CN105449987B - 电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源装置，其包括主板、功率单元、控制单元、焊盘与引脚。控制单元与功率单元堆叠设置于主板上毗邻负载的位置；焊盘分布于功率单元的侧面和控制单元的侧面；引脚与焊盘电性连接且电性连接主板、控制单元和功率单元；控制单元用于控制功率单元，使功率单元供电给毗邻的负载。

Description

电源装置

技术领域

本发明是有关于一种电源装置，且特别是有关于一种电源装置的内部结构。

背景技术

随着人类对智能生活要求的提升，社会对数据处理的需求日益旺盛。全球在数据处理上的能耗，平均每年达到数千亿甚至数万亿度；而一个大型数据中心的占地面积可以达到数万平方米。因此，高效率和高功率密度，是这一产业健康发展的关键指标。

数据中心的关键单元是服务器，其主板通常由CPU、Chipsets、内存等等数据处理芯片和它们的供电电源及必要外围元件组成。随着单位体积服务器处理能力的提升，意味着这些处理芯片的数量、集成度也在提升，导致空间占用和功耗的提升。因此，为这些芯片供电的电源(因为与数据处理芯片同在一块主板上，又称主板电源)，就被期望有更高的效率，更高的功率密度和更小的体积，来支持整个服务器乃至整个数据中心的节能和占地面积缩小。

在服务器的中，主板(Main Board PCB)用于进行能量和信号传递。主板上放置有数据处理芯片及其供电电源。服务器的外壳高度，通常为一个标准的数值，它可以用工业标准U来定义，如1U、1.5U、2U等(1U＝1.75inch＝44.45mm)。以1U即高度约40mm(因为有装配工差等需要，1U实际尺寸不尽相同)服务器为例，主板通常为6～50层的PCB板，其造价相当昂贵。在一定服务器外壳高度的限制下，保证效率期望的同时，减小主板电源所占用主板的面积也即主板电源水平面积，不仅能减小体积，增加功率密度，而且能降低成本。本文中，称电源单位水平面积的功率为“功率压强”。

当用同一技术能力设计功率为Po的电源时，通常电源的体积V越大，其效率越容易做到较高，也即电源效率与其体积V成正比关系。而体积V等于高度H乘以水平面积S。功率压强Pp则为Po/S。限定效率为固定目标，即效率保持不变。即可得到功率压强Pp与高度H的关系：即H越大，Pp就可以越大。也即，要提高Pp，应当在高度H的利用上，思考解决方案。当然，如果是为了追求效率，根据前面的逻辑也应当充分利用高度。因此，如何利用高度是兼顾功率压强Pp和效率的关键所在。

主板电源的厚度或者说高度较好的可以做到7mm甚至更薄，因此，在一定的服务器高度的限制下，如1U高度，其上方仍可以有大于20mm的空间。而其效率可以高至90％甚至以上，由于其功耗仅仅是数据处理芯片的几分之一(如0.1倍)，事实上，有机会无需散热单元即可自行处理热问题。这样主板电源上的空间就没有充分的利用起来。

通常主板电源具体的做法一般包含两种。其一是以PCB为载体，采用分立元件组装而成。通过业界多年的努力，这种类型的主板电源实现了不错的效率和功率密度。但由于分立元件组装，需要必要的间隙、安规距离，影响了水平面积的进一步缩小，且高度不规则，也影响热的后续处理。

而主板电源的另一种做法为采用一定的封装技术，将电源各元件集成为一个很规则的元件。由于封装技术的使用，使得其功率密度显着提高，效率也不逊色，且规则的外形，有利于后续热的处理，是不错的解决方案。只是这种做法采用的封装技术，主要追求通过主板电源高度的降低来实现其体积的缩小及功率密度的提高，而一味的降低高度将限制其在占地面积上的进一步缩小。因此，该解决方案仅是追求功率密度的较好方案之一，但在追求数据中心主板电源的功率压强方面仍有较大欠缺。

发明内容

本发明即针对现有技术的不足之处，提出了新的解决方案，使得功率压强和效率得到最大兼顾，适合对水平面积有较大限制的应用场合，例如数据中心等数据处理场合对电源的需求。

本发明的一方面是在提供一种电源装置，其包括控制单元与功率单元，堆叠设置且毗邻负载的位置，功率单元至少含一功率半导体器件，所述控制单元至少含一具备控制或者驱动能力的芯片；引脚，电性连接控制单元和功率单元；控制单元用于控制功率单元，使功率单元供电给毗邻的负载。

于一实施例中，控制单元与功率单元，堆叠设置设于主板上，所述主板还设有所述负载。

于一实施例中，电源装置还包括：焊盘，分布于所述功率单元的侧面和所述控制单元的侧面，与所述引脚电性连接。

于一实施例中，引脚包括表面贴装引脚，分布于功率单元和控制单元的外表面并与焊盘电性连接。

于一实施例中，表面贴装引脚覆盖功率单元30％以上外表面积。

于一实施例中，引脚还包括直插引脚，直插引脚配合表面贴装引脚实现功率单元/控制单元与主板的电性连接。

于一实施例中，焊盘还分布于功率单元与焊盘所在侧面垂直的面。

于一实施例中，功率单元包括主功率单元部分和次功率单元部分，主功率单元部分的侧面分布焊盘，次功率单元部分堆叠于主功率单元部分。

于一实施例中，功率单元与负载位于主板的同一面，控制单元位于主板与功率单元相对的另一面。

于一实施例中，电源装置还包括一功率单元，两功率单元和控制单元相互之间堆叠设于主板，控制单元通过引脚控制两功率单元。

于一实施例中，两功率单元分别为一第一级直流对直流变换器的功率单元和一第二级直流对直流变换器的功率单元；控制单元包括第一级直流对直流变换器的控制单元和第二级直流对直流变换器的控制单元。

于一实施例中，第一级直流对直流变换器为隔离型直流对直流变换器；第二级直流对直流变换器为非隔离调整型直流对直流变换器。

于一实施例中，非隔离调整型直流对直流变换器比隔离型直流对直流变换器靠近主板。

于一实施例中，两功率单元中一功率单元包括一第一级直流对直流变换器的功率单元和一第二级直流对直流变换器的功率单元。

于一实施例中，第一级直流对直流变换器为隔离型直流对直流变换器，第二级直流对直流变换器为非隔离调整型直流变换器。

于一实施例中，隔离型直流对直流变换器包括：隔离型变压器、若干原边开关管和副边开关管；非隔离调整型直流变换器为负载点降压直流变换器。

于一实施例中，隔离变压器、副边开关管、用于隔离直流对直流变换器的输出电容器和负载点直流变换器设置于同一个功率单元。

于一实施例中，原边开关管设置于控制单元，控制单元还包括原边开关管驱动电路、负载点直流变换器的控制驱动电路和控制芯片。

于一实施例中，原边开关管位于靠近控制单元侧面的位置。

于一实施例中，功率单元之间、功率单元与控制单元之间填充有导热绝缘胶。

于一实施例中，功率单元与控制单元电性连接的引脚之间以及功率单元与功率单元电性连接的引脚之间填充有导电焊接材料。

于一实施例中，功率单元各包括一平面变压器，两个平面变压器共用一磁芯。

于一实施例中，磁芯的气隙设置于功率单元之间的堆叠间隙。

于一实施例中，功率单元包括若干开关器件以及承载开关器件的载板和包覆开关器件的绝缘封料；开关器件分布于靠近焊盘的位置。

于一实施例中，绝缘封料上设有配合引脚安装的凹部。

于一实施例中，功率单元还包括电感和电容，电感、电容及开关器件位于载板上靠近功率单元侧面的位置。

于一实施例中，焊盘包括一次侧群焊盘与二次侧群焊盘，一次侧群焊盘与二次侧群焊盘之间至少间隔一安规距离。

于一实施例中，一次侧群焊盘包括第一信号焊盘与第一功率焊盘，第一功率焊盘的截面积大于第一信号焊盘的截面积。

于一实施例中，二次侧群焊盘包括第二信号焊盘与第二功率焊盘，第二功率焊盘的截面积大于第二信号焊盘的截面积。

于一实施例中，第二功率焊盘的数量多于第一功率焊盘的数量。

于一实施例中，第一级直流对直流变换器为非隔离调整型直流对直流变换器；第二级直流对直流变换器为隔离非调整型直流对直流变换器。

于一实施例中，第一级直流对直流变换器为升降压电路。

本发明的另一方面是在提供一种电源装置，电源装置包括：控制单元、功率单元与引脚。控制单元与功率单元堆叠设置且毗邻设有数据处理芯片的负载的位置，功率单元至少含一功率半导体器件，控制单元至少含一具备控制或者驱动能力的芯片；引脚电性连接控制单元和功率单元；控制单元用于控制功率单元，使功率单元供电给毗邻的负载。

于一实施例中，控制单元与功率单元堆叠设置设于主板上，主板还设有数据处理芯片的所述负载。

于一实施例中，电源装置还包括：焊盘，分布于所述功率单元的侧面和所述控制单元的侧面，与所述引脚电性连接。

于一实施例中，电源输入操作最高电压高于20V，功率单元包含：至少含一变压器，变压器含至少一原边和至少一副边；至少含一同步整流组合和一输出电容组合；高频能量从原边传递至副边，并通过同步整流组合整流为直流后传递至输出电容整合。

于一实施例中，控制单元由嵌入式工艺实现，厚度低于2毫米。

于一实施例中，功率单元为谐振型电路，操作频率高于1MHZ。

于一实施例中，控制单元上方更堆叠一输入滤波器。

于一实施例中，功率单元为一第一级直流对直流变换器；控制单元为和一第二级直流对直流变换器的功率单元。

于一实施例中，第一级直流对直流变换器为非隔离调整型变换器；第二级直流对直流变换器为非调整隔离型变换器。

于一实施例中，第一级直流对直流变换器为隔离型变换器；第二级直流对直流变换器为非隔离调整型变换器。

于一实施例中，电源装置还包含至少散热单元，该散热单元置于焊盘或者引脚组合上方，且与焊盘或者引脚间的热阻小于5摄氏度/瓦。

于一实施例中，散热单元与焊盘或者引脚组合之间有绝缘材料。

综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。通过上述技术方案，可达到相当的技术进步，并具有产业上的广泛利用价值。由于本发明采用了堆叠的结构，电源的高度就可以更好利用，在一定体积下，实现了更小的占地面积；同时又有足够的体积保证高的效率，实现了高功率压强和高效率的兼顾。也为实现更高特性的数据处理设备提供了支持。

以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1是依照本发明一实施例的一种电源装置的侧视图；

图2至图16是依照本发明实施例所绘示的电源架构及堆叠内容分配；

图17至图19是依照本发明实施例所绘示的控制单元与功率单元可涵盖的内容；

图20至图23是依照本发明实施例所绘示的堆叠结构设计；

图24至图34是依照本发明实施例所绘示的引脚布置；

图35至图40是依照本发明实施例所绘示的散热处理架构；以及

图41至图43是依照本发明实施例所绘示的磁芯配置。

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的组件。另一方面，众所周知的组件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。

于实施方式与权利要求书中，涉及“耦接(coupled with)”的描述，其可泛指一组件透过其它组件而间接连接至另一组件，或是一组件无须透过其它组件而直接连接至另一组件。

本发明的技术态样是一种电源装置，其可应用在服务器，或是广泛地运用在各种技术领域。值得一提的是，本技术态样的电源装置采用了堆叠的结构，电源的高度就可以更好利用，在一定体积下，实现了更小的占地面积。

图1是依照本发明一实施例的一种电源装置的侧视图。如图1所示，电源应用装置(如：电源装置)包括主板110、功率单元120、控制单元130与引脚140。主板110上还设有负载150，功率单元120位在主板110上，控制单元130与功率单元120堆叠设置于主板110上毗邻负载150的位置，引脚140电性耦接主板110、控制单元130和功率单元120，于本实施例中，引脚140的数量为多个且分别位于功率单元120与控制单元130中每一者的侧边，两功率单元120和控制单元130相互之间堆叠设于主板110。控制单元130用于控制功率单元120，具体而言，控制单元通过引脚140控制所述两功率单元120，使功率单元120供电给毗邻的负载150。负载150为数字处理IC，如中央处理器(CPU)，中央处理器上有设有散热单元散热装置如散热器151。功率单元120至少含一功率半导体器件(如：图3的开关管S21、S22、S23、S24，图11的开关管S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33)，控制单元130至少含一具备控制或者驱动能力的芯片(如：图3的控制电路310，图11的控制电路1100、DSP)。

于一实施例，电源装置设于主板110上，主板110还设有数据处理芯片(如：CPU)的负载150，电源装置包括：功率单元120、控制单元130与引脚140。控制单元130与功率单元120堆叠设置于主板上毗邻负载150的位置，引脚电性连接主板110、控制单元130和功率单元120，控制单元130用于控制功率单元120，使功率单元120供电给毗邻的负载150。

总的而言，直流/直流电源包含了至少两个单元(即模块)：控制单元130及功率单元120。这两个模块上下堆叠放置，通过导体(即引脚140)进行彼此之间的电气连接以传递电信号。其中功率单元120至少包含一个主动开关元件，功率单元120接收输入功率通过主动开关元件的导通及关断产生相应的输出功率提供给负载150，如数据处理芯片。控制单元130模块至少包含一个控制芯片，发送控制信号给功率单元120的主动开关元件以控制该元件的导通及关断。置于上方的单元，部分引脚通过置于下方的单元固定后，传递电信号至上述的主板110(如：PCB板)。

如此，由于采用了堆叠的结构，电源的高度就可以更好利用，在一定体积下，实现了更小的占地面积；同时又有足够的体积保证高的效率，实现了高功率压强和高效率的兼顾。也为实现更高特性的数据处理设备提供了支持。

涉及的电源架构及堆叠内容分配

如图2，为一个服务器主板可能涉及的各种类型电源变换器(即主板电源200)的示意图。该电源变换器输入通常为直流，其电压范围宽广，有高压，如200～500V(以400V为例)，中压，如18～72V(以48V为例)以及低压，如5～15V(以12V为例)。不管输入为什么电压，都需要有相应的DC/DC变换器，将其变换成所需要的输出，以提供给其负载150，如数据处理芯片，像是中央处理器(CPU)及内存等。其输出的变化范围也很广泛以适应不同的负载要求，例如输出为低至0.8V甚至更低，高至12伏甚至更高。当负载150为CPU和内存时，输出电压通常在0.8～2V之间。因此，涉及的电源规格主要含以下几种：

(1)变换器210将400V转48V：输入为200～500V(以400V为典型)之间的某一电压范围，输出为稳定输出或者与输入成固定比例，以48V附近为典型值，也可在18V～72V之间的某一电压范围。由于输出电压相对较高，通常不会直接接数据处理芯片负载，需在其后级联另一规格变换器，将电压调到适应负载可用的程度。

(2)另一变换器(图未示)将400V转12V：输入为200～500V(以400V为典型)之间的某一电压范围，输出为稳定输出或者与输入成固定比例，以12V附近为典型值。由于输出电压较低，可以接部分数据处理负载，如硬盘等。但当负载电压更低时，例如0.5～5V，则需在其后级联另一规格DC/DC变换器，将电压调到适应负载可用的程度。

(3)又一变换器(图未示)将400V转0.5～5V：输入为200～500V(以400V为典型)之间的某一电压范围，输出为按需调整的稳定电压，例如0.5～5V之间。其输出可以直接接数据处理芯片，如CPU、内存等。

以上(1)、(2)、(3)中的三类规格的变换器，由于是高压输入，需要符合高压安规绝缘要求，其绝缘电压高至直流电压2000V甚至以上。

(4)变换器220将48V转12V：输入为18～72V(以48V为典型)之间的某一电压范围，输出为稳定输出或者与输入成固定比例，以12V附近为典型值，也可在3V～15V之间的某一电压范围。该规格的变换器可以直接接某些数据处理负载，如硬盘等。

(5)变换器230将48V转0.5～5V：输入为18～72V(以48V为典型)之间的某一电压范围，输出为按需调整的稳定电压，例如在0.5～5V之间。且输出可直接接数据处理芯片，如CPU、内存等。

(6)变换器240将12V转0.5～5V：输入为3V～15V(以12V为典型)之间的某一电压范围，输出为按需调整的稳定电压，以0.5～5V之间。其输出可以直接接数据处理芯片，如CPU、内存等。由于是低压输入，不需要隔离。输出则直接接数据处理芯片，如CPU、内存等。

以上(4)、(5)、(6)中的三类变换器，由于输入/输出电压均相对较低，则变换器的耐压需求较低，通常在直流电压2000V以下。

当变换器输出为0.5～5V时，由于输出可以直接接负载150，例如数据处理芯片，需要电源变换器输出低压大电流并且要求有很高的动态响应能力，如当负载150为CPU时要求有1000A/ns的响应能力，这样就需要电源变换器就近放置在负载附近。因此这些电源被称为负载点电源(Point of the load)。其中尤以给CPU供电的叫电压调整模块(VoltageRegulated Module,VRM)需要就近供电。

如上各种输入输出规格的电源变换器，由于均设置在主板之上，因此，均适合用堆叠的方式来实现高功率压强和高效率的兼顾。当然，各种变换器的组合也适合采用堆叠的方式放置。

如上，400V和48V输入的电源，由于输入输出压差较大，也通常有输入输出安规耐压需求，通常由变压器来隔离传递能量。当然，若有需要，例如为实现更宽的输入或者输出范围，低压输入电源如12V输入的电源也可以采用变压器来传递能量。

以上各种规格的变换器可以采用多种类型的拓扑来实现电能的变换，例如脉冲宽度调制(PWM)型的正向电路、全桥电路、移相全桥电路、半桥电路、反激式电路等。为了实现高的功率密度，通常需要工作频率较高，如500kHZ、1MHZ，甚至2MHZ以上。为了在这么高的频率下实现高的效率，通常需要选择谐振型电路，即脉冲频率调制(PFM)型的LLC串联谐振变换器(LLC-SRC)、并联谐振变换器(PRC)等等。

图3所示为一半桥LLC电路。如图3所示，该电路包含了主电路以及控制电路310。其中主电路包含了：输入电容器C1、谐振电容器C2、谐振电感器L1、变压器T1、一次侧开关管S11、S12与二次侧开关管S21、S22、S23、S24，其中输入电容器C1连接一次侧开关管S11、S12，一次侧开关管S11、S12连接由谐振电容器C2、谐振电感器L1、变压器T1的原边组成的串联回路，变压器T1的副边连接二次侧开关管S21、S22、S23、S24，输出电容器C3连接所述二次侧开关管S21、S22、S23、S24。一次侧开关管S11、S12接收输入功率并将直流输入信号转换为交流信号，该交流信号经过谐振电感器L1，谐振电容器C2及变压器T1传送至二次侧，通过二次侧同步整流线路(如，二次侧开关管S21、S22、S23、S24)，在输出电容器C3上产生输出电压并提供输出功率给负载。特别提及的是，由于输出为低压大电流，为了减少损耗，通常需要涉及低压大电流的组件(如T1副边、副边整流管、输出电容)进行并联已获得低的低电阻。如由“一整流组合S21、S22与一副边形成的组合”和“另一整流组合S23、S24与另一副边组成的组合”进行并联。由于输出电压各有不同，因此，变压器副边的结构并非限制于图3所示的中心抽头整流结构，也可以是其他如全桥整流结构。

控制电路310产生控制信号提供给驱动一次侧开关管S11、S12的驱动器320，和驱动二次侧开关管S21～S24的驱动器330用以控制主电路中各开关元件，如开关管S11、S12，S21～S24等的开通及关断。当然控制电路310还有包含其他采样、保护、通信等等必要元件在图中并未展示，在此也不做赘述。

功率单元120由于在高频工作状态下，并且变换器的输出为低压大电流，通常变压器二次侧、输出同步整流线路及输出电容器三者组成的回路尽量的小，以适应高频需要。因此，变压器T1、同步整流线路(即，二次侧开关管S21、S22等)、输出电容器C3必须放在同一单元电路(即，功率单元120)中。

于一实施例，电源输入操作最高电压高于20V，功率单元120包含：至少一变压器T1，变压器T1含至少一原边和至少一副边；至少一同步整流组合(如：二次侧开关管S21、S22)和一输出电容组合(如：输出电容器C3)。高频能量从原边传递至副边，并通过同步整流组合整流为直流后传递至输出电容整合。

另一方面，控制电路310的周边通常有许多的外围电路，需要处理的信号通常很低，也要求就近放置以便提升抗干扰的能力。因此，控制电路310及其外围电路需在同一单元电路(即，控制单元130)中。于一实施例，控制单元130由嵌入式工艺实现，厚度低于2毫米。功率单元为谐振型电路，操作频率高于1MHZ。控制单元上方更堆叠一输入滤波器。

至于驱动电器320、330、一次侧开关管S11～S12、谐振电容器C2、谐振电感器L1，可以根据实际情况放置在功率单元120或者控制单元130。输入电容器C1对一次侧开关管S11～S12有抑制电压尖峰的作用，因此最好与一次侧开关管S11、S12就近放置于同一单元中为佳。L1/C2等可以与其他元件如T1集成而成。甚至T1的激磁电感也可以由一独立电感与变压器原边并联，以协助T1性能的优化。

如图1所示，整个功率电路采用控制单元130与功率单元120进行堆叠组合，将有效地减小该功率电路120的水平面积，在最后放置于主板110上时，减小占用主板110的面积。如图1中，控制单元130或功率单元120可以采用封装的技术，例如采用塑封料对其进行模制(molding)，形成一模块。或者,两者也可以采用分立元件制作。无论何种方式，各单元都可以包含一载板，如：印刷电路板(PCB)或者陶瓷电路板(DBC)等等，用以承载该单元的器件，或者，也可以采用单元内器件直接堆叠的方式，如开关元件与电感、电容等元件直接堆叠的方式。当一次侧开关管S11～S12、谐振电容器C2、谐振电感器L1集成于功率单元时，控制单元中电路将主要处理控制信号，因此其高度可以变得很小，如5mm、3mm甚至1mm以下。

而在功率较大的场合，可以将图3所示的多个主电路进行输入输出的并联。这样整个电源装置在结构上可以采用一个主电路为一个功率单元，多个相同的功率单元，及控制单元进行堆叠的方式，如图1所示。控制单元130可以放置于下面，两个功率单元120堆叠于上面，或者控制单元放置于两个功率单元中间，又或者控制单元放置于两个功率单元之上。无论何种方式，均充分地利用了高度，实现了占地面积不变的状态下进行功率的提升。其中控制单元130可以为一个，用于控制两个功率单元120中开关元件的开通和关断，也可以为多个，例如两个分别控制相应功率单元中开关元件的开通与关断。当然，也可以将控制单元与其中一个功率单元集成在一起，这样最后变成了至少一个功率单元120与一个控制单元130堆叠在一起，其中该控制单元集成了至少一个主电路。如图4所示。电源模块包含了功率单元120与控制单元130上下堆叠，并通过引脚140彼此进行电气连接。其中功率单元120集成一个直流到直流变换器，控制单元130集成另一个直流到直流变换器及控制电路，控制电路控制这两个直流到直流变换器。

如前面所述，电源装置接收输入产生输出提供能量给负载。该电源装置可以采用单级的变换器，例如如图3所示电路，实现电压转换的要求，甚至于隔离。当然也可以采用多级的变换器。由于受器件特性的限制，单级电路通常不适合宽范围输入输出，因此，针对电压范围宽的负载，如服务器电源的应用中的CPU、内存等负载，比较适宜的是采用两级架构的电源，即其中一级负责隔离，另一起负责调压，各司其职，以达到最优状态。举例说来如图5和图6所示。

如图5所示，输入电压Vin为一宽的电压范围，例如38～60V，该输入电压通过前级电路例如一隔离非调整型直流对直流变换器，亦即：隔离变压模块DCX，(此处，“非调整型”是指在工作范围内的该电路的输入输出为固定比例关系，也即输出随输入成比例变化如Vin/Vo＝n，图中以Vin/Vo＝4为例)，实现高压隔离；然后通过后级电路例如一非隔离调整型直流对直流变换器提供输出给负载。举例来说，后级电路可为负载点变换单元POL，其可以用来实现输出稳压和动态响应需求。由于后级电路具备调整能力，因此，前级电路可以不具备调整能力。但如果有需要，前级也可以具备或者部分具备调整能力，即为隔离型直流对直流变换器。

同时参照图1、5，两功率单元120分别为第一级直流对直流变换器的功率单元和第二级直流对直流变换器的功率单元；控制单元130包括第一级直流对直流变换器的控制单元和第二级直流对直流变换器的控制单元。具体而言，第一级直流对直流变换器为隔离型直流对直流变换器；第二级直流对直流变换器为非隔离调整型直流对直流变换器(如图5所示)，非隔离调整型直流对直流变换器比所述隔离型直流对直流变换器靠近主板110。或者，第一级直流对直流变换器为非隔离调整型直流对直流变换器，第二级直流对直流变换器为隔离非调整型直流对直流变换器。举例而言，第一级直流对直流变换器为升降压电路。

于一实施例，功率单元120为一第一级直流对直流变换器；控制单元130为和一第二级直流对直流变换器的功率单元。举例而言，第一级直流对直流变换器为非隔离调整型变换器；第二级直流对直流变换器为非调整隔离型变换器；或者，第一级直流对直流变换器为隔离型变换器；第二级直流对直流变换器为非隔离调整型变换器。

由于前级为非调整型的隔离变压模块DCX，可以在设计上使该电路工作于其最佳工作点，从而使电路相对简单且效率很高。当隔离变压模块DCX为一谐振电路，则隔离变压模块DCX可以工作在谐振频率附近；而当直流变压器DCX为一PWM线路，如全桥线路，则可以工作在占空比最大的状态下。后级为调整的电路，例如负载点直流变换器POL，通常由降压式变换电路(Buck电路)来实现(如：负载点降压直流变换器)，使得输出特性满足负载的要求，该线路简单，且输出电压范围很宽。两者结合，可以很容易地实现宽输入/输出电压范围以及高输出电压精度及动态响应特性等要求。当隔离变压模块DCX采用谐振电路时，例如LLC-SRC电路，则较容易实现电源的高频下的高效率，并有很高的功率密度。当然，由于后级有调整功能，DCX若因为某种原因，如减少中间BUS电压范围，以减少中间BUS电容及相关功率器件的耐压幅值，而具备一定程度的输出电压调整能力，也不影响本实施例的实现和作用。

如图6所示，输入电压Vin为一宽的电压范围，例如38～60V。该输入电压Vin通过前级电路例如一个非隔离调整型直流变换器，亦即：前级调压模块(Front Regulate Module)FRM，将变化输入的电压转换成一个需要的值，例如一恒定电压48V，并可以响应负载的动态变化；再在其后串联使用隔离非调整型直流变换器，亦即隔离变压模块DCX来实现电压隔离，并实现降压需求。该架构下最终输出即后级电路的输出的稳压和动态响应均由前级电路实现。由于前级调压模块FRM无需隔离，所以可以用多种拓扑例如降压、升压或者降、升压电路等来实现，为了高频需要，可以加以软开关技术。因此前级调压模块FRM也可以有很高的功率密度，隔离变压模块DCX也是如此。

同时参照图1、6，两功率单元120中一功率单元120包括第一级直流对直流变换器的功率单元和第二级直流对直流变换器的功率单元，第一级直流对直流变换器为隔离非调整型直流对直流变换器，第二级直流对直流变换器为非隔离调整型直流变换器(如图6所示)。

以上两种电源架构下，以一个输出功率为200W的主板电源为例，在1/16砖(1.3in*0.9in,33mm*22.9mm)即可分别实现隔离变压模块DCX和负载点直流变换器POL(图5架构)或是前级调压模块FRM和隔离变压模块DCX(图6架构)，因此，其功率压强也为85.5W/inch2(实际由于两个单元的安装空隙等需要，其功率压强更低)。由于两者高度均可在10mm甚至7mm之内。如果用本发明的方法，将两者堆叠，如图7所示，控制单元与功率单元整合成隔离变压模块DCX与负载点直流变换器POL堆叠设置于主板110上；或者，如图8所示，控制单元与功率单元整合成前级调压模块FRM和隔离变压模块DCX堆叠设置于主板110上。借此，功率压强可以立即倍升至171W/inch2，大大缩小对主板面积的占用。即便堆叠可能需要一些额外的高度，如散热处理等等原因，其总高度也可以在25mm以下，完全可以满足服务器的高度需求(可以高至30mm)。

为了减少内部互连引脚占用的体积，可以将上述隔离变压模块DCX与负载点直流变换器POL的功率级做在同一功率单元120中，再将两级的控制电路做在同一控制单元130中。这样就可以集中处理功率部分，以得到更优效率和更小占地面积。其功率单元部分，也可根据实际功率需要，选择一个或者多个并联，如图9所示，多个功率单元120并联且均包括隔离变压模块DCX与负载点直流变换器POL中的功率级，控制单元130包括隔离变压模块DCX与负载点直流变换器POL中的控制电路。

图11是图5中电路架构的原理图。它与图3不同之处在于，它在图3的基础上增加了后级电路---负载点直流变换器POL的电路，例如图11中的降压电路。因为输出是低压大电流，POL的实现往往由多个降压电路并联而成。具体并联的数量由实际情况而定。图11以三个并联为例。隔离非调整型直流对直流变换器包括：隔离变压器T1、若干原边开关管S11、S12和若干副边开关管S21、S22等；非隔离调整型直流变换器为负载点直流变换器POL。其中，每个负载点直流变换器POL的电路都分别包含了开关管S31、S32及S33及与开关电路连接的滤波电感器L21、L22及L23，从而相应组成了降压电路。各负载点直流变换器POL的电路的输出并联于电容器C4的两端，以产生输出功率提供给负载。控制芯片1100用以产生控制信号以控制负载点直流变换器POL中开关元件的开通与关断。为了实现高效率，功率单元120至少包含隔离变压模块DCX的隔离型变压器T1、同步整流开关管S21～S24、输出电容器C3和负载点直流变换器POL中的开关管S31～S33。换言之，隔离变压器T1、副边开关管S21、S22、S23、S24、用于隔离直流对直流变换器的输出电容器C3和负载点直流变换器POL设置于同一个功率单元120。当然，图11中还包含了,滤波电感器L21～L23以及输出电容器C4。控制单元130至少包含一个控制芯片1100及其外围电路，例如图中的信号处理器DSP及控制器的外围线路(图中未显示)。原边开关管S11、S12设置于控制单元130，控制单元130还包括原边开关管驱动电路、负载点直流变换器的控制驱动电路和控制芯片1100。

而对于前级调压模块FRM和隔离变压模块DCX的架构，也可以如此实现，得到更高效率和更高功率压强的兼顾，如图10所示，多个功率单元120并联且均包括前级调压模块FRM和隔离变压模块DCX中的功率级，控制单元130包括前级调压模块FRM和隔离变压模块DCX中的控制电路。

当然，上述的隔离变压模块DCX也可以是可调整的变换器或者半调整的变换器。其功能的变化，并不影响本发明对其效率和功率压强提升的贡献。

以上实施例，电源都采用了直流到直流(DC/DC)变换器。这些例子可以应用于例如直流电源直接输入到服务器主板的架构中。当然，随着技术的发展，也会出现有交流电源AC直接输入到服务器主板1200。如图12所示，交流电源AC(例如220Vin)直接接入服务器主板1200，通过由各级级联或并联的电源模块1201～1205组成的主板电源1210将输入功率传送给相应的负载。与前面直流输入的主板电源相比较，该结构下还多了前级级联的电磁干扰滤波器(EMI filter)1221、功率因数校正(PFC)电路1222以及辅助电源模块(Aux.PowerModule)1223等等。在该架构下，同样可以采用前面所述的堆叠技术。

如图13，为一电磁干扰滤波器1310后级联功率因数校正电路1320的示意图。如图所示，电磁干扰滤波器1310接收交流输入，如VAC＝220V,之后，提供一输出信号给后级的PFC电路进行功率因数校正。功率因数校正电路1320实际可以采用各种类型的拓扑，例如升压、降压、双升压以及如图所示的图腾柱式结构等等。以图中所示的图腾柱式功率因数校正电路为例，该功率因数校正电路1320的主电路中包含了高频电容器C、功率因数校正电感器L以及功率开关器件，即由主动开关元件S1、S2串联所组成的第一桥臂及被动开关元件D1、D2串联所组成的第二桥臂。第一及第二桥臂与高频电容器C并联连接，功率开关器件和高频电容器C电性耦接功率因数校正电感器L；两个桥臂的中点分别连接电磁干扰滤波器1310的输出或者通过输入电感连接滤波器的输出。相应的功率因数校正的驱动和控制电路1330用于控制功率开关器件，具体而言，功率因数校正的驱动和控制电路1330包含了输出采样分压电路(Voltage divider)1331用于采样功率因数校正主电路的输出VDC，输入采样分压电路1332、1333、1334用于采样输入电压VAC-P及VAC-N，以及输入电流IL的采样等采样电路。输出电压采样分压电路1335的输出信号VDC与相应的参考信号VDC-ref比较后通过电压环控制器(voltage loop controller)1335输出一信号与VAC进行运算得到了输入电流IL的参考信号IL-ref，输入电流IL经过运算与IL-ref进行比较后通过电流环控制器(currentloop controller)1336后得到相应的控制信号PWM-S1及PWM-S2用以控制开关S1及S2。

图14所示为功率因数校正电路的堆叠结构示意图。可以将功率因数校正电路的主电路中的第一桥臂，第二桥臂，输出电容及相应的驱动，控制单元等集成于控制单元中，而将功率因数校正电感器L放置于功率单元120中，之后将功率单元120放置于控制单元130之上进行堆叠。这样就可以在控制单元130中优化电分布参数，得到更好特性，而把更多的体积留给电感，也有利于将效率提升至更高。当然，也可以将主电路都集成于功率单元120中，而将驱动和控制电路1330集成于控制单元130中。

如图15所示，则可以在图14的基础上，再堆叠一功率单元---电磁干扰滤波器单元。因为电磁干扰滤波主要是为功率因数校正电路服务，与功率因数校正电路就近堆叠，更有利于优化设计，实现更高特性。同样，辅助电源也可以采用与功率因数校正电路相似的堆叠方式。即将控制、驱动及一次侧的功率器件和高频电容等集成在控制单元中，而将变压器和输出整流、输出电容集成在功率单元中。如上各图所示的堆叠均可得到本发明兼顾功率密度和功率压强的好处。当然，其堆叠的顺序，可以根据实际需要而调整。

另一方面，本发明也适用于DC/AC场合，即逆变器(inverter)场合。图16所示为功率单元120包括一逆变器电路，直流输入Vin通过由主动开关元件S1、S2串联组成的第一桥臂以及主动开关元件S3、S4串联组成的第二桥臂后产生一交流信号，该信号通过滤波电路(包括滤波电感器L、输出电容器Co)之后在输出电容器Co上产生一输出电压Vo。其具体的控制与驱动电路在该图中未显示。这样的逆变器也可以采用类似前面所述功率因数校正电路的堆叠结构。即控制单元中集成主电路的第一及第二桥臂，输入电容器Cin及控制驱动电路，而功率单元集成输出滤波电感器L及输出电容器Co。当然，也可以将主电路的所有元件，即输出电容器Cin,S1～S4、滤波电感器L及输出电容器Co都集成于功率单元120中，控制单元集成控制驱动电路等。

控制单元可涵盖的内容

控制单元以信号处理为主要目的，其大部分器件的高度较小，因此，为提升整体的空间利用率，该单元包含的元件可以以薄为评价指标。

如上所述，负责发送信号给驱动电路或者开关器件的控制器(某些特定应用下，驱动电路也可视为控制器的一部份)及其外围必要的电阻电容等元件一定包含在控制单元内。但随着控制芯片集成度的提升，这些元器件全部放置后，空间上可能仍有一定的盈余。因此，可以增加更多元器件于控制单元中。以图3为例，如果将功率器件全部放置于功率单元120，摆放示意如图17所示。图17左侧为功率单元120的元器件位置摆放图，右侧为控制单元130的元器件位置摆放图。图17中方框表示元器件所摆放的载板1710、1720，该载板1710、1720上放置的元器件，其中左图的标识对应于图3中相应的元器件。如图17，如果功率单元120及控制单元130面积相同，也即两单元的载板1710、1720面积大小相同，则控制单元130的使用率明显偏低。为提高各单元面积的使用率，可以从功率单元挪移部分元器件到控制单元130中，如图18，原边开关管S11、S12位于靠近控制单元侧面的位置，即放置于控制单元130的载板1720上。所移元器件的选择标准除了薄之外，还应当不影响电特性甚至有更好的作用。

高压输入侧的一次侧开关管S11、S12由于是半导体，其厚度可以跟控制芯片相当甚至更薄，有机会放置于控制单元中。以一次侧开关管S11和S12为Mosfet为例，如果将其置于功率单元，如图3所示，功率单元120与控制单元130间则会有4个以上引脚(每个开关的门极以及源极)相互联接；如果将其放置于控制单元130中，则控制单元130与功率单元间的连接只需2个引脚，例如图11中的一次侧开关管S11和S12连接点与开关管S12的源极。而且，由于高压输入侧对电路的分布参数并不特别敏感，因此将其移至控制单元130，对电特性的影响完全在可接受范围内。当然，如果一次侧开关管S11和S12挪移，那么输入电容器C1及其驱动电路也需跟着挪至控制单元130。这样就近放置不仅可以减少一次侧开关管S11和S12的电压尖峰，且可以在功率单元减少不必要的引脚。

图18所示为部分开关器件摆放至控制单元130的示意图。控制单元130包括输入电容器C1、谐振电容器C2与一次侧开关管S11、S12；功率单元120包括若干开关器件以及承载开关器件(如：S11、S12)的载板1710和包覆开关器件的绝缘封料3430(绘示于图34)；开关器件分布于靠近焊盘3440(绘示于图34)的位置。功率单元120包括变压器T1、谐振电感器L1、输出电容器C3与二次侧开关管S21、S22、S23、S24。可以看出，右侧控制单元130的利用率显着提升，而电感(即，谐振电感器L1)、电容(即，输出电容器C3)及开关器件(即，二次侧开关管S21、S22、S23、S24)位于载板1710上靠近功率单元侧面的位置。左侧功率单元120则可以给更多的空间给磁性元件，这对效率的提升有显着意义。因此，可以更好的兼顾高效率和高功率压强。值得留意的是，由于开关管S11、S12不在功率单元120内，功率单元120的输入来源于控制单元130，并且是经过开关S11、S12管调制的高频交流功率信号，如500KHZ甚至是3MHZ以上，幅值可以是12V以下到甚至400V以上。

如果在某些应用中，二次侧开关管S21、S22、S23、S24的位置对电特性不敏感的话，也可以将二次侧开关管S21、S22、S23、S24、驱动器330及输出电容器C3、Oring MOS等设置于控制单元130中，这样可以更充分利用空间。

如图10所示等堆叠结构，如果将控制单元130设置于下方，控制单元130位于功率单元120与主板110之间，则功率单元120输出端到主板的引脚变长，可能会影响对负载变化的响应能力，特别是在负载为诸如CPU这样的数据处理芯片时。这时，就可以在控制单元130设置部分主电路的输出电容器C3(或者，亦可如图11中对应的POL输出电容C4)，控制单元130包括输出电容器C3，从而减小该引脚长度的影响，如图19所示。当然，这要求在设计时，使得输出电容器C3与引脚140有部分良好连接。

上面所举的实施例中，控制单元130包含了一个载板，例如印刷电路板或者线架(Lead frame)等。当然，整个控制单元也可以用嵌入(Embedded)技术实现。控制单元130也可以采用单元内元件相互堆叠，利用元件表面导体进行电气连接的方式。用嵌入(Embedded)技术实现，也即部分电气元件，例如控制IC、电阻、电容甚至功率半导体等埋藏于载板中。这样可以使得控制单元非常薄且面积小，而且可以实现较为精细的内部和单元表面线路布线。由于Embedded技术可以轻易且不受位置限制地实现上下表面的互联，也就是说，可以直接实现相应的Pin脚而无需像图34所示的以侧面出Pin。拿含变压器和同步整流器的电路，如桥式谐振型电路为例，可以用Embedded技术实现控制单元后，与含变压器和同步整流器的功率模块堆迭，其具备如下特征：功率单元至少含一变压器(Core和Winding)，输出同步整流器，部分输出电容，SR MOS的控制信号(可功率模块自行产生也可以由控制单元提供)，以实现功率级的高效率；功率单元仍选用侧面出Pin，Pin至少含输出的正负极，已经过调制的输入侧高频脉冲的两极。控制单元至少内嵌有控制逻辑IC，负责采样、控制信号及驱动信号生成、保护、以及与电源外部的必要通信，含至少一对高压侧功率元件，并生成传递给功率单元的输入侧高频脉冲；控制单元的Pin脚可以侧面排布也可以按需在任意位置穿透上下表面排布，也可以按需由内向表面连接并在一表面排布；由于Embedded以后，控制单元可以很薄，如1mm左右，Pin脚以SMD为主，以增强Pin的连接强度。由于Embedded技术，可以轻易实现类似于PCB的布线能力，可以在表面实现更加丰富的互联，能支持内容更加丰富的堆叠组合，如将另外一些较难嵌入到控制单元中的必要元件，如输入电磁干扰滤波器，即输入电容，与功率单元一起放置在控制单元表面。由于可以实现很小的体积，更适合高频工作场合，如工作频率达到1MHZ以上。因此，变换电路也以谐振型工作的电路为宜。Embedded实现的控制单元厚度也在2mm以下为佳。

控制单元130可以是前面例子中所述的控制电路的集合，可以是控制电路包含部分功率电路的元器件，甚至驱动电路，也可以是，如图7等所示的一个具备完整功能的电源变换器。这样，控制单元与功率单元堆叠，并通过引脚互相连接甚至通过引脚与主板连接的结构就变成了两个或多个功率单元互相堆叠的结构。只是其中至少一个功率单元内包含了控制单元的元器件。这种结构通常适用于多级功率单元并联或级联等系统架构中。

功率单元可涵盖的内容

总体来讲，功率单元可以是一个完整可独立工作的DC/DC或AC/DC电源变换器，如；隔离变压模块DCX、负载点直流变换器POL、前级调压模块FRM、调节母线变换器(RegulatedBus Converter,RBC)、功率因数校正电路、辅助电源模块等即一个包含了功率级电路及控制电路的电源变换器，也可以只是它们的功率级电路，甚至如前面实施例中只是功率级电路中的一部份，例如最需要相互就近放置的那部分，如图18的变压器T1、输出整流元件(如，二次侧开关管S21、S22、S23、S24)及输出电容器C3这三个关键元件。功率单元可以像隔离变压模块DCX、RBC一样具备隔离的能力，即至少含一个变压器，也可以像负载点直流变换器POL、前级调压模块FRM、功率因数校正电路一样无需隔离，即至少含一个电感器。

功率单元上的变压器和电感器可以是集成在一起的，也可以是独立的。

功率单元的输入可以是直流，也可以是工频的交流，也可以是如图18高频的交流。

功率单元的输出可以是0.1～12V，12V以上到400V的各种电压范围。负载可以是其他电源变换器、硬盘、内存、图形处理芯片、CPU、通信ASIC等等各种数据处理芯片。

此外，功率单元与控制单元一样可以包含一个载板，如印刷电路板或者线架等，通过载板上的走线(trace)实现功率单元器件间的电气连接，功率单元中的元器件可以摆放在载板上；也可以采用嵌入(Embedded)技术实现，也即部分电气元件，例如电阻，电容等埋藏于载板中。此外，功率单元也可以采用单元内元件相互堆叠，利用元件表面导体进行电气连接的方式。

当整个电路包含了两个或多个功率单元时，可以像图19由完全相同的功率单元进行并联已实现更大功率更大电流变换，或者是串联实现更大功率更高电压变换；也可以像图8一样，由不同的功率单元进行串联，实现更大的工作范围；或者由不同的功率单元，实现共用一个输入，提供多个输出的电源变换功能；或者由不同的功率单元，实现提供一个输出，接受多个输入的电源变换功能。

综上所述，本发明的使用范围非常广泛，可以协助服务器实现更高的性能。当然，本发明涉及的电源变换器实现方法，也可以适用于其他应用场合。

堆叠结构设计

本发明的一方面，是在服务器中，通过将一个电源变换器，分解成至少两个单元，即至少一个控制单元130和一个功率单元120，再通过堆叠的方式，来更充分利用空间高度，实现高效率高功率压强的电源变换器，以实现更高性能的服务器。电源变换器堆叠的形式可以有如下几种。

1.如图19所示，各单元120、130面积相当，上下直接堆叠后组成一电源变换器，再设置于主板110之上。

2.如图20所示，控制单元与功率单元中面积较大者作为第一单元2010而面积较小者作为第二单元2020，第一单元2010位于第二单元2020与主板110之间，各单元面2010、2020积有差异，面积小的堆叠放置于面积大的之上组成一电源变换器，再设置于主板110之上。如图21所示，控制单元与功率单元整合成隔离变压模块DCX、前级调压模块FRM，此为上述前级调压模块FRM+隔离变压模块DCX架构的实现方式之一，只是为了得到更高的效率，将前级调压模块FRM的电感器L外置。将前级调压模块FRM及其外置电感器L设置于隔离变压模块DCX的上方后，组成一电源变换器，再设置于主板110之上。

3.如图22所示，控制单元与功率单元中面积较大者作为第一单元2010而面积较小者作为第二单元2020，第二单元2020位于第一单元2010与主板110之间，各单元2010、2020面积有差异，小的放置于大的下表面，组成一电源变换器，再设置于主板110之上。

4.如图23所示，功率单元120与负载位于主板110的同一面，控制单元130位于主板110与功率单元120相对的另一面，功率单元120与控制单元130分别位于主板110的两相对表面，亦即将各单元120、130分别放置于主板110的上下表面，控制单元130通过主板110中的导电贯孔2310电性连接引脚140，单元之间的投影面积重合的部分至少占本单元投影面积的1/3。显然，为了散热和厚度的限制，控制单元130设置于主板下表面，功率单元120设置于主板110上表面为佳。

很显然，如上各种实现方式，均可有效利用高度，兼顾电源变换的高效率和高功率压强，实现更高性能的电源模块，尤其是在服务器电源的应用场合中。

焊盘布置和实现

一个电源变换器的引脚有很多。涉及到变换器与系统连接的引脚如变换器功率输入输出引脚，与系统的通信引脚，及内部互联即功率单元及控制单元间相互连接的引脚等。由于引脚在本申请中为其他的定义，在此处，载板上元器件的引出脚称之为焊盘。图24，从电流量上来分，通常分为功率焊盘和信号焊盘两大类。功率焊盘是指变换器功率电流流过的焊盘，通常为功率电路中元器件间进行电气连接，它由于流过的电流大，焊盘通常比较粗，也即焊盘的截面积比较大。而信号焊盘则为变换器中传递信号的焊盘，例如，控制单元中的控制电路通常通过信号焊盘传递控制信号给驱动电路以控制功率元器件的导通及关断。通常控制焊盘流过的电流较小，焊盘比较细，则无需过大截面积，其尺寸由工艺能力决定。

当电源变换器为一隔离的电路时(隔离通常由功率电路中的变压器来实现)，也即其输入输出有隔离安规电压要求。所以，焊盘按位置可分为一次侧群焊盘(即位于变压器一次侧的焊盘)和二次侧群焊盘(即位于变压器二次侧的焊盘)。这两个群焊盘需要让开一定的距离以符合安规的要求，例如为当变换器的输入为400V时，由于需要绝缘2000V以上，每个群中任意一个焊盘与另一群中任意一焊盘间至少相距4～8mm间距；而当输入为36～72V，通常需要满足的安规绝缘电压为1500V，则间距为1～4mm。而一次侧群，由于输入相对高压，电流较小，焊盘的截面积相对较小。二次侧群则由于电压低，电流大，焊盘截面积相对较大。如48V转1V，电流差异48倍，如果用同样电流密度来定义焊盘体积的话，就会差48倍，二次侧群显然需要更多的位置摆放。

功率单元四周都可以摆放焊盘，如图24和图25所示。图24，一次侧群焊盘2410和二次侧群焊盘2420各占功率单元的两边，且两边相互平行，一次侧群焊盘2410包括第一信号焊盘2411与第一功率焊盘2412，第一功率焊盘2412的截面积大于第一信号焊盘2411的截面积，二次侧群焊盘2420包括第二信号焊盘2421与第二功率焊盘2422，第二功率焊盘2422的截面积大于第二信号焊盘2421的截面积，第二功率焊盘2422的数量多于所述第一功率焊盘2412的数量。图24的方式适合输出电流较低的场合。图25则适合大电流输出的应用，一次侧群焊盘2410分布于单元的一条边上，二次侧群焊盘2420分布于单元的剩下三条边，并与一次侧群焊盘2410让开一个安规距离d。当电流比较大，同一个电气极性，需要使用多个焊盘时，也即复用焊盘时，通常可以采用正负极交错排列，例如：Vo+、Vo-，以实现尽量低的焊盘感抗，以便在应用类似于CPU负载时，有更好的动态响应，减少主板的电容使用量。

在本申请中，引脚是与焊盘电性连接的。图26显示的是引脚与焊盘连接并实现各单元互联后的正视图。图26例举的引脚为表面贴装引脚。该L型的表面贴装引脚2610将各单元120、130进行电连接后，组成表面贴装引脚的电源变换器，设置于主板110之上。而改用I型引后，则可实现如图27的I型的直插引脚2710的电源变换器。图28显示的是该电源变换器组装过程。先将各单元120、130堆叠后，将各引脚2710分别焊接至各单元120、130的焊盘，组成相应的电源变换器。

图29则显示的是另一种方式。即各个单元120、130先拥有属于自己的引脚，均以表面贴装引脚，且同一个引脚上下表面均有表贴式垫片(SMD Pad)2910，每一引脚140的两端具有表贴式垫片2910延伸至对应的单元120、130的上、下表面，使焊接牢固和减少垫片导电损耗。这样就可以将各单元通过SMD焊接流程组装在一起形成表面贴装引脚的电源变换器。图30显示的则是将最下方的单元(如：控制单元130)，直插引脚3010在单元的表面为表贴式引脚，下方则出直插式接脚,这样就可以组成直插引脚的电源变换器。具体而言，多个引脚140、140’中具有至少一引脚140设置于控制单元130与功率单元120中最接近主板110的单元(如：控制单元130)的侧边，至少一引脚140的一端具有直插引脚3010插设至主板110中，至少一引脚140的另一端具有表贴式垫片2910延伸至最接近主板110的单元的上表面；多个引脚140、140’中每一其余引脚140’的两端具有表贴式垫片2910延伸至功率单元120与控制单元130中其余单元(如：功率单元120)中对应者的上、下表面。简言之，引脚140’为表面贴装引脚，直插引脚3010配合表面贴装引脚实现功率单元120/控制单元130与主板的110电性连接，且利于安装。于一实施例中，功率单元120包括主功率单元部分(如，较下方的功率单元120)和次功率单元部分(如，较上方的功率单元120)，主功率单元部分的侧面分布焊盘3340(绘示于图34)，次功率单元部分堆叠于主功率单元部分。图31显示的则是组装的过程。先将各单元120、120与各自的引脚140组装后，在将各单元120、120组装在一起。

图32则显示的是，控制单元与功率单元整合成第一单元2010、第二单元2020与外置电感器L，第一单元2010位于第二单元2020与主板110之间，引脚140的一端具有直插引脚3010插设至主板110中，引脚140的另一端具有表贴式垫片2910延伸至第一单元2010的上表面，第一单元2010的下表面设有表面贴装引脚3210去连接主板110，在下方单元(即，第一单元2010)的上表面进行一定的布线，实现堆叠在其上表面的多个单元之间的相互电连接。也可以在下方单元的下表面，出更多的表面贴装引脚3210，实现其侧面和下表面同时出引脚，以更充分利用空间，特别是面积很小的场合，如小于1/32砖，以便有足够空间布置引脚。图33显示的是，引脚140的两端具有表贴式垫片2910延伸至第一单元2010的上、下表面，第一单元的下表面设有表面贴装引脚3210去连接主板110，该电源变换器直插引脚和表面贴装引脚复用的方式，以满足某些场合需要功率焊盘以直插形式的需求。

如上，表面贴装引脚具体实现时，需要保证各引脚140的平整度以方便组装和客户使用。因此，以图31为例，在组装引脚之前，如果各单元120、130表面规则，将更有利于组装引脚。那么，可以在组装引脚140前，将各单元120、130用Molding(塑封)、Embedded(埋入)等封装工艺包覆起来，形成有规则的表面，例如图31所示的平面，或者图34所示的凹部3410，由于绝缘封料3430上设有配合引脚140安装的凹部3410，更有利于空间的精细使用，再在其上安装表面贴装引脚。具体而言，控制单元与功率单元中任一者具有载板3420与绝缘封料3430，绝缘封料3430形成于载板3420的两相对表面，载板3420的侧面具有焊盘3440，焊盘3440上的焊料3450焊接至引脚140。绝缘封料3430的上、下表面的边缘具有凹部3410，引脚140的两端具有表贴式垫片2910延伸至上、下表面的凹部3410，凹部3410上具有胶料3460黏着于表贴式垫片2910。

图34所示的单元可为上述的功率单元与/或控制单元，焊盘3440分布于功率单元的侧面和控制单元的侧面，引脚140与焊盘3440电性连接。引脚140为表面贴装引脚，分布于功率单元和控制单元的外表面并与焊盘3440电性连接。焊盘3440’还分布于功率单元与焊盘3440所在侧面垂直的面，虽然图34中焊盘3440’只分布于下表面，但此不限制本发明，于一实施例，焊盘分布于功率单元120的侧面和控制单元130的上下表面，引脚140与焊盘3440电性连接。

表面贴装引脚可以安装在单元的各个面上，但为得到更好的散热效果及使模块整体体积更小，以上例举的为焊盘位于各单元中载板的侧面，与表面贴装引脚进行焊接等工艺以便电连接单元中器件的引出脚和控制信号引出脚。然而在有些特殊情况下，如图33，第一单元2010的焊盘也可在其第二单元2020和电感L堆叠的表面制作焊盘，通过引脚实现第一单元2010与第二单元2020和电感L之间的典型连接。引脚与焊盘的焊点之外的接触面，则可以使用胶水等工艺，将贴式引脚粘结于各单元的表面，以加强机械强度，提升可靠性。

散热处理

各单元堆叠成模块后，相比较于原先独立摆放设计的方式，散热途径发生了变化。

如图35所示，堆叠后上下各单元之间可以根据需要，留出足够的间隙，作为风道使用，换言之，控制单元130与功率单元120中任两相邻单元之间具有间隙以作为风道3510。上下单元间距即风道厚度应该在1～5mm之间，少则散热效果不好，多则占用更多空间从而使模块体积变大。这样就可以尽量使用各单元的自身表面进行热交换。为达到有效散热，风道中的风速应该在0.5米/秒以上。

在很多应用中，可能较难给图35中的风道3510提供足够风速。因此，还是希望将热传递到整体堆叠后的各个表面。为更好的实现热均匀，可以在单元间空隙处填充导热绝缘胶，如图36所示，控制单元130与功率单元120中任两相邻单元之间的间隙被导热绝缘胶3610给填充，功率单元120之间、功率单元120与控制单元130之间填充有导热绝缘胶3610。为有效实现导热能力，该导热绝缘胶的导热系数应当大于1W/m.k。也可以在本需互联部分填充金属板，如铜板，以得到更好效果。而填充的面积该在该表面的30％以上。当然，导热绝缘胶及金属板可以一起填充。

如图37所示，功率单元120中设有横向导热载板3730(如：PCB)，引脚140的两端具有引脚延伸层3710延伸至功率单元120与控制单元130中对应者的上、下表面，该上、下表面中至少一面被引脚延伸层3710占据30％以上的面积，位于各单元下表面的引脚延伸层3710下方具有导电焊接材料3720，换言之，功率单元120与控制单元130电性连接的引脚之间以及功率单元120与功率单元120电性连接的引脚之间填充有导电焊接材料3720，导电焊接材料3720只在需要互联的地方进行焊接，各单元间电连接是可以通过此焊接方式达成的。焊接料的导热系数通常足够高。因此，可以将各表面贴装引脚的表面积增大，从而实现单元间隙间更多的金属填充，以实现热均匀。为达到有效散热，引脚的面积应当占该表面的30％以上，举例而言，表面贴装引脚覆盖功率单元30％以上外表面积，从而为高发热的功率单元进行有效率的散热。

此外，显然，各单元的热越均匀，各散热手段就越有效。而实际上，各单元的热点无法达到理想的均匀分布，因此，需要具备更好的热扩散能力。各单元中的电信号传递载板，通常含有导热导电的良导体，如铜或者银等。如果在设计时，让载板的金属含量尽量高，则有利于热的扩散，特别是横向扩散。因此，在本发明中，热比较集中的单元中的载板，金属含量应该在10％以上。同理，如图22-5，客户的电信号载板，如果金属含量也在10％以上，那么有利于将电源变换器传递给它的热扩散到更大的面积，实现更好散热。

当然，高横向导热载板更有利于横向热扩散。各单元特别是损耗较大，发热比较明显的单元，例如功率单元，其覆盖/包覆材料如果可以是高导热绝缘胶，则会有利于上下垂直的热扩散。如使用导热系数在1W/m.k以上的覆盖/包覆材料。可以在包覆材料中添加陶瓷颗粒来实现。如添加陶瓷颗粒的塑封料。

如图38，可以通过将各引脚140在侧面和上表面，扩大占用的面积，来实现更好的热交换能力。其覆盖面积，至少有一面占其所在单元所在面的30％以上，尤以50％以上为佳。此外，为了具备更好的扩散能力，引脚的平均厚度，应当在0.2mm以上，尤以0.3mm以上为佳。

图39和40则显示散热单元的安装方式。如图39，电绝缘的散热单元3910设置在功率单元120上，功率单元120设置在控制单元130上，控制单元130设置在主板110上；或者，如图40，电绝缘的散热单元4010设置在功率单元120与控制单元130的侧边。可以安装在组装后模块的上表面也可以安装在侧面。为避免影响电性能，该散热单元可以为电绝缘材料，如陶瓷。或者为导电材料，如铝、铜、石墨时，需要与引脚间有导热电绝缘材料，如陶瓷片等。散热单元均安装于焊盘或者引脚组合上方。为保证散热效果，散热单元与焊盘或者引脚组合之间的热阻应当小于5摄氏度/瓦。散热单元与焊盘或者引脚组合之间有绝缘材料。

其他优化实施例

在上述各实施例中，曾提到，可以通过多个功率单元堆叠来实现更大功率。这些功率单元通常会各自使用工作状态类似的磁性元件，如变压器或者电感。如图41，功率单元120的数量为多个且堆叠于控制单元130上，每一功率单元120中均设有磁芯(Core)4110及其绕组(Winding)4120，换言之，各磁性元件拥有类似的绕组和类似的磁芯。而实际上，其堆叠接触部位的两个横向柱中的磁通是有机会量相当而方向相反的。因此，可以用图42的方法，即功率单元120各包括一平面变压器，两个平面变压器共用一个磁芯4210，这样就可以去掉堆叠接触部位的横向柱，既明显降低了高度，又减少了磁芯损耗，实现了效率和功率密度的双丰收。

更近一步的优化如图43所示。由于磁性元件通常有气隙4320，而气隙4320漏出的磁通通常会对附近的导体进行感应加热而产生损耗。可以通过在堆叠时共用磁芯4310，磁芯4310的气隙4320设置于功率单元120之间的堆叠间隙4330，就可以将气隙尽量避开导体，减少损耗。

以上所举实施例，功率单元与控制单元上下堆叠形成电源模块。事实上，该电源模块翻转90度后，即变成功率单元与控制单元左右堆叠，通过引脚进行彼此间以及彼此与主板间的电气连接，这种结构也能够得到很好的应用。因此，本发明功率单元与控制单元间不仅可以上下堆叠还可以在水平方向上进行左右堆叠。

综上，通过本发明所揭露的Quasi-Cascade器件、驱动优化、应用优化及封装优化，可用以提升电源变换器功率密度或者效率，可以获得与现有技术相比，更佳的电性能，高频性能与更高的可靠性。其可充分挖取器件的特性，采用封装方案后使用方便，非常有利于提高变换器功率密度或者效率。而本发明给出的具体驱动、应用、封装的实施方法，也非常可行有效。本发明非常适合用以提升电源变换器的整体性能和性价比。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (41)

1.一种电源装置，其特征在于，包括：

控制单元与功率单元，堆叠设置且毗邻负载的位置，所述功率单元至少含一功率半导体器件，所述控制单元至少含一具备控制或者驱动能力的芯片；

引脚，电性连接所述控制单元和所述功率单元；所述控制单元用于控制所述功率单元，使所述功率单元供电给毗邻的所述负载；以及

焊盘，分布于所述功率单元的侧面和所述控制单元的侧面，与所述引脚电性连接，所述引脚包括表面贴装引脚，分布于所述功率单元和所述控制单元的外表面并与所述焊盘电性连接。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元与所述功率单元，堆叠设置设于主板上，所述主板还设有所述负载。

3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述表面贴装引脚覆盖所述功率单元30％以上外表面积。

4.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述引脚还包括直插引脚，所述直插引脚配合所述表面贴装引脚实现所述功率单元/所述控制单元与主板的电性连接。

5.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述焊盘还分布于所述功率单元与焊盘所在侧面垂直的面。

6.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元包括主功率单元部分和次功率单元部分，所述主功率单元部分的侧面分布所述焊盘，所述次功率单元部分堆叠于所述主功率单元部分。

7.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元与所述负载位于主板的同一面，所述控制单元位于主板与所述功率单元相对的另一面。

8.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述电源装置还包括一功率单元，所述两功率单元和所述控制单元相互之间堆叠设于主板，所述控制单元通过所述引脚控制所述两功率单元。

9.根据权利要求8所述的电源装置，其特征在于，所述两功率单元分别为一第一级直流对直流变换器的功率单元和一第二级直流对直流变换器的功率单元；所述控制单元包括所述第一级直流对直流变换器的控制单元和所述第二级直流对直流变换器的控制单元。

10.根据权利要求9所述的电源装置，其特征在于，所述第一级直流对直流变换器为隔离型直流对直流变换器；所述第二级直流对直流变换器为非隔离调整型直流对直流变换器。

11.根据权利要求10所述的电源装置，其特征在于，所述非隔离调整型直流对直流变换器比所述隔离型直流对直流变换器靠近所述主板。

12.根据权利要求9所述的电源装置，其特征在于，所述第一级直流对直流变换器为非隔离调整型直流对直流变换器；所述第二级直流对直流变换器为隔离非调整型直流对直流变换器。

13.根据权利要求12所述的电源装置，其特征在于，所述第一级直流对直流变换器为升降压电路。

14.根据权利要求8所述的电源装置，其特征在于，所述两功率单元中一所述功率单元包括一第一级直流对直流变换器的功率单元和一第二级直流对直流变换器的功率单元。

15.根据权利要求14所述的电源装置，其特征在于，所述第一级直流对直流变换器为隔离型直流对直流变换器，第二级直流对直流变换器为非隔离调整型直流变换器。

16.根据权利要求15所述的电源装置，其特征在于，所述隔离型直流对直流变换器包括：隔离型变压器、若干原边开关管和副边开关管；所述非隔离调整型直流变换器为负载点降压直流变换器。

17.根据权利要求16所述的电源装置，其特征在于，所述隔离型变压器、所述副边开关管、用于所述隔离型直流对直流变换器的输出电容器和所述负载点降压直流变换器设置于同一个所述功率单元。

18.根据权利要求16所述的电源装置，其特征在于，所述原边开关管设置于所述控制单元，所述控制单元还包括原边开关管驱动电路、所述负载点降压直流变换器的控制驱动电路和控制芯片。

19.根据权利要求18所述的电源装置，其特征在于，所述原边开关管位于靠近所述控制单元侧面的位置。

20.根据权利要求8所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元之间、所述功率单元与所述控制单元之间填充有导热绝缘胶。

21.根据权利要求8所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元与所述控制单元电性连接的引脚之间以及所述功率单元与所述功率单元电性连接的引脚之间填充有导电焊接材料。

22.根据权利要求8所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元各包括一平面变压器，所述两个平面变压器共用一磁芯。

23.根据权利要求22所述的电源装置，其特征在于，所述磁芯的气隙设置于所述功率单元之间的堆叠间隙。

24.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元包括若干开关器件以及承载所述开关器件的载板和包覆所述开关器件的绝缘封料；所述开关器件分布于靠近所述焊盘的位置。

25.根据权利要求24所述的电源装置，其特征在于，所述绝缘封料上设有配合所述引脚安装的凹部。

26.根据权利要求24所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元还包括电感和电容，所述电感、所述电容及所述开关器件位于所述载板上靠近所述功率单元侧面的位置。

27.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述焊盘包括一次侧群焊盘与二次侧群焊盘，所述一次侧群焊盘与所述二次侧群焊盘之间至少间隔一安规距离。

28.根据权利要求27所述的电源装置，其特征在于，所述一次侧群焊盘包括第一信号焊盘与第一功率焊盘，所述第一功率焊盘的截面积大于所述第一信号焊盘的截面积。

29.根据权利要求28所述的电源装置，其特征在于，所述二次侧群焊盘包括第二信号焊盘与第二功率焊盘，所述第二功率焊盘的截面积大于所述第二信号焊盘的截面积。

30.根据权利要求29所述的电源装置，其特征在于，所述第二功率焊盘的数量多于所述第一功率焊盘的数量。

31.一种电源装置，其特征在于，包括：

控制单元与功率单元，堆叠设置且毗邻设有数据处理芯片的负载，所述功率单元至少含一功率半导体器件，所述控制单元至少含一具备控制或者驱动能力的芯片；

引脚，电性连接所述控制单元和所述功率单元；所述控制单元用于控制所述功率单元，使所述功率单元供电给毗邻的所述负载；以及

焊盘，分布于所述功率单元的侧面和所述控制单元的侧面，与所述引脚电性连接，所述引脚包括表面贴装引脚，分布于所述功率单元和所述控制单元的外表面并与所述焊盘电性连接。

32.根据权利要求31所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元与所述功率单元，堆叠设置设于主板上，所述主板上还设有所述数据处理芯片的所述负载。

33.根据权利要求31所述的电源装置，其特征在于，所述电源输入操作最高电压高于20V，

所述功率单元包含：

至少一变压器，所述变压器含至少一原边和至少一副边；

至少一同步整流组合和一输出电容组合；

高频能量从所述原边传递至所述副边，并通过所述同步整流组合整流为直流后传递至所述输出电容整合。

34.根据权利要求33所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元由嵌入式工艺实现，厚度低于2毫米。

35.根据权利要求34所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元为谐振型电路，操作频率高于1MHZ。

36.根据权利要求34所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元上方更堆叠一输入滤波器。

37.根据权利要求31所述的电源装置，其特征在于，所述功率单元为一第一级直流对直流变换器；所述控制单元为和一第二级直流对直流变换器的功率单元。

38.根据权利要求37所述的电源装置，其特征在于，所述第一级直流对直流变换器为非隔离调整型变换器；所述第二级直流对直流变换器为非调整隔离型变换器。

39.根据权利要求37所述的电源装置，其特征在于，所述第一级直流对直流变换器为隔离型变换器；所述第二级直流对直流变换器为非隔离调整型变换器。

40.根据权利要求31所述的电源装置，其特征在于，还包含至少一散热单元，该散热单元置于焊盘或者引脚组合上方，且与焊盘或者引脚间的热阻小于5摄氏度/瓦。

41.根据权利要求40所述的电源装置，其特征在于，所述散热单元与焊盘或者引脚组合之间有绝缘材料。