将增大。
12.可选的，所述交流电输入模块还包括防雷单元，所述防雷单元与所述电磁干扰滤波单元连接，所述防雷单元包括压敏电阻器mov1、压敏电阻器mov2、压敏电阻器mov3、避雷器f1、避雷器f2、避雷器f3和放电管fdg；所述压敏电阻器mov1一端与所述压敏电阻器mov2一端连接，所述压敏电阻器mov1另一端与所述避雷器f2一端连接，所述压敏电阻器mov2另一端与所述避雷器f1一端连接，所述避雷器f2另一端与火线连接，所述避雷器f1另一端与所述零线连接；所述放电管fdg一端连接于所述压敏电阻器mov1和所述压敏电阻器mov2之间，所述放电管fdg另一端接地；所述避雷器f1一端与所述避雷器f2连接，另一端与所述压敏电阻器mov3一端连接，所述压敏电阻器mov3另一端与零线连接，所述电容器c1与所述压敏电阻器mov3并联。
13.通过采用上述技术方案，当有雷击产生，产生高压经电网导入电源时，由压敏电阻器mov1、压敏电阻器mov2、压敏电阻器mov3、避雷器f1、避雷器f2、避雷器f3和放电管fdg组成的电路对电源进行保护。
14.可选的，所述输入滤波单元包括电容器c8、电容器c9、安规电容器c10、安规电容器c11、电感器l3a、电感器l3b、差模电感器l4和差模电感器l5；所述电感器l3a一端与所述电容器c8正极连接，另一端与所述电容器c9正极连接，所述电感器l3b一端与所述电容器c8负极连接，另一端与所述电容器c9负极连接；所述电容器c8、电容器c9、电感器l3a和电感器l3b组成双π型滤波网络；所述安规电容器c10一端连接于所述电感器l3和所述电容器c9之间，另一端接地；所述安规电容器c11一端连接于所述电容器c9和所述电感器l3之间，另一端与所述安规电容器c10接地一端连接；所述差模电感器l4一端与所述电容器c9正极连接，所述差模电感器l5一端与所述电容器c9负极连接。
15.通过采用上述技术方案，电容器c8、电容器c9、电感器l3a和电感器l3b组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
16.可选的，所述抗浪涌单元包括电阻器r3、电阻器r4、电阻器r5、电阻器r6、电阻器r7、电感器l6a、电感器l6b、热敏电阻rt2、电容器c13、电容器c14、三极管q1和mos管q2；所述电感器l6a一端与所述电感器l4连接，另一端与直流电正极连接，所述电阻器r3和所述电阻器r5串联，所述电阻器r3正极连接于所述电感器l6a与直流电正极之间；所述电阻器r4与所述电阻器r3并联，所述电容器c13和所述电阻器r5并联，所述电阻器r5负极与所述电容器c14一端连接，所述电容器c14另一端与所述电阻器r7连接；所述热敏电阻rt2与所述电容器c14并联，所述电阻器r7另一端与所述三极管q1基极连接；所述电阻器r6一端与所述三极管q1基极连接，另一端与电感器l6b连接，所述三极管q1的集电极连接于所述电阻器r4与所述电容器c13之间，所述三极管q1的发射极连接于所述电感器l6b与所述电阻器r6之间；所述mos管q2栅极与所述三极管q1集电极连接，所述mos管q2源极连接于所述电阻器r7与所述电容器c14之间，所述mos管q2漏极连接于所述电感器l6b与所述电阻器r6之间。
17.通过采用上述技术方案，在起机的瞬间，由于电容器c13的存在，mos管q2不导通，电流经热敏电阻rt2构成回路，当电容器c13上的电压充至电容器c13、电感器l6a和电感器l6b组成的双π型滤波网络的稳压值时，mos管q2导通，如果电容器c15漏电或后级电路出现短路，在起机的瞬间电流在热敏电阻rt2上产生的压降增大，三极管q1导通使mos管q2没有栅极电压不导通，热敏电阻rt2将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
18.一种pcb板，包括如权利要求1至6所述的任一集成功率器件的电源模块电路，还包括变压模块，所述变压模块的初级端包括反激电路和氮化镓开关电路，所述变压模块次级端包括输出滤波电容、同步整流控制电路和同步整流管。
19.通过采用上述技术方案，把整个功率变换电路做成一个电源模块，变压模块将绕组设置在电路板上，以实现绕组的平面化，从而具有体积小、高频、高度小的效果。
20.可选的，所述变压模块的表层不走线，作为绝缘层，在安放初级端和次级端元器件的地方走线，在初级绕组和次级绕组之间增加了加强绝缘层做屏蔽。
21.通过采用上述技术方案，起到抑制噪声的作用。
22.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：通过采用上述技术方案，电源开启的瞬间，电源的输入电源线向外传播电磁干扰，交流电输入模块和直流电输入模块可以对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，减少对电源的影响，同时也减少了电源本身产生的高频杂波对电网的干扰，从而提高了电源的转换效率。
附图说明
23.图1是本技术一种集成功率器件的电源模块电路中的交流电输入模块和直流电输入模块示意图。
24.图2是本技术一种集成功率器件的电源模块电路中交流电输入模块的电路示意图。
25.图3是本技术一种集成功率器件的电源模块电路中直流电输入模块的电路示意图。
26.图4是本技术一种pcb板的模块示意图。
27.附图标记说明：1、交流电输入模块；11、电磁干扰滤波单元；12、整流滤波单元；13、防雷单元；2、直流电输入模块；21、输入滤波单元；22、抗浪涌单元；3、pcb板；31、变压模块。
具体实施方式
28.以下结合附图1-4对本技术作进一步详细说明。
29.本技术实施例公开了一种集成功率器件的电源模块电路，参照图1，包括：交流电输入模块1，交流电输入模块1包括电磁干扰滤波单元11和整流滤波单元12，电磁干扰滤波单元11与整流滤波单元12连接；直流电输入模块2，直流电输入模块2包括输入滤波单元21和抗浪涌单元22，输入滤波单元21与抗浪涌单元22连接。
30.电磁干扰(emi)是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种，传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络，在高速pcb及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。
31.电磁兼容性(emc)是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下不因电磁干扰而减低性能指标，同时它们本身产生的电磁辐射不大于规定的极限端平，不影响其他电子设备或系统的正常运行，并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。
32.在实际运用中，如图1所示，电源开启的瞬间，与电源相连的输入电源线向外传播电磁干扰，电磁干扰滤波单元11可以对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，减少对电源的影响，同时也减少了电源本身产生的高频杂波对电网的干扰，当输入电源进入整流滤波电路12时，整流滤波电路12可将交流电整流为较为纯净的直流电；输入滤波单元21可对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，抗浪涌单元22可减少电路烧毁的情况发生，从而提高了电源的转换效率，电源工程师可以依托本发明的模块增加一些基础的外围电路，就可以设计出满足国家认证要求的电源产品。
33.在实际运用中，如图2所示，电磁干扰滤波单元11包括电容器c1、电容器c2、电容器c3、电容器c4、电阻器r1、电阻器r2、电感器l1、电感器l2和热敏电阻rt1，电容器c1两端与电感器l1一端连接，电感器l1另一端与电容器c2和电容器c3组成的串联电路两端连接，电容器c2和电容器c3之间接地，电容器c2和电容器c3两端与电容器c4正负极连接，电容器c4正负极与电阻器r1和电阻器r2组成的串联电路并联，电感器l2与电阻器r1正极连接，热敏电阻rt1与电阻器r2负极连接。
34.需要说明的是，当电源开启瞬间，通过电容器c1、电容器c2、电容器c3和电感器l1组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源进行干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网的干扰。由于电流瞬间增大，瞬时能量全消耗在热敏电阻rt1上，热敏电阻rt1可以有效防止浪涌电流，一定时间温度升高后热敏电阻rt1阻值减小，热敏电阻rt1消耗的能量降低，后级电路可正常工作。
35.在实际运用中，如图2所示，整流滤波单元12包括整流桥brg1和电容器c5，整流桥
brg1的输入端分别与电感器l2和热敏电阻rt1连接，整流桥brg1一输出端与电容器c5的正极连接，整流桥brg1另一输出端和电容器c5的负极接地，交流电压经整流桥brg1整流，再经电容器c5滤波后得到较为纯净的直流电压，若电容器c5容量变小，输出的交流纹波将增大。
36.在实际运用中，如图2所示，交流电输入模块1还包括防雷单元13，防雷单元13包括压敏电阻器mov1、压敏电阻器mov2、压敏电阻器mov3、避雷器f1、避雷器f2、避雷器f3和放电管fdg，压敏电阻器mov1一端与压敏电阻器mov2一端连接，压敏电阻器mov1另一端与避雷器f2一端连接，压敏电阻器mov2另一端与避雷器f3一端连接，避雷器f2另一端与火线连接，避雷器f2另一端与零线连接，放电管fdg一端连接于压敏电阻器mov1和压敏电阻器mov2之间，放电管fdg另一端接地，避雷器f1一端与避雷器f2连接，另一端与压敏电阻器mov3一端连接，压敏电阻器mov3另一端与零线连接，电容器c1与压敏电阻器mov3并联。
37.需要说明的是，输入电源从防雷单元13进入交流电输入模块1，当有雷击产生，产生高压经电网导入电源时，由压敏电阻器mov1、压敏电阻器mov2、压敏电阻器mov3、避雷器f1、避雷器f2、避雷器f3和放电管fdg组成的电路对电源进行保护，当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，避雷器f1、避雷器f2和避雷器f3会烧毁保护后级电路。
38.在实际运用中，如图3所示，输入滤波单元21包括电容器c8、电容器c9、安规电容器c10、安规电容器c11、电感器l3a、电感器l3b、差模电感器l4和差模电感器l5，电感器l3a一端与电容器c8正极连接，另一端与电容器c9正极连接，电感器l3b一端与电容器c8负极连接，另一端与电容器c9负极连接,电容器c8、电容器c9、电感器l3a和电感器l3b组成双π型滤波网络，安规电容器c10一端连接于电感器l3和电容器c9之间，另一端接地，安规电容器c11一端连接于电容器c9和电感器l3之间，另一端与安规电容器c10接地一端连接，差模电感器l4一端与电容器c9正极连接，差模电感器l5一端与电容器c9负极连接。
39.需要说明的是，电容器c8、电容器c9、电感器l3a和电感器l3b组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
40.在实际运用中，如图3所示，抗浪涌单元22包括电阻器r3、电阻器r4、电阻器r5、电阻器r6、电阻器r7、电感器l6a、电感器l6b、热敏电阻rt2、电容器c13、电容器c14、三极管q1和mos管q2，电感器l6a一端与电感器l4连接，另一端与直流电正极连接，电阻器r3和电阻器r5串联，电阻器r3正极连接于电感器l6a与直流电正极之间，电阻器r4与电阻器r3并联，电容器c13和电阻器r5并联，电阻器r5负极与电容器c14一端连接，电容器c14另一端与电阻器r7连接，热敏电阻rt2与电容器c14并联，电阻器r7另一端与三极管q1基极连接，电阻器r6一端与三极管q1基极连接，另一端与电感器l6b连接，三极管q1的集电极连接于电阻器r4与电容器c13之间，三极管q1的发射极连接于电感器l6b与电阻器r6之间，mos管q2栅极与三极管q1集电极连接，mos管q2源极连接于电阻器r7与电容器c14之间，mos管q2漏极连接于电感器l6b与电阻器r6之间。电阻器r3、电阻器r4、电阻器r5、电阻器r6、电阻器r7、电感器l6a、电感器l6b、热敏电阻rt2、电容器c13、电容器c14、三极管q1和mos管q2组成抗浪涌电路。
41.需要说明的是，在起机的瞬间，由于电容器c13的存在，mos管q2不导通，电流经热敏电阻rt2构成回路，当电容器c13上的电压充至电容器c13、电感器l6a和电感器l6b组成的双π型滤波网络的稳压值时，mos管q2导通，如果电容器c15漏电或后级电路出现短路，在起
机的瞬间电流在热敏电阻rt2上产生的压降增大，三极管q1导通使mos管q2没有栅极电压不导通，热敏电阻rt2将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
42.本技术实施例一种集成功率的pcb板电源模块电路实施原理为：电源开启的瞬间，电源的输入电源线向外传播电磁干扰，通过交流电输入模块1中的电磁干扰滤波单元11和直流电输入模块2中的输入滤波单元21组成的双π型滤波网络可对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网的干扰，从而提高了电源的转换效率。
43.一种pcb板，如图4所示，包括如权利要求1至6所述的任一集成功率器件的电源模块电路，还包括变压模块3，变压模块3的初级端包括反激电路和氮化镓开关电路，变压模块3次级端包括输出滤波电容、同步整流控制电路和同步整流管；变压模块3的表层不走线，作为绝缘层，在安放初级端和次级端元器件的地方走线，在初级绕组和次级绕组之间增加了加强绝缘层做屏蔽。
44.在实际运用中，变压模块3可采用在pcb平面变压器的初级端增加反激电路和氮化镓开关管电路，在次级端增加输出滤波电容和同步整流控制电路以及同步整流管，把整个功率变换电路做成一个电源模块。
45.需要说明的是，pcb平面变压器为将绕组设置在电路板上，以实现绕组平面化的变压器，其具有体积小、高频、高度小的优点，将平面变压器应用于手机等移动终端的充电器上，能够有效减小充电器的体积。pcb平面变压器的表层不走线，作为绝缘层，仅仅在安放初级和次级元器件的地方铺铜走线，这样保证了pcb平面变压器绝缘和安规性能增加了屏蔽的层数，在初级绕组和次级绕组之间增加了加强绝缘层来做屏蔽，这样更好的起到了抑制噪声的作用。本实施例采用都是盲孔的设计，这样进一步降低了噪声的影响，提高了转换的效率。
46.在实际运用中，通过将pcb平面变压器外部的引脚和电源主板相连接，由于电源主板摆放位置和电路本身的关系，特别是大部分电源板都是2层最多4层板的结构，就会产生电源主板上会出现走线距离过长，相关联的器件不能摆放在一起等设计问题，这些问题都会引起emi、emc测试超标，同时也会使电源的转换效率降低，发热增大等一系列的问题出现；对于电子设备来说，工作时都会产生一定的热量，从而使设备内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发出去，设备就会持续的升温，器件就会因过热而失效，电子设备的可靠性能就会下降。特别是电源电路中的同步整流控制ic、开关管、主控ic等芯片，它们的发热量比较大，如果不及时散出，会影响后续电路的工作。为了解决上述散热问题，把与功率转换相关的元器件都摆放在pcb平面变压器的单板上，由于pcb平面变压器大都是在8层或以上的多层单板，铜厚都是在2oz以上，这样不仅使功率器件之间的走线距离缩短，而且随着层数的增加，铜厚的增加，使与功率相关的元器件的摆放和走线更简单，ic芯片链接的铜皮面积增大，散热性能更好。
47.需要说明的是，第二层是pcb平面变压器线圈层，布线的是次级线圈，圈数根据采用的电路的频率有关，常用的初次级的比包括但不限于是14：2或者12：2或者16：2。目前的次级采用2层，每层画1圈，初级采用14圈，用4层，2层3圈，2层4圈。2层屏蔽层，屏蔽层放在初次级之间，起到加强绝缘和起到抑制噪声的作用，2层vcc层。针对快充类电源产品，每一层的pcb平面变压器的布线设计一般都有vcc绕组，主要的分层方式在原边和副边之间增加
vcc层，vcc层的绕组数和原边的绕组数一样，走线的宽度也是一样的，仅仅是绕线的方向不同。针对副边增加加强屏蔽层，加强屏蔽层的绕组数和副边的绕组数是一样的，走线的宽度也是一样的，仅仅是绕线的方向不同。顶层和底层作为绝缘层，不走线，主要是为了起到绝缘的作用，保证耐压强度。针对初次级之间，走线层和走线层之间增加了地层做为屏蔽层，这样更好的抑制了噪声的产生，使emi、emc的效果更好；内部每层的铜厚都是2oz～4oz，对于初次级电路来说，以前最多都是4层板铜厚在1oz的，现在不仅层数增加了，而且铜厚也增加了，这样进一步增大散热面积，起到了更好的散热效果。具体如下如所示。
48.本技术实施例一种集成功率的pcb板电源模块电路实施原理为：针对初次级之间，走线层和走线层之间增加了地层作为屏蔽层，这样更好的抑制了噪声的产生，使得emi和emc的效果更好，内部每层铜厚都是2oz～4oz，相对增加了层数和铜厚，进一步增大了散热面积，起到了更好的散热效果。
49.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。