TWI457749B - High power density power supplies for miniaturized servers - Google Patents

Description

小型化伺服器用之高功率密度電源供應器

本發明係關於一種伺服器用之高功率密度電源供應器，尤指一種小型化伺服器用之高功率密度電源供應器。

請參閱圖9A所示，係為一種冗餘架構之伺服器電源供應器電路的電源供應電路之電路圖，其主要包含有：一次側電路70，係連接至交流電源，將交流電源予以降壓後輸出電流；及一變壓器701，其一次側係連接至該一次側電路70，並於二次側輸出感應交流電流；一二次側電路71，係連接至該變壓器701的二次側，將二次側的感應電流轉換為直流電源後輸出；其中該二次側電路應於高功率電源供應器中係包含有一倍流電路72，係連接至該變壓器71二次側，並包含有二電子開關721、二電感722及一輸出電容723，而二電子開關721係串接連接，並連接至該變壓器71的二次側，而串接節點則為電源供應器的直流輸出端之接地端；而該輸出電容723則跨接於二電感共接點V1及接地端GND之間，並與二電感722連接；及一ORing MOS電晶體73，係串接於輸出電容723與直流輸出端之高電位端+12V。

此外，再請配合參閱圖9B，上述二次側電路71a用於低功率瓦數的電源供應器係包含有一中央抽頭全波整流電路72a及一ORing MOS電晶體73；其中該中央抽頭全波整流電路72a包含有：二電子開關721，其源極分別連接於變壓器701二次側的二端，又其中一電子開關721的汲極係連接至另一電子開關721的極極；一電感722，其一端係連接至二電子開關721的汲極端；及一輸出電容723，係連接至該電感722另一端與該變壓器701二次側之中央抽頭端之間。

上述電路於實際實現時，係配合電路板82上印刷線路821(trace-layout)，銲接上述電子元件，至於電路板82上印刷線路821的圖案誠如圖10的電路板82示意圖所示，由於為伺服器用的高功率電源供應器，其直流電源輸出端之高電位端及接地端必須形成一定大小面積的高電位印刷線路822及接地印刷線路823，而二次側電路71之倍流電路72或中央抽頭全波整流電路72a的電晶體721、電感722、輸出電容723及ORing MOS電晶體73之間亦全部以印刷線路821連接。

請配合參閱圖11及12所示，係一種具有多直流電源輸出的伺服器電源供應器，其為提供多組直流電源輸出，係包含有二組一次側電路、二變壓器及二組二次側電路，因此就二次側電路的電子元件數量倍增，但又必須將所有電子元件銲接於尺寸匹配盒體的電路板上；其中該電源供應器係包含有：一盒體80，係包含有一盒底801及一上蓋802；一電路板82，供上述電源供應器電路的電子元件銲接用，各電子元件的接腳均與電路板82上對應的印刷線路821銲接；一散熱風扇83，係設置於該電路板82其中一短邊處；一輸出電源端子座84，係設置於該電路板82的另一短邊處，並包含有複數直流電源輸出端，各直流電源輸出端的高電位端及接地端係銲接於電路板上高電位印刷線路822及接地印刷線路823。

正由於伺服器電源供應器包含有複數組直流電源輸出端，電路板82上必須預留更大空間供二次側電路、倍流電路或中央抽頭全波整流電路等電子元件銲接的空間。如圖12所示，為電路板82上銲接有電源供應器電路的電子元件的上視圖，由二次側電路往輸出電源端子座84看，分別銲接有複數電晶體721、電感722及輸出電容723，其中複數輸出電容723係排成一排位在該輸出電源端子座84側一側；而為減小短邊長度，又令電晶體721與對應電感722以並排設置一起，並與輸出輸出電源端子座84呈垂直方向擺設。

雖然以上電子元件設置方式已有效利用電路板銲接面積，但隨著目前電子設備愈趨小型化，已相對衝擊所使用的電源供應器大小。因此隨著此波趨勢電源供應器尺寸勢必要在如何減縮其體積，實現更高的功率密度目的，將是目前電源供應器廠商技術的新挑戰。

再者，由於上述電源供應器產品不侷限於單一功率，故在製作不同功率之電源供應器，必須另行準備與不同功率電源供應器電子元件用的相匹配印刷線路電路板，因此目前實際加工此類伺服器電源供應器的廠商必須面臨存貨及加工複雜度的挑戰。

有鑑於上述現有伺服器電源供應器無法提高其功率密度，本發明主要目的係提供一種高功率密度的伺服器電源供應器，以匹配使用於小型化伺服器中。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該伺服器電源供應器於一盒體內設有：一主電路板，其上形成有印刷線路；一子電路板，係直立插設於該主電路板上；一電源供應電路，係包含有至少一次側電路、至少一變壓器及至少一二次側電路；其中各二次側電路部份係係設置於主電路板上，而其它部份如輸出電容及至少一ORing MOS電晶體則銲接於該子電路板上；一輸出電源端子座，係設於該主電路板的短邊上，並銲接於主電路板的高電位印刷線路及接地印刷線路；及至少一散熱風扇，係設於該主電路板另一短邊上。

上述本發明主要將各二次側電路的部份，如輸出電容及ORing MOS電晶體銲接在該子電路板上，由於該子電路板係直立銲接於主電路板上，有效縮減原本供至少一輸出電容及ORing MOS電晶體銲接於主電路板面積，而縮短主電路板二短邊之間的距離，亦即該電源供應器的長度得以縮減。

再者，本發明次一目的係提供一種減低電路板庫儲空間的伺服器用之電源供應器。由於不同功率的電源供應器主要更換不同功率的變壓器及二次側線路的電子元件數量，而不同功率變壓器的體積大小尺寸變化較其它電子元件大，因此本發明係進一步令變壓器二次側與二次側電路之電子元件之間的連接方式由主電路板印刷線路，改採實體線路銲接，亦即變壓器二次側不銲接於主電路板上，同理亦可令在主電路板上的二次側電路之電子元件之間同樣以實體線路予以銲接；如此一來，於製作不同功率電源供應器，即可採用相同印刷線路的主電路板，減少主電路板庫存壓力。

又，本發明再一目的係提供一種高散熱效果的伺服器用電源供應器，其中該子電路板頂面係形成有複凹槽，以利散熱風扇產生氣流的流通，提高散熱效果。

首先請參閱圖1所示，係為本發明伺服器之電源供應器第一較佳實施例，其係於一盒體(圖中未示)內設有：一主電路板20，其上形成有印刷線路；一子電路板21，係直立插設於該主電路板20上；一電源供應電路，係包含有一次側電路30、一變壓器301及一二次側電路31；其中該二次側電路31於本實施例係包含有一倍流電路32及一ORing MOS電晶體33；其中該倍流電路32係包含二電子開關321、二電感322及一輸出電容323，而該一次側電路30、二次側電路31的倍流電路32之電晶體321與電感322均設置於主電路板20上，而倍流電路32的輸出電容323及該ORing MOS電晶體33則銲接於子電路板21上；於本實施例中該輸出電容323係水平插設於子電路板21上；又，應用於低功率伺服器用電源供應器之二次側電路，則包含有一中央抽頭全波整流電路及一ORing MOS電晶體；其中該中央抽頭全波整流電路係包含二電子開關、一電感及一輸出電容；一輸出電源端子座40，係設於該主電路板20的一短邊上，並銲接於主電路板20的高電位印刷線路201及接地印刷線路202；於本實施例中，該輸出電源端子座40係位於輸出電容323之下；及至少一散熱風扇41，係設於該主電路板20另一短邊上。

本發明主要將二次側電路31的輸出電容323及ORing MOS電晶體33則銲接於子電路板21上，令輸出電容323疊設於輸出電源端子座40上，令輸出電容323不佔據主電路板20上該輸出電源端子座40與電晶體321之間的位置，而能有效縮減主電路板20二短邊之間距離。

請參閱圖2及3所示，係為本發明第二較佳實施例，為一具有多組直流電源輸出的高功率伺服器電源供應器，其同樣於一盒體10內設置一主電路板20及一直立插接於主電路板20上的子電路板21，惟本實施例的電源供應電路係包含有二組一次側電路(圖中未示)、二變壓器301及二組二次側電路31，因此共包含有二倍流電路32或二組中央抽頭全波整流電路及二ORing MOS電晶體33；因此，該子電路板21上設有排成一排的複數輸出電容323及ORing MOS電晶體33。

本實施例中，請配合圖1、圖8A及圖8B所示，該子電路板21直接銲接於主電路板20的高電位印刷線路201及接地印刷線路202，係採用第一及第二金屬夾板22、23，即其中第一金屬夾板22直立插設至主電路板20，並與主電路板20之高電位印刷線路201銲接，而第二金屬夾板23同樣直接插設於主電路板20並與主電路板20之接地印刷線路銲接，其中第一及第二金屬夾板22、23之間間距係與子電路板21之厚度匹配。是以，該子電路板21下部係可受第一及第二金屬夾板22、23夾持於其中，而直立於主電路板20上，又該子電路板21之前後二側分別形成有高電位印刷線路212a及接地印刷線路212b，以分別銲接於第一及第二金屬夾板22、23銲接，因此如圖6所示，輸出電容接腳3231與高低電位印刷線路212a、212b之間距離可縮減至相當短，且不必加以彎折，能減少輸出電容至接地的阻抗，提高濾波效果，又整體阻抗降低以減少電流導通損失，又因露出於子電路板之外，故有助散熱的提升；再者，該第一及第二金屬夾板22、23與子電路板21的夾層結構，可方便設計時依據電流及散熱規格選用不同厚度的第一及第二金屬夾板22、23，而子電路板21不需要重設計更改，可達到設計模組化目的，以節省零件成本之功效。至於子電路板21之上部可進一步形成有複數凹槽211，以供盒體10內空氣流通，以提高散效果。

此外，為使得該處的高熱可快速散逸出，本發明的盒體10係包含有一底座11及一上蓋12，如圖4所示，其中該底座11係該主電路板20固定於其上，且對應主電路板20設有直流電源端子座40的短邊形成一側開口111，而對應主電路板20另一短邊處則形成複數散熱孔氣口112。至於上蓋12則用以蓋合該底座11，其中對應該底座11的側開口111係為一斜向網板121；因此，位在直流電源端子座40附近的輸出電容323、ORing MOS電晶體33及複數電晶體321產生的廢熱可快速由該斜向網板121上網孔122向上散出。

於本實施例中，各二次側電路31的輸出端與對應電晶體電連接方式，如圖3及圖5-7所示，係分別以一L形汲極片50加以銲接。首先於主電路板20上對應電晶體321銲接位置插設至少二L形汲極片50，其中各L形汲極片50的長側51係與電晶體321平行設置，而短側52則又向上延伸一銲接片521，供變壓器301二次側直接銲接於其上P1，如圖5所示。由於電晶體321的汲極又必須對應電感322連接，故於本實施例中，令與電晶體321平行設置的電感322直接銲接在汲極片長側51上P2，如圖7所示。又，本實施例電感322與輸出電容323的電連接方式則由該電感322直接銲接於直立式子電路板21之頂端P3，如圖5所示，不佔用主電路板20之空間。

為進一步使得該汲極片50長側51與電感322具有較佳的銲接強度，該長側51上再向外及向上延伸一銲接片511，並於銲接片511上形成有熱阻孔512，利用熱阻孔512使得銲接熔化銲鍚所需的熱能被保持住，不因銲接片的高散熱效果而快速傳開，以縮短銲接時間並確保銲接品質。

由於電晶體321易生高溫廢散，為提高其散熱效果再於二平行設置的L形汲極片50之間設有一T形散熱片60，其直立段61係夾設於二L形汲極片50之間，而橫向段62則位於二L形汲極片之長側51的銲接片511上。如此，電晶體321的散熱片可透過其對應的長側51而鎖固於T形散熱片60的直立段61上。再者，為方便L形汲極片50與電感322的銲接作業，該T形散熱片60的橫向段62係螺接於直立段61頂端。

由上述可知，二次側電路的電晶體及電感之間距離可透過汲極片設計得以有效縮減，又因電感與電晶體及汲極片長側為平行排列，其間的距離亦能有效減縮。

綜上所述，本發明伺服器用之電源供應器實現小型化且兼具高功率密度的主要技術手段在於，將輸出電容及ORing MOS電晶體自主電路板上移至直立子電路板上，以縮短主電路板長度，又直立子電路板的高度並不高於如變壓器等元件高度，故本發明電源供應器的高度並不因直立子電路板之使用而加高，達到小型化的目前。

此外，本發明再令二次側電路及整流濾波電路之間的電連接方式不再採用預先成形主電路板上的印刷線路；其中輸出電容係以第一及第二金屬夾板與直流輸出端的高電位端及接地端連接，除較印刷線路的阻抗小以降低電流導通損失外，又可提高其濾波效果，而且因為第一及第二金屬夾板插接於主電路板上，而具有良好散熱效果，並且能依不同電流規格使用不同尺寸的第一及第二金屬夾板，達到節料件成本。

10．．．盒體

11．．．底座

111．．．側開口

112．．．氣口

12．．．上蓋

121．．．網板

122．．．網孔

20．．．主電路板

201．．．高電位印刷線路

202．．．接地印刷線路

21．．．子電路板

211．．．凹槽

212a．．．高電位印刷線路

212b．．．低電位印刷線路

22．．．第一金屬夾板

23．．．第二金屬夾板

30．．．一次側電路

31．．．二次側電路

32．．．整流濾波電路

321．．．電子開關

322．．．電感

323．．．輸出電容

33．．．ORing MOS電晶體

40．．．輸出電源端子座

41．．．散熱風扇

50．．．L形汲極片

51．．．長側

511．．．銲接片

512．．．熱阻孔

52．．．短側

521．．．銲接片

60．．．T形散熱片

61．．．直立段

62．．．橫向段

70．．．一次側電路

71．．．二次側電路

72．．．整流濾波電路

721．．．電子開關

722．．．電感

723．．．輸出電容

73．．．ORing MOS電晶體

80．．．盒體

801．．．盒底

802．．．上蓋

82．．．電路板

821．．．印刷線路

822．．．高電位印刷線路

823．．．接地印刷線路

83．．．散熱風扇

84．．．輸出電源端子座

圖1：係本發明電源供應器一較佳實施例的上視圖。

圖2：係本發明電源供應器另一較佳實施例之立體外觀圖。

圖3：係第二圖部份立體分解圖。

圖4：係圖3組合立體圖。

圖5：係圖3的上視平面圖。

圖6：係圖3的右側視平面圖。

圖7：係圖3的前側視平面部份立體分圖。

圖8A：係本發明部份立體分解圖。

圖8B：係圖8A另一側立體分解圖。

圖9A：係一種高功率伺服器電源供應器之電源供應電路的電路圖。

圖9B：係一種低功率伺服器電源供應器之電源供應電路的電路圖。

圖10：係一種既有伺服器電源供應器的上視圖。

圖11：係另一種既有伺服器電源供應器的立體分解圖。

圖12：係圖10上視圖(未含盒體上蓋)。

20．．．主電路板

201．．．高電位印刷線路

202．．．接地印刷線路

21．．．子電路板

30．．．一次側電路

301．．．變壓器

31．．．二次側電路

32．．．整流濾波電路

321．．．電子開關

322．．．電感

323．．．輸出電容

33．．．ORing MOS電晶體

40．．．輸出電源端子座

41．．．散熱風扇

Claims (12)

1. 一種小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，係於一盒體內設有：一主電路板，其上形成有印刷線路；一子電路板，係直立插設並銲接於該主電路板上；一電源供應電路，係包含有至少一組一次側電路、至少一變壓器及至少一組一二次側電路；其中該至少一次側電路、至少一變壓器及各二次側電路的部份電子元件包含電感均設置於主電路板上，而其餘電子元件包含輸出電容則銲接於該子電路板上；其中該電感一端係直接焊接至該子電路板，其電感電流流經過該子電路板上的輸出電容後流入該主電路板；一輸出電源端子座，係設於該主電路板的側邊上，並銲接於主電路板的高電位印刷線路及接地印刷線路；及至少一散熱風扇，係設於該主電路板另一側邊上。
2. 如申請專利範圍第1項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，各二次側電路係包含有至少一倍流電路及至少一ORing MOS電晶體；其中該倍流電路的電感包含有二個，並進一步包含有二電子開關及一輸出電容；其中該電子開關及該電感係銲接於主電路板上，而該輸出電容及ORing MOS電晶體則銲接在子電路板上。
3. 如申請專利範圍第1項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，各二次側電路係包含有至少一中央抽頭全波整流電路及至少一ORing MOS電晶體；其中該中央抽頭全波整流電路係包含有二電子開關及一輸出電容；其中該電 子開關及該電感係銲接於主電路板上，而輸出電容及ORing MOS電晶體則銲接在子電路板上。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，該主電路板對應子電路板位置插設二平行第一及第二金屬夾板，其中該第一金屬夾板直立插設至主電路板，並與主電路板之高電位印刷線路銲接，而第二金屬夾板同樣直接插設於主電路板並與主電路板之接地印刷線路銲接，其中第一及第二金屬夾板之間間距係與子電路板之厚度匹配，以夾持並銲接該子電路板下部。
5. 如申請專利範圍第4項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，各輸出電容係水平插設於子電路板上，並疊設於該輸出電源端子座上。
6. 如申請專利範圍第5項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，該子電路板之上部可進一步形成有複數凹槽。
7. 如申請專利範圍第4項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，該主電路板對應二電晶體位置之間設有二平行設置的L形汲極片，其中各L形汲極片的長側係與其對應的電晶體平行設置，而短側則又向上延伸一銲接片，供對應的二次側電路的輸出端直接銲接於其上。
8. 如申請專利範圍第7項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，又各L形汲極片的長側上再向外及向上延伸一銲接片，以與對應的電感銲接，又再於該長側的銲接片上形成有熱阻孔。
9. 如申請專利範圍第8項所述小型化伺服器用之高功率 密度電源供應器，該主電路板上對應二平行設置的L形汲極片之間設有一T形散熱片，其直立段係夾設於二L形平行設置的汲極片之間，而橫向段則位於二L形平行之長側的銲接片上。
10. 如申請專利範圍第9項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，該T形散熱片的橫向段係螺接於直立段頂端。
11. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，該盒體係包含有：一底座，供該主電路板固定於其上，且對應主電路板設有直流電源端子座的短邊形成一側開口，而對應主電路板另一短邊處則形成複數氣口；及一上蓋，係用以蓋合該底座，其中對應該底座的側開口係為一斜向網板。
12. 如申請專利範圍第10項所述小型化伺服器用之高功率密度電源供應器，該盒體係包含有：一底座，供該主電路板固定於其上，且對應主電路板設有直流電源端子座的短邊形成一側開口，而對應主電路板另一短邊處則形成複數氣口；及一上蓋，係用以蓋合該底座，其中對應該底座的側開口係為一斜向網板。