CN106160412B - 电源模块与应用该电源模块的能量转换装置 - Google Patents

电源模块与应用该电源模块的能量转换装置 Download PDF

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Abstract

一种电源模块与应用该电源模块的能量转换装置，该电源模块包含磁性元件以及开关元件。磁性元件包含磁芯以及设置于磁芯的绕组，其中绕组的一端形成电源模块的引脚与外部电性连接。开关元件电性连接于磁性元件。由于电源模块的输入/输出引脚为绕组形成，因此可以有效降低电源模块与外部电性连接时的焊接/接触电阻。

Description

电源模块与应用该电源模块的能量转换装置
技术领域
本发明是关于一种电源模块及一种能量转换装置。
背景技术
以高功率密度、高转换效率为特征的电源模块广泛应用于通信、数据中心等系统主板上。随着设计和生产水平的不断提高，集成电路上可容纳晶体管数量越来越多。集成电路中晶体管数量的增加带来了更加强大的计算能力，与之同时势必大大增加电路的能耗需求。与之对应，电源模块的功率也需要不断提升以应对负载的需求。
然而系统主板分配给电源模块的空间资源有限，所以对电源模块的功率密度要求也是不断的提高。如图1A所示，传统的电源模块10包含将功率元件20/磁性元件22固定在电路板40上，接着通过电源模块10的引脚30焊接在目标主板50上为负载供电。由于功率元件20/磁性元件22，电路板40都是独立的元件，因此需要通过如焊料25焊接的方式进行连接。此种连接会带来额外的焊接/接触电阻，如图1B中的R1、R2、R3，在大电流输出的情况下，焊接/接触电阻所带来的损耗不能被忽略。
发明内容
针对以上所列举的问题，本发明提出一种将磁性元件以及引脚的一体化的设计，借以将焊接/接触电阻最小化，同时兼顾到满足高功率密度的需求，以满足日益增长的大功率、大电流，高功率密度和高效能的结果。
本发明的一实施方式提出了一种电源模块，包含磁性元件以及开关元件。磁性元件包含磁芯以及设置于磁芯的绕组，其中绕组的一端形成电源模块的引脚与外部电性连接。开关元件则是电性连接于磁性元件。
于一或多个实施例中，磁芯包含上盖板与下盖板，绕组放置在由上盖板与下盖板所定义的通道中。
于一或多个实施例中，上盖板与下盖板定义至少两通道于其间，绕组的数量为至少两个，绕组分别设置于通道中。
于一或多个实施例中，电源模块包含功能电路板，开关元件设置于功能电路板上，绕组通过功能电路板与开关元件电性连接。
于一或多个实施例中，电源模块可包含降压(buck)电路、升压(boost)电路、反激型变压电路、或一LLC型变压电路。
于一或多个实施例中，绕组的该端具有引脚部，该引脚部为该引脚发生形变的部分。
于一或多个实施例中，绕组的引脚部可供平贴式连接或直插式连接。
于一或多个实施例中，绕组的引脚部外露于磁芯。
于一或多个实施例中，该引脚部与该绕组为一体成型，或该引脚部由该绕组弯折而成。
于一或多个实施例中，绕组为金属片或绕线。
于一或多个实施例中，磁性元件的数量为至少两个，磁性元件为电感或变压器。
本发明的另一实施方式为应用前述的电源模块的能量转换装置。
于一或多个实施例中，能量转换装置包含系统电路板，其中电源模块设置于系统电路板上，绕组的该端连接于系统电路板。
相较于传统需使用额外的独立引脚连接电源模块与外部电路，本发明的电源模块中的磁性元件的绕组的一端可以直接作为电源模块的输入/输出引脚，如电源模块的输入/输出引脚为绕组形成，如此一来可以有效降低焊接/接触电阻。
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的详细说明如下：
附图说明
图1A与图1B分别为传统的电源模块应用时的剖面示意图以及等效电路示意图。
图2至图4为本发明的电源模块不同实施例的拆解图。
图5与图6分别为本发明的一种能量转换装置不同实施例的剖面示意图。
图7至图10分别为本发明的电源模块应用于不同实施例的系统的局部电路图。
图11与图12分别为本发明的电源模块中的磁性元件不同实施例的拆解图。
其中，附图标记说明如下：
10：电源模块
20：功率元件
22：磁性元件
25：焊料
30：引脚
40：电路板
50：目标主板
100：电源模块
110：磁性元件
120：磁芯
122：下盖板
124：上盖板
126：通道
128：中柱
130、170、172、174：绕组
132、134：端
140：开关元件
150：功能电路板
160：系统电路板
200：能量转换装置
R1、R2、R3：电阻
具体实施方式
以下将以图式及详细说明阐述本发明的精神，任何本领域技术人员在了解本发明的较佳实施例后，当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明的精神与范围。
参照图2，其为本发明的电源模块一实施例的拆解图。电源模块100包含有磁性元件110、开关元件140、功能电路板150。磁性元件110包含有磁芯120以及设置于磁芯120的绕组130，其中绕组130的一端132形成电源模块100的引脚，以与电源模块100的外部电路电性连接，绕组130的另一端134亦可形成一引脚，本发明并不以此为限。开关元件140设置于功能电路板150上，且通过功能电路板150电性连接于磁性元件110，但本发明并不以此为限。
本实施例中，磁性元件110直接使用绕组130作为引脚与电源模块100的外部电路电性连接，可以省略如图1A所示的额外的引脚以及连接引脚与磁性元件110的焊料，磁性元件110亦可以省略骨架等结构，但本发明并不以此为限。此种设计可以减少电源模块100使用时的焊接/接触电阻，进而降低电源模块100应用时的损耗。
具体而言，磁性元件110包含有磁芯120以及绕组130。磁芯120可以包含有下盖板122以及上盖板124，并且在下盖板122以及上盖板124之间可定义出通道126，绕组130放置在通道126中，但本发明并不以此为限，亦可以采用其他结构的磁芯或其他的磁芯与绕组的配置结构等，如EE型磁芯等。绕组130可以具有相对的第一端132以及第二端134，其中第一端132可以直接作为电源模块100的引脚，而第二端134可以是连接于功能电路板150，开关元件140可以通过功能电路板150电性连接磁性元件110。
本实施例中，磁性元件110的数量为一个，下盖板122以及上盖板124之间的通道126的数量为一个，对应的绕组130数量也为一个，但本发明并不以此为限。磁芯120与其中的通道126的形状可以大致上呈矩形，亦可以是其他形状。绕组130的延伸长度可以大于磁芯120的长度，使得绕组130的第一端132可外露于磁芯120，作为引脚与外部电性连接，第二端134可与功能电路板150连接，但本发明并不以此为限，如绕组130的长度可以等于磁芯120的长度，可用于贴片式连接等。
功能电路板150可以为适合形式的载板，例如印刷电路板(PCB板)、直接敷铜(direct copper bonding)基板等。功能电路板150上还可设置有无源器件，如电阻、电容等。磁性元件110可以作为电感或变压器等元件。磁性元件110的磁芯120材料可以为永磁性的材料，绕组130则可以为扁平的金属片，如铜皮等，绕组130亦可以是金属线等。在其他的实施例中，绕组130可采用不同种类的导体材料构成，比如说铜、银、铝、石墨等。绕组130可采用冲压、电镀、框架式引线等多种形式，本发明并不以此为限。
电源模块100中的磁性元件110的数量、磁芯120的数量以及绕组130的数量可以根据不同的设计需求而加以变化。如图3所示，电源模块100中的磁性元件110的数量为两个，且两个磁性元件110为相互独立地设置在功能电路板150上，但本发明并不以此为限。每一个磁性元件110中具有一个通道126，绕组130配置在通道126中，而绕组130的第一端132与第二端134可分别外露于磁芯120，磁性元件110通过第二端134连接于功能电路板150，第一端132作为电源模块100的引脚。
如图4所示，电源模块100中的磁性元件110的数量为一个，但是磁性元件110中具有一个磁芯120以及两个绕组130。换言之，磁芯120在下盖板122以及上盖板124之间定义出两个通道126，两绕组130分别设置在两通道126中，但本发明并不以此为限，如通道的数量可以是一个或多个，例如三个。同样地，绕组130的第一端132与第二端134可分别外露于磁芯120。
绕组130可以为图中的扁平绕组，或是绕线绕组等。绕组130的第一端132形成电源模块100的引脚。绕组130的第一端132可具有引脚部，引脚部可以是第一端132的形变形成，如图4所示，其中，形变部分既可以是加工前设计所定，亦可以是加工时或加工后的处理所定，如引脚部与绕组130可为一体成形的弯折设计，此时，引脚部与绕组依设计而形态不同，亦可是其他实现方法，如引脚部可以通过弯折成型后的绕组130形成等，此时，引脚部与绕组因再加工而形态不同，本发明并不以此为限。绕组130的第一端132可以通过直插式方式连接于外部电路，此时，第一端132会从磁芯120处垂直向下弯折一次，如图2与图3所示，以作为直插式的引脚部；该引脚部的截面面积可以大于、等于或小于绕组130其他部位的截面面积；或者，绕组130的第一端132可以通过平贴式方式连接于外部电路，如图4所示，第一端132从磁芯120处向下弯折一次之后，再横向弯折一次，以作为平贴式的引脚部，但本发明并不以此为限。
接着请参照图5，其为本发明的一种能量转换装置一实施例的剖面示意图。能量转换装置200包含有前述的电源模块100以及系统电路板160，电源模块100设置于系统电路板160上。电源模块100包含有功能电路板150、设置于功能电路板150上的开关元件140、以及磁性元件110。磁性元件110包含有磁芯120以及绕组130，绕组130具有相对的第一端132与第二端134，其中第一端132形成电源模块100的引脚，第一端132可与系统电路板160连接，绕组130的第二端134可连接于功能电路板150，通过功能电路板150电性连接磁性元件110与开关元件140。
本实施例中，绕组130的第二端134是以平贴式的方式连接于功能电路板150上，第二端134可以通过焊料固定在功能电路板150上并与功能电路板150电性连接，但本发明并不以此为限。绕组130的第一端132也可以是以平贴式的方式连接于系统电路板160上，第一端132可以通过焊料固定在系统电路板160上并与系统电路板160电性连接。由于引脚部为弯折绕组130而成，其可以与绕组130一体成形，相较于传统(如图1A所示)的实施方式，本实施例可以省略用以连接磁性元件与系统电路板的额外的独立引脚，以及连接独立引脚与磁性元件/系统电路板的焊料。
接着，请参照图6，其为本发明的能量转换装置另一实施例的剖面示意图。本实施例与前一实施例的差别在于本实施例中绕组130的第一端132与第二端134是以直插式的方式连接系统电路板160与功能电路板150，但本发明并不以此为限。更具体地说，功能电路板150以及系统电路板160上具有插孔，绕组130的第一端132与第二端134可形成引脚部而插入插孔中，之后可以再通过如焊料将绕组130的第一端132与第二端134分别固定在系统电路板160与功能电路板150上，但本发明并不以此为限，如第二端134亦可以连接于传统的骨架引脚等。
电源模块100中的绕组130的第一端132与第二端134可以为直插式的引脚(如弯折一次的方式)与平贴式的引脚(如弯折两次的方式)的组合；绕组130的第一端132与第二端134可以均为直插式引脚或是均为平贴式引脚，或者，绕组130的第一端132与第二端134可以分别为直插式引脚以及平贴式引脚，本发明并不以此为限。
前述的电源模块100中的磁性元件110可以为电感，如图7与图8所示，其分别为本发明的电源模块不同实施例的局部电路图。如图7所示，电源模块包含有降压(buck)电路，其可以为三路降压电路并联的结构，其中的电感即可为前述的磁性元件，三颗电感的输出端共同连接于输出电容上，三颗电感的共同连接的输出端可为如图4所示的电源模块100的输出端，即电感的输出端兼作为电路的输出端，但本发明并不以此为限。在图7中，三颗电感为互相独立的，当然也可以是互相耦合的，三路降压电路可以是并联后同相工作，也可以为了减小输出电容上的纹波而错开一定的角度工作，例如错相120度，因此可采用前文所述电源模块100中的磁性元件的各种变形实施例。
图8中的电源模块则包含有升压(boost)电路。图8为三路升压电路并联的结构，其中的电感即为磁性元件。每路的电感的输入端共同连接至电源模块的输入端，即磁性元件的绕组作为电源模块的输入引脚，但本发明并不以此为限。同样，三颗电感可以互相独立或是相互耦合，三路电路可以同相并联，也可以错相并联。电感的输入端作为电源模块的部分输入端与系统电路板直接连接以减少电路中的导通损耗，且可采用前文所述电源模块100中的磁性元件的各种变形实施例。
前述的电源模块100中的磁性元件110也可以为应用于变压器，如图9与图10所示，其分别为本发明的电源模块不同实施例的局部电路图。如图9所示，电源模块包含反激型变压电路，或者，如图10所示，电源模块包含LLC型变压电路。在此些变压电路中，磁性元件可作为其中的变压器或变压器的组成部分；电源模块可以以副边绕组的两端作为输出引脚；本发明并不以此为限，可采用前文所述电源模块100中的磁性元件的各种变形实施例。
当磁性元件作为变压器或变压器的组成部分时，原边绕组或是副边绕组或其组合可以采用如前所述的绕组，本发明并不以此为限。
图11与图12分别为本发明的电源模块中的磁性元件不同实施例的拆解图。磁性元件110设置在功能电路板150上，磁性元件110包含有磁芯120以及绕组130，磁芯120包含下盖板122以及上盖板124，下盖板122与上盖板124之间定义出通道126，下盖板122与上盖板124上具有中柱128，中柱128设于通道126中，而绕组130则是套设在中柱128上。绕组的数量可以是多个，且多个绕组可以具有不同的形状、线径及圈数等，本发明并不以此为限，如图11所示，磁性元件110也可配置有两个绕组130、170于同一中柱128上，本实施例中的一个绕组130的第一端132与第二端134可从磁性元件110的同侧延伸，并且第一端132与第二端134均可以直接作为电源模块的输出/输入引脚，另一个绕组170的两端172、174则可以与功能电路板150连接。多个绕组的任一个的形式可以为冲压成形的金属片(如图11所示)，或者绕线(如图12所示)等。多个绕组中任一个的第一端与第二端可以为平贴式或是直插式地与外部电路连接，本发明并不以此为限。综上所述，相较于传统需使用额外的独立引脚连接电源模块与外部电路，本发明的电源模块中的磁性元件的绕组的一端可以直接作为电源模块的输入/输出引脚，如此一来可以有效降低焊接/接触电阻。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，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后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种电源模块，其特征在于，包含：
一功能电路板；
一磁性元件，包含一磁芯以及设置于所述磁芯的一绕组，其中所述绕组为扁平的金属片，所述绕组具有延伸方向彼此相反的第一端与第二端，所述第一端外露于所述磁芯并形成所述电源模块的一引脚与所述电源模块外部的一系统电路板直接连接，所述第二端与所述功能电路板电性连接；以及
一开关元件，设置于所述功能电路板上并电性连接于所述磁性元件；
其中所述第一端以平贴或直插的方式连接于所述系统电路板上，所述引脚与所述绕组一体成型。
2.如权利要求1所述的电源模块，其中所述磁芯包含一上盖板与一下盖板，所述绕组设置在由所述上盖板与所述下盖板所定义的一通道中。
3.如权利要求2所述的电源模块，其中所述上盖板与所述下盖板定义至少两通道于其间，所述绕组的数量为至少两个，所述绕组分别设置于所述通道中。
4.如权利要求1所述的电源模块，其中所述绕组通过所述功能电路板与所述开关元件电性连接。
5.如权利要求1所述的电源模块，其中所述电源模块包含一降压电路、一升压电路、一反激型变压电路、或一LLC型变压电路。
6.如权利要求1所述的电源模块，其中所述引脚由所述绕组弯折而成。
7.如权利要求1所述的电源模块，其中所述磁性元件的数量为至少两个，所述磁性元件为电感或变压器。
8.一种能量转换装置，其特征在于，包含如权利要求1至7的任一项所述的电源模块。
9.如权利要求8所述的能量转换装置，其中包含所述系统电路板，其中所述电源模块设置于所述系统电路板上，所述绕组的所述第一端连接于所述系统电路板。
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