CN101217249B - 具有相对较佳效益的分离式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种分离式转换器，包含：电源控制模块，包含：电源控制电路，用以产生控制信号，以及功率级模块，包含：功率级电路，耦合于该电源控制电路，用于接收该控制信号与输入电压及产生输出电压，其中该电源控制模块与该功率级模块在组装结构上彼此分离。上述转换器具有单位面积的电源/电流密度相对较高、可消除传入主机板的开关切换噪声干扰、降低传导至主机板的热量、具有全数字控制并可与模拟控制相容等优点。

Description

具有相对较佳效益的分离式转换器

技术领域

本发明涉及一种分离式转换器(separate type converter)，尤其涉及一种具有电源控制模块(power control module)以及功率级模块(power stagemodule)的分离式转换器。

背景技术

现在各种类型的电源都面临着提高功率密度、提高效率、提高可靠性和降低成本的要求。提高功率密度就意味着减小电源的体积，而减小体积通常会采用的做法就是提高电源变换器的工作频率。体积的减小使得电源变换器内部的散热条件变得恶劣；工作频率的提高则加重了电源变换器之间的噪声干扰。

此外，与成本有关的要求不仅涉及生产制造成本也涉及设计开发成本。因此，成本的降低也在一定程度上意味着设计开发电源产品必须更具灵活性和弹性。为同时满足以上要求就必须对电源变换器内部的排布结构做仔细的考虑。下面仅以负载点转换器(point of load converter：POL，通常为直流/直流降压式转换器)为例说明对电源变换器内部的排布结构考虑的方向。

如图1(a)所示的负载点转换器，其包含：电源管理总线元件(PMBuselement)11、脉宽调制器(pulse-width modulator：PWM)12、驱动器(driver)13、第一开关14、第二开关15、电感(choke)L与输出电容(output capacitor)C。本领域一般技术人员均知：其中电源管理总线元件11与脉宽调制器12均为对其周围的热量及噪声敏感的元件；而驱动器13、第一开关14、第二开关15、电感L则会产生许多热量及噪声；故如要改善其性能、效益与可靠度并降低其制造成本，则应将前两个对热量及噪声敏感的元件与后四个产生热量及噪声的元件间隔开来。而在现有技术中，通常是将所有的元件排布在一起，并不做特别的间隔。现进一步就此说明如下。

在与本发明相关的现有技术中，具有从式单列直插封装(“slave”typesingle in-line package(SIP))的现有技术负载点转换器1的电路示意图如图1(a)所示。如前所述在图1(a)中，负载点转换器1包含：电源管理总线元件11、脉宽调制器12、驱动器13、第一开关14、第二开关15、电感L、输出电容C以及从式单列直插封装16。其中电源管理总线元件11用以接收外置的电源管理总线的输入信号与产生第一控制信号。脉宽调制器12耦合于电源管理总线元件11，用于接收该第一控制信号与产生脉冲宽度调制信号。驱动器13耦合于脉宽调制器12，用于接收电源电压Vcc与该脉冲宽度调制信号及产生第一驱动信号Vg1和第二驱动信号Vg2。第一开关14具有第一端、第二端与控制端，其中该第一端用于接收输入电压Vin，该控制端耦合于驱动器13，用于接收第一驱动信号Vg1。第二开关15具有第一端、第二端与控制端，其中该第一端耦合于第一开关14的第二端，第二开关15的第二端、驱动器13与脉宽调制器12均共同耦合于共同接地端GND，第二开关15的控制端耦合于驱动器13，用于接收第二驱动信号Vg2。电感L具有第一端与第二端，其中该第一端耦合于第二开关15的第一端。而输出电容C具有第一端与第二端，用于输出输出电压Vout，其中该第一端耦合于电感L的第二端，且该第二端耦合于共同接地端GND。其中从式单列直插封装16将现有技术负载点转换器1中，除电源管理总线元件11以外的其余元件均包含于内，此现有技术的负载点转换器1的拓朴分割(POL topologypartition)方式，依据第一现有技术的方法，其从式单列直插封装16的结构示意图如图1(b)所示，即负载点转换器1中的所有元件都共同安装于一共有的电路板上，并通过表面安装元件(surface mounted device：SMD)接脚(pins)与穿孔(through hole)接脚与另一电路板例如主机板相连接。上述按照第一现有技术的方法的拓朴分割方式所形成的该具有从式单列直插封装的现有技术负载点转换器1，其限制为：对热和噪声敏感的芯片接近于产生热和噪声的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)开关，同时这些开关所产生热量也限制了元件间的距离，因此其效益性并未达最优化并且单位面积的电流密度低。此外，当从式单列直插封装的现有技术负载点转换器1与主机板相连接时，过多穿孔接脚将阻碍对从式单列直插封装16下方对应的印刷电路板区域的运用。

而另一与本发明相关的现有技术中，具有硅芯片模块与电感模块的现有技术负载点转换器2的电路示意图如图2(a)所示。在图2(a)中，负载点转换器2包含：电源管理总线元件11、脉宽调制器12、驱动器13、第一开关14、第二开关15、电感L与输出电容C，且将电源管理总线元件11、脉宽调制器12、驱动器13、第一开关14与第二开关15纳入硅芯片模块21并将电感L纳入电感模块22。负载点转换器2的基本电路工作原理均与上述图1(a)所示的具有从式单列直插封装的现有技术负载点转换器1相同。此现有技术的负载点转换器2的拓朴分割方式，依据第二现有技术的方法，即将硅芯片模块21封装进专用集成电路(application-specific integrated circuit：ASIC)中，其硅芯片模块21以及电感模块22的结构示意图如图2(b)所示。上述按照该第二现有技术的方法的拓朴分割方式所形成的具有硅芯片模块与电感模块的现有技术负载点转换器2，其限制为：除去与第一现有技术方法的拓扑分割方式同样具有的对热和噪声敏感的芯片接近于产生热和噪声的金属氧化物场效应晶体管开关的问题之外，还有灵活性与兼容性较差的问题：即无法与其他任何装置相容，并且除非整体重新开模制造，否则无法利用未来先进的金属氧化物场效应晶体管的技术。此外，当该电路安装在主机板上时，开关切换噪声以及开关所生热量仍将对主机板产生较大影响。

发明内容

本发明的主要目的在于解決现有技术转换器具有对热和噪声敏感的芯片接近于产生热和噪声的金属氧化物场效应晶体管开关的问题，以及灵活性与兼容性较差的问题，提供一种具有相对较佳效益的分离式转换器，使用该转换器可达成具有相对较高单位面积的电源/电流密度、消除传入主机板的开关切换噪声干扰、降低传导至主机板热量、具有全数字控制并可与模拟控制相容等优点。

本发明的另一主要目的在于提供一种分离式转换器，包含：电源控制模块，包含：电源控制电路(power control circuit)，用以产生第一控制信号，以及功率级模块，包含：功率级电路(power stage circuit)，耦合于该电源控制电路，用于接收该第一控制信号与输入电压及产生输出电压，其中该电源控制模块与该功率级模块在组装结构上彼此分离，该分离式转换器为负载点转换器，该第一控制信号为脉冲宽度调制信号，且该电源控制电路还包括：数字控制器，该数字控制器包括：电源管理总线元件，用以接收外置的电源管理总线的输入信号与产生第二控制信号；以及脉宽调制器，耦合于该电源管理总线元件，用于接收该第二控制信号与产生该脉冲宽度调制信号。

根据上述构想，该电源控制模块与该功率级模块分别设置于不同载具(carrier)上，以在组装结构上彼此分离。

根据上述构想，所述不同载具包含至少一个第一电路板与第二电路板，该电源控制模块设置于该第一电路板上，且该功率级模块设置于该第二电路板上；或者所述不同载具包含至少一个电路板与系统封装衬底，该电源控制模块设置于该电路板上，且该功率级模块设置于该系统封装衬底上。

根据上述构想，该电源控制模块与该功率级模块分别设置于不同封装中，以在组装结构上彼此分离。

根据上述构想，该电源控制模块与该功率级模块分别设置于不同载具上以及不同封装中，以在组装结构上彼此分离，所述不同载具中任一载具为电路板，所述封装中任一封装为系统芯片封装。

根据上述构想，该转换器为直流/直流转换器与交流/直流转换器两者其中之一。

根据上述构想，该直流/直流转换器选自升压转换器(boost converter)、降压转换器(buck converter)、升降压转换器(buck-boost converter)、返驰式转换器(flyback converter)与负载点转换器其中任一种。

根据上述构想，该直流/直流转换器为该负载点转换器，该第一控制信号为脉冲宽度调制信号，且该电源控制电路是数字控制器(digital controller)，而该电源管理总线元件用以接收外置的电源管理总线的输入信号与产生该第二控制信号。

根据上述构想，该功率级电路还包括：驱动器，耦合于该脉宽调制器，用于接收电源电压与该脉冲宽度调制信号及产生第一驱动信号和第二驱动信号，以及功率级(power stage)，耦合于该驱动器，用于接收该第一驱动信号和该第二驱动信号与产生该输出电压，包括：第一开关，具有第一端、第二端与控制端，其中该第一端用于接收该输入电压，且该控制端耦合于该驱动器，用于接收该第一驱动信号；第二开关，具有第一端、第二端与控制端，其中该第一端耦合于该第一开关的第二端，该第二开关的第二端、该驱动器与该脉宽调制器均共同耦合于一共同接地端，且该第二开关的控制端耦合于该驱动器，用于接收该第二驱动信号；电感，具有第一端与第二端，其中该第一端耦合于该第二开关的第一端；以及输出电容，具有第一端与第二端，用于输出该输出电压，其中该第一端耦合于该电感的第二端，且该第二端耦合于该共同接地端。

根据上述构想，该第一开关与该第二开关均为金属氧化物场效应晶体管，且该第一开关与第二开关各自的第一端、第二端与控制端，分别为这些金属氧化物场效应晶体管的漏极端、源极端与栅极端。

根据上述构想，该输入电压由外置的中间总线转换器(intermediate busconverter)所提供。

根据上述构想，该直流/直流转换器为负载点转换器，该驱动信号为脉冲宽度调制信号，且该电源管理总线元件由模拟控制电路所组成。

根据上述构想，该输入电压为交流输入电压，该输出电压为直流输出电压，且该交流/直流转换器还包括：功率因素校正电路(PFC circuit)，用于接收该交流输入电压及产生该直流输出电压。

根据上述构想，该输入电压为交流输入电压，该输出电压为直流输出电压，且该交流/直流转换器还包括：双重功率因素校正电路(dual PFC circuit)，用于接收该交流输入电压，并产生该直流输出电压。

根据上述构想，该不同的载具包含至少一个第一电路板与第二电路板，该电源控制模块设置于该第一电路板上，且该功率级模块设置于该第二电路板上。

根据上述构想，任一所述不同载具为电路板，这些封装其中任一个为系统芯片(system on chip)封装，该电源控制模块设置于该电路板上，且该功率级模块封装成系统芯片。

根据上述构想，所述不同载具包含至少一个电路板与系统封装(system inpackage)衬底，该电源控制模块设置于该电路板上，且该功率级模块设置于该系统封装衬底上。

本发明的又一主要目的在于提供一种分离式转换器，包含：电源控制模块，包含：电源控制电路，用以产生第一控制信号，包括：电源管理总线元件(control unit)，用于产生第二控制信号，以及脉宽调制器，耦合于该电源管理总线元件，用于接收该第二控制信号与产生该第一控制信号，以及功率级模块，用于接收该第一控制信号与输入电压及产生输出电压，包含：功率级电路，包括：驱动器，耦合于该电源控制电路，用于接收该第一控制信号及产生第一驱动信号和第二驱动信号，以及功率级，耦合于该驱动器，用于接收该第一驱动信号和该第二驱动信号与产生该输出电压，其中该电源控制模块与该功率级模块在组装结构上彼此分离。

根据上述构想，这些载具还包括第一电路板与第二电路板，该第一电路板具有第一表面、第二表面与多个表面安装元件接脚(SMD pins)，该功率级模块设置于该第一电路板的该第一表面之上，该第二电路板具有第一表面与第二表面，该多个表面安装元件接脚设置于该第一电路板的第二表面与该第二电路板的第一表面之间，以连接该第一电路板与该第二电路板，且该电源控制模块设置于该第二电路板的第二表面之上。

本发明的次一主要目的在于提供一种分离式转换器，包含：功率级模块，包含：功率级电路，用于接收控制信号与输入电压及产生输出电压，其中该功率级模块在组装结构上与其他电路彼此分离。

根据上述构想，该转换器还包括电源控制模块，用以产生控制信号。

附图说明

图1(a)：其显示具有从式单列直插封装的现有技术负载点转换器的电路示意图；

图1(b)：其显示如图1(a)所示该现有技术负载点转换器的从式单列直插封装的结构示意图；

图2(a)：其显示具有硅芯片模块与电感模块的现有技术负载点转换器的电路示意图；

图2(b)：其显示如图2(a)所示该具有硅芯片模块与电感模块的现有技术负载点转换器的结构示意图；

图3(a)：其显示本发明第一较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器的电路示意图；

图3(b)：其显示如图3(a)所示该本发明第一较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器的结构示意图；

图4(a)：其显示本发明第二较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器的电路示意图；

图4(b)：其显示如图4(a)所示该本发明第二较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器的结构示意图；以及

图5：其显示如图3(b)所示的该本发明第一较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器装置于主机板上的透视图。

其中，附图标记说明如下：

1：具有从式单列直插封装的现有技术负载点转换器

11：电源管理总线元件    12：脉宽调制器

13：驱动器              14：第一开关

15：第二开关            16：从式单列直插封装

2：具有硅芯片模块与电感模块的现有技术负载点转换器

21：硅芯片模块          22：电感模块

3：本发明第一较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器

31：电源控制模块        32：功率级模块

4：本发明第二较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器

41：电源控制模块        411：模拟控制电路

42：功率级模块          5：散热片

6：主机板               7：机板

8：表面安装元件接脚     9：电路板

具体实施方式

如图3(a)所示，其为本发明第一较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器3的电路示意图。在图3(a)中，负载点转换器3包含：控制单元(在此第一第一较佳实施例中，其为电源管理总线元件11)、脉宽调制器12、驱动器13、第一开关14、第二开关15、电感L与输出电容C，且将该电源管理总线元件11与该脉宽调制器12纳入电源控制模块31并形成电源控制电路(在此第一较佳实施例中，其为数字控制器)，以及将驱动器13、第一开关14、第二开关15、电感L与输出电容C纳入功率级模块32并形成功率级电路。其中该数字控制器的使用使得该负载点转换器3能够实现数字化的时序(timing)、追踪(tracking)、排序(sequencing)、以及对该输出电压Vout、输出电流(未显示)及转换器内部温度的遥测(telemetry)与计算等功能，且当设计要求发生变化时，很容易随之作出相应的变化，因此极大提升了负载点转换器3设计的弹性。而该具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器3的输入、输出、电路连接关系与基本电路工作原理均与上述图1(a)所示具有从式单列直插封装的现有技术负载点转换器1相同。

而电源控制模块31与功率级模块32通过分别设置于不同载具上与不同封装中两者其中之一，也就是，例如：选自1.设置于不同载具上，2.设置于不同封装中，及3.设置于不同载具上以及不同封装中三者其中任一种，使得这些模块在组装结构上彼此分离。其中这些载具指的是让电路元件可以附着的东西，例如：电路板(PCB)或者系统封装(system in package or system onpackage)中的衬底(substrate)，而这些封装可以为系统芯片(system on chip)封装或者系统封装等。电源控制模块31以及功率级模块32的结构示意图如图3(b)所示，即电源控制模块31中的元件全部放置于第一载具，例如第一电路板上，而该功率级模块32中的元件全部放置于第二载具，例如第二电路板上，彼此之间的电气连接通过对应的接脚例如表面安装元件接脚进行。因为该电源控制模块31具有第一电路板，用以容置电源管理总线元件11与脉宽调制器12，而功率级模块32具有第二电路板，用以容置驱动器13、第一开关14、第二开关15、电感L与输出电容C(当然，在另一不同的较佳实施例中，该输出电容C也可为外置的电容，而不纳入该功率级模块32中)，故该电源控制模块31与该功率级模块32是彼此间隔开来的。如前所述在考虑改善转换器的性能与效益时，应将对热量及噪声敏感的元件与产生热量及噪声的元件间隔开来，而本发明也已确实就此点加以改进，所以该具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器3具有下述优点：对热量及噪声敏感的元件已与产生热量及噪声的元件间隔，故该负载点转换器3本身具有较高的单位面积的功率/电流密度和较好的抗干扰性能，所有的功率元件均被纳入该具有第二电路板的功率级模块32，其自身产生的热量基本通过功率模块32自身所安装的散热器散去，不会对与之电连接的印刷电路板产生较大的影响。且该负载点转换器3仅具有表面安装元件接脚而无穿孔接脚，该负载点转换器3可通过这些表面安装元件接脚与主机板相连接，这使得该具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器3与主机板相连接处可被运用(例如数据路由：data routing可经由其下方)等。而其中该电源控制模块31中的该电源管理总线元件11可被模拟控制电路所取代，而使得其具有可与模拟控制电路相容的优点，详如下述本发明第二较佳实施例。

请参看图4(a)，其为本发明第二较佳实施例的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器4的电路示意图。在图4(a)中，该负载点转换器4包含：模拟控制电路411、脉宽调制器12、驱动器13、第一开关14、第二开关15、电感L与输出电容C，且将该模拟控制电路411与该脉宽调制器12纳入电源控制模块41，以及将该驱动器13、该第一开关14、该第二开关15、该电感L与该输出电容C纳入功率级模块42。其中除上述该电源控制模块31中的该电源管理总线元件11已被模拟控制电路411所取代外，具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器4的输入、输出、电路连接关系与基本电路工作原理均与上述图3(a)所示的具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器3相同。而电源控制模块41以及功率级模块42的结构示意图如图4(b)所示。因此，该具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器4也具有上述可消除传入主机板的噪声与减低传入主机板的热量、该具有电源控制模块与功率级模块的负载点转换器4与主机板相连接处可被妥善运用等优点，且可与模拟控制电路相容。

在图5中，显示如图3(b)所示的本发明第一较佳实施例具有电源控制模块31与功率级模块32的负载点转换器3装置于主机板6上的透视图。如前所述，电源控制模块31与功率级模块32通过分别设置于不同的载具上，而使得这些模块在组装结构上彼此分离。请参看图5，功率级模块32中的元件设置于电路板9(其为功率级模块32的载具)上形成功率级模块，并通过表面安装元件接脚8而装置于该主机板6上方，主机板6则装置于机板(chassis)7上，且该功率级模块32旁边还包括至少一个散热片5。另外，电源控制模块31则装置于功率级模块32下方的主机板6(其为功率级模块31的载具)另一侧。由此即可显示，该具有电源控制模块31与功率级模块32的负载点转换器3的下方范围可被适当地运用。

由上述说明可知，本发明在于提供一种具有相对较佳效益的分离式转换器，使用该分离式转换器可达成具有相对较高单位面积的电源/电流密度、消除传入主机板的开关切换噪声干扰、降低传导至主机板热量等优点。

因此，即使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由本领域技术人员进行修改，然而均不脱离所附权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种分离式转换器，包含：

电源控制模块，包含：

电源控制电路，用以产生第一控制信号；以及

功率级模块，包含：

功率级电路，耦合于该电源控制电路，用于接收该第一控制信号与输入电压及产生输出电压，

其中该电源控制模块与该功率级模块在组装结构上彼此分离，该分离式转换器为负载点转换器，该第一控制信号为脉冲宽度调制信号，且该电源控制电路还包括：

数字控制器，包括：

电源管理总线元件，用以接收外置的电源管理总线的输入信号与产生第二控制信号；以及

脉宽调制器，耦合于该电源管理总线元件，用于接收该第二控制信号与产生该脉冲宽度调制信号。

2.如权利要求1所述的转换器，其中该电源控制模块与该功率级模块分别设置于不同载具上，以在组装结构上彼此分离。

3.如权利要求2所述的转换器，其中：所述不同载具包含至少一个第一电路板与第二电路板，该电源控制模块设置于该第一电路板上，且该功率级模块设置于该第二电路板上；或者

所述不同载具包含至少一个电路板与系统封装衬底，该电源控制模块设置于该电路板上，且该功率级模块设置于该系统封装衬底上。

4.如权利要求1所述的转换器，其中该电源控制模块与该功率级模块分别设置于不同封装中，以在组装结构上彼此分离。

5.如权利要求1所述的转换器，其中该电源控制模块与该功率级模块分别设置于不同载具上以及不同封装中，以在组装结构上彼此分离，所述不同载具中任一载具为电路板，所述封装中任一封装为系统芯片封装。

6.如权利要求1所述的转换器，其中该功率级电路还包括：

驱动器，耦合于该脉宽调制器，用于接收电源电压与该脉冲宽度调制信号及产生第一驱动信号和第二驱动信号；以及

功率级，耦合于该驱动器，用于接收该第一驱动信号和该第二驱动信号与产生该输出电压，包括：

第一开关，具有第一端、第二端与控制端，其中该第一端用于接收该输入电压，且该控制端耦合于该驱动器，用于接收该第一驱动信号；

第二开关，具有第一端、第二端与控制端，其中该第一端耦合于该第一开关的第二端，该第二开关的第二端、该驱动器与该脉宽调制器均共同耦合于共同接地端，且该第二开关的控制端耦合于该驱动器，用于接收该第二驱动信号；

电感，具有第一端与第二端，其中该第一端耦合于该第二开关的第一端；以及

输出电容，具有第一端与第二端，用于输出该输出电压，其中该第一端耦合于该电感的第二端，且该第二端耦合于该共同接地端。

7.如权利要求6所述的转换器，其中该第一开关与该第二开关均为金属氧化物场效应晶体管，且该第一开关与该第二开关各自的第一端、第二端与控制端，分别为所述金属氧化物场效应晶体管的漏极端、源极端与栅极端。

8.如权利要求1所述的转换器，其中该输入电压由外置的中间总线转换器提供。

9.一种分离式转换器，包含：

电源控制模块，包含：

电源控制电路，用以产生第一控制信号，包括：

电源管理总线元件，用于产生第二控制信号；以及

脉宽调制器，耦合于该电源管理总线元件，用于接收该第二控制信号与产生该第一控制信号；以及

功率级模块，用于接收该第一控制信号与输入电压及产生输出电压，包含：

功率级电路，包括：

驱动器，耦合于该电源控制电路，用于接收该第一控制信号及产生第一驱动信号和第二驱动信号；以及

功率级，耦合于该驱动器，用于接收该第一驱动信号和该第二驱动信号与产生该输出电压，

其中该电源控制模块与该功率级模块在组装结构上彼此分离，该分离式转换器还包括第一电路板与第二电路板，该第一电路板具有第一表面、第二表面与多个表面安装元件接脚，该功率级模块设置于该第一电路板的该第一表面之上，该第二电路板具有第一表面与第二表面，该多个表面安装元件接脚设置于该第一电路板的该第二表面与该第二电路板的该第一表面之间，以连接该第一电路板与该第二电路板，该电源控制模块设置于该第二电路板的该第二表面之上。

10.如权利要求9所述的转换器，其中该电源控制电路是数字控制器，而该电源管理总线元件用以接收外置的电源管理总线的输入信号与产生该第二控制信号。

11.如权利要求9所述的转换器，其中该电源管理总线元件由模拟控制电路所组成。

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