CN108111016B - 功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明为一种功率模块，包含:电路板；负载群，位于电路板上，且包含:第一级电源转换电路，位于电路板上，且将输入电压转换为过渡电压；第二级电源转换电路，位于电路板上并与第一级电源转换电路相近设置，用以将过渡电压转换为驱动电压，其中，输入电压的额定值大于过渡电压的额定值的2倍，驱动电压的额定值小于过渡电压的额定值的0.5倍，第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端与第一级电源转换电路的输出端之间的直线距离小于第一级电源转换电路的输入端与电路板的边沿之间的最小距离；以及负载，是接收驱动电压而运作。

Description

功率模块

技术领域

本发明涉及一种功率模块，特别涉及一种电能损耗小、效率高以及体积小的功率模块。

背景技术

随着人类对智慧生活要求的提升，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，是这一数据中心产业健康发展的关键指标。

数据中心的关键单元是服务器，其中服务器的主板通常由CPU、芯片组(Chipsets)、内存等等数据处理芯片和它们的供电电源及必要外围组件组成，且上述该些电子组件是设置于电路板上，此外，数据中心是具有多台服务器，而多台服务器通常共享一供电总线，以接收供电总线上的电能。

请参阅图1，其为第一种传统数据中心内的机架内的多个服务器的结构及供电示意图。如图1所示，传统数据中心的机架5内的多个服务器50共享供电总线51，且供电总线51上的电压为12V的直流电压，该12V的直流电压传送至每一服务器50的电路板的输入端，并经由电路板上由部分铜层所形成的迹线(trace)传送至负载点(POL)电源模块52，再传送至每一服务器50内的各负载53。然而，由于主板的资源很珍贵，主板上无法提供多余的铜层来构成迹线，意味着主板上的迹线将有较大的电阻，如图1中所示的迹线电阻Rtrace，将导致明显的电能传输损耗。此外，由于供电总线51的电压为较低的12V电压，因此电流相对较大，例如1.2KW的服务器，其在电压12V的情况下，电流可以大至100A，如此一来，将因为主板集成度的不同，形成0.5％～2％的效率丢失，而且这一趋势，将随着主板的数据能力提升而更加恶化。再者，接收12V电压的负载点电源模块52通常采用12V的Buck变换器，然而12V的Buck变换器并不适合服务器的高集成度发展需求。如上所述，服务器的主板通常由CPU、芯片组、内存和负载点电源模块及必要外围组件组成，而随着服务器处理能力的提升，意味着这些处理芯片的数量、体积也在提升，导致空间占用和功耗的提升，因此，为这些芯片供电的负载点电源模块需要有更高的效率和更小的体积，然而由于这些数据处理芯片的工作电压通常低于2伏甚至低于1伏，导致12V的Buck变换器的输入输出压差过大，难以同时实现高效率和小体积，同时因12V的Buck变换器是使用较高压的MOS器件，比如25～30V，工作频率通常在数百Khz，故难以追随数据处理芯片的高速发展趋势。

请参阅图2，为第二种传统数据中心内的多个服务器的结构及供电示意图。若欲改善前述第一种传统数据中心的多个服务器所存在的问题，提升供电总线51上的电压为有效的长远之举。例如将供电总线51上的电压提至48V，损耗将下降1/16，若提升至400V，效果更为明显。如图2所示，目前部分服务器在使用时将供电总线51上的电压变更为48V，同时于每一服务器50的电路板的输入端再放置一DC/DC变换器54，以利用DC/DC变换器54将48V转换为12V并经由迹线及负载点电源模块52提供给对应的主板上的负载53使用。

然而上述将供电总线上的电压变更为48V，并利用DC/DC变换器54将48V转换为12V的方式不但保有原先使用12V所存在的部分缺点，更形成了多种新问题。首先，电路板上的迹线仍存如图2中所示的迹线电阻Rtrace，故导致明显的电能传输损耗。另外，负载点电源模块52仍然使用12V的Buck变换器，故难以同时实现高效率和小体积且难以追随数据处理芯片的高速发展趋势。最后，由于将48V转换为12V的DC/DC转换器54的体积较大，难以直接设置于电路板上的资源闲置区，如此一来，势必需扩大电路板的尺寸，不利于服务器朝向小型化的趋势发展。

有鉴于此，如何发展一种可改善上述现有技术缺失的功率模块，实为相关技术领域者目前所迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率模块，解决现有技术所面临的服务器效率不佳及不利于小型化发展趋势等缺点。

为达上述目的，本发明的提供一种功率模块，包含:第一电路板；至少一第一负载群，位于第一电路板的第一侧上，且每一第一负载群包含:第一级电源转换电路，位于第一电路板的第一侧上，第一级电源转换电路于第一级电源转换电路的输入端接收第一输入电压，并转换为过渡电压，以通过第一级电源转换电路的输出端输出；至少一第二级电源转换电路，位于第一电路板的第一侧上并与第一级电源转换电路相近设置，每一第二电源转换电路的输入端与第一级电源转换电路的输出端电连接，以接收过渡电压，并将过渡电压转换为驱动电压而通过第二级电源转换电路的输出端输出，其中，第一输入电压的额定值大于过渡电压的额定值的2倍，驱动电压的额定值小于过渡电压的额定值的0.5倍，至少一第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端与第一级电源转换电路的输出端之间的直线距离小于第一级电源转换电路的输入端与电路板的边沿之间的最小距离；以及多个负载，位于第一电路板的第一侧上，每一第二级电源转换电路的输出端与至少一负载连接，且每一负载是接收对应的第二级电源转换电路输出的驱动电压而进行运作。

为达上述目的，本发明的还提供一种功率模块，包含:第一电路板；至少两个第一负载群，位于第一电路板的第一侧上，且每一第一负载群包含:第一级电源转换电路，位于第一电路板的第一侧上，第一级电源转换电路于第一级电源转换电路的输入端接收第一输入电压，并转换为过渡电压，以通过第一级电源转换电路的输出端输出；至少一第二级电源转换电路，位于第一电路板的第一侧上并与第一级电源转换电路相近设置，每一第二电源转换电路的输入端与第一级电源转换电路的输出端电连接，以接收过渡电压，并将过渡电压转换为驱动电压并通过第二级电源转换电路的输出端输出，其中第一输入电压的额定值大于过渡电压的额定值的2倍，驱动电压的额定值小于过渡电压的额定值的0.5倍，每一第一负载群的第一级电源转换电路的输出端与至少一第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于两个第一负载群的两个第一级电源转换电路的输出端之间的电阻；以及多个负载，位于第一电路板的第一侧上，每一第二级电源转换电路的输出端与至少一负载连接，且每一负载接收第二级电源转换电路输出的驱动电压而进行运作。

附图说明

图1为第一种传统数据中心内的机架内的多个服务器的结构及供电示意图。

图2为第二种传统数据中心内的多个服务器的结构及供电示意图。

图3为本发明第一较佳实施例的功率模块的结构示意图。

图4为图3所示的功率模块的第一变化例的结构示意图。

图5为在图1所示的功率模块的架构下，各个第二级电源转换电路所输出的电流大小的示意图。

图6为图1所示的功率模块的第二变化例的结构示意图。

图7为图1所示的功率模块的第三变化例的侧视结构示意图。

图8为图1所示的功率模块的第四变化例的侧视结构示意图。

图9为图1所示的功率模块的第五变化例的结构示意图。

图10为图1所示的第二级电源转换电路的等效电路。

图11为图1所示的负载的电流及图10所示的方波电压源、电感的电流的波形示意图。

图12A-C是分别为图1所示的第二级电源转换电路包含两个Buck变换器且两个Buck变换器的电感是共享磁材料时，第二级电源转换电路分别在稳态及动态的等效电路图。

图13A为传统电源输入设备的细节电路结构示意图。

图13B为图1所示的电源输入设备的细节电路结构示意图。

图14为采用图13B所示的电源输入设备及图1所示的功率模块时的转换电路特性说明图。

图15为图3所示的功率模块的第六变化例的结构示意图。

图16为图3所示的功率模块的第七变化例的结构示意图。

图17为图1所示的功率模块的第八变化例的结构示意图。

图18为图1所示的功率模块的第九变化例的结构示意图。

附图标记说明：

1：功率模块

10：第一电路板

100：第一侧

101：贯穿孔

102：第二侧

103：边沿

104：插槽

11：第一负载群

110、120、40：第一级电源转换电路

111、41：第二级电源转换电路

112、42、53：负载

12：第二负载群

121：半导体固态硬盘

13：封装体

14：输入电能转换电路

15：汇电条

150：输入连接端

151：输出连接端

16：外壳

160：上盖

161：下盖

17：电源输入设备

170：电源端转换电路

18：电池

19：Buck-Boost双向电源转换电路

2：第二电路板

3：功能卡

4：第三负载群

5：机架

50：服务器

51：供电总线

52：负载点电源模块

54：DC/DC变换器

V1：第一输入电压

V2：第二输入电压

Vduty：方波电压

duty：方波电压的责任周期

L、L1、L2：电感

C：电容

Rtrace：迹线电阻

T1、T2：时间区域

AC:交流电源

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用于限制本发明。

请参阅图3，其为本发明第一实施例的功率模块的结构示意图。如图3所示，本实施例的功率模块1可为但不限于应用于数据中心的服务器中，功率模块1包含第一电路板10及至少一第一负载群11。第一电路板10上具有用来传送电能及信号等的迹线(未图示)，且第一电路板10的输入端可接收由一电源输入设备17所输出的一第一输入电压V1。第一负载群11可为单一个或多个，而图3是以两个第一负载群11来例示，每一第一负载群11可以利用焊接或插座安装的方式设置于第一电路板10的第一侧100上，且每一第一负载群11包含第一级电源转换电路110、至少一第二级电源转换电路111及多个负载112。

第一级电源转换电路110设置于第一电路板10的第一侧100上，且第一级电源转换电路110的输入端经由第一电路板10上的迹线接收第一输入电压V1，第一级电源转换电路110用以将第一输入电压V1转换为一过渡电压，并于第一级电源转换电路110的输出端输出。

第二级电源转换电路111，例如图3所示的每一第一负载群11中的三个第二级电源转换电路111，分别设置于第一电路板10的第一侧100上并与第一级电源转换电路110相近设置，且第二级电源转换电路111的输入端经由第一电路板10上的迹线而与第一级电源转换电路110的输出端电连接，以接收第一级电源转换电路110所输出的过渡电压，第二级电源转换电路111用以将过渡电压转换为驱动电压，并于第二级电源转换电路111的输出端输出驱动电压。

其中，至少一第二级电源转换电路111中的额定功率最大者的输入端与第一级电源转换电路110的输出端之间的直线距离小于第一级电源转换电路110的输入端与电路板10的边沿(即电路板10的四个边沿)之间的最小距离。此外，第一输入电压V1的额定值大于过渡电压的额定值的2倍，而驱动电压的额定值则小于过渡电压的额定值的0.5倍。另外，每一第一负载群11内的第一级电源转换电路110及第二级电源转换电路111可构成一负载点电源模块。

多个负载112，例如图3所示的每一第一负载群11中的三个负载112，分别设置电路板10的第一侧100上，而每一第二级电源转换电路111的输出端经由第一电路板10上的迹线而与至少一负载112电连接，每一负载112接收对应的第二级电源转换电路111所输出的驱动电压而进行运作。

于上述实施例中，第一输入电压V1的额定值可为18V以上(例如48V)，过渡电压的额定值可为3V～8V之间(例如5V)，驱动电压的额定值可为1V或1.8V，但皆不以此为限。此外，每一第一负载群11的多个负载112可构成数据处理芯片，而每一负载112可为CPU、芯片组(Chipsets)或内存等。再者，第一级电源转换电路110及第二级电源转换电路111可分别但不限于由直流/直流降压(Buck)变换器所构成。此外，由图3可知，本实施例的第一级电源转换电路110及第二级电源转换电路111可邻设于电路板10的一边沿上，而多个负载112则可邻设于电路板10的其它边沿上。由上可知，由于本发明的功率模块1所接收的第一输入电压V1的额定值提升，故相较于现有服务器接收12V的电压，本发明的功率模块1的损耗可减少，进而使效率提升。此外，相较于现有服务器内的供电电源需将12V的电压转换为2V或1V提供给负载，由于本发明的功率模块1中间会产生较低的过渡电压，第二级电源转换电路111的输入端及输出端之间的电压差相对减小，故使第二级电源转换电路111的效率明显提升，而在高频运作下该效果更加明显。又由于本发明的功率模块1是将第二级电源转换电路111中的额定功率最大者的输入端与第一级电源转换电路110的输出端的直线距离设置为小于第一级电源转换电路110的输入端与电路板10的边沿之间的最小距离，如此一来，由于第一级电源转换电路110至第二级电源转换电路111之间的电能传输路径较短，故第一级电源转换电路110所输出的过渡电压在经由电路板10的迹线传送至第二级电源转换电路111时并不会产生过多的损耗，使得功率模块1的效率提升。更甚者，由于第二级电源转换电路111可转换为3V～8V的过渡电压，故第二级电源转换电路111的内部可使用与3V～8V相应的半导体器件来当作开关组件，如此一来，第二级电源转换电路111的工作频率可大幅度提升，同时保持相对优异的效率，更可明显减小体积，使得各个第二级电源转换电路111以更接近负载112的方式进行设置，进而减小电路板10的迹线的损耗，且第二级电源转换电路111可以实现更快速的输出电压调整能力，减小负载112本身的损耗。更重要的是，由于本发明的第二级电源转换电路111是由转换相对低压的降压变换器所构成，因此具有很强的电压调整能力，如此一来，第二级电源转换电路111的体积不但可以很灵活地追随整体功率等级的变化，且允许第二级电源转换电路111所接收的过渡电压具有较大的波动，因此第一级电源转换电路110不需要有很强的电压调整能力，换言之，即第一级电源转换电路110可以针对过渡电压仅具有微调功能，甚至由谐振电路所构成而不对过渡电压的波动进行调整。

于上述实施例中，当本发明的功率模块1包含两个第一负载群11时，为了减少功率模块1的损耗，每一第一负载群11的第一级电源转换电路110的输出端与至少一第二级电源转换电路111中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于两个第一负载群11的两个第一级电源转换电路110的输出端之间的电阻。当然，于其它实施例中，当本发明的功率模块1包含两个第一负载群11时，为了减少功率模块1的损耗，亦可为每一第一负载群11的第一级电源转换电路110的输出端与至少一第二级电源转换电路111中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于两个第一负载群11的两个第一级电源转换电路110的输入端之间的电阻。另外，为了减少功率模块1的损耗，第一级电源转换电路110与第二级电源转换电路111之间电连接的路径的长度小于5公分

于上述实施例中，由于本发明的功率模块1不但通过提升电路板10所接收的第一输入电压V1的电平来减少电路板10上的迹线损耗，且通过降低第二级电源转换电路111所接收的过渡电压的电平来提升第二级电源转换电路111的效率，而为了使上述的技术效果更为明显，全部第一负载群11所需的总功率可占第一电路板10整体所需的总功率的比例为50％以上，最佳为70％以上。此外，为了更减小第二级电源转换电路111的体积，使得第二级电源转换电路111可离负载112更近设置，以减小电路板10上的迹线损耗，每一第一负载群11由多个负载112所构成的数据处理芯片的所需供电电流要足够大，一般而言最大所需电流大于30A以上，而最佳为大于100A以上。再者，由于本发明的功率模块1是通过提升电路板10所接收的第一输入电压V1的电平来减少电路板10上的损耗，因此第一输入电压V1越高，效果越为明显，故本发明的功率模块4所接收的第一输入电压V1的额定值可为18V以上，而过渡电压的额定值可为3V～8V之间。

另外，由前述内容可知，由于本发明的第二级电源转换电路111需具有很强的电压调整能力，而第一级电源转换电路110则无需具有很强的电压调整能力，甚至可以不调整所输出的过渡电压，因此于一些实施例中，第一级电源转换电路110的满载增益范围小于1.2，第二级电源转换电路111的满载增益范围大于1.2。

又于其它实施例中，第二级电源转换电路111包含开关组件及用来驱动开关组件的驱动部件，而开关组件及驱动部件可通过水平(Lateral)器件工艺而集成于一硅芯片中。而每一第一负载群11亦可包含两个以上第二级电源转换电路111，最佳为包含五个以上第二级电源转换电路111。另外，多个第二级电源转换电路111中输出最大额定电流的第二级电源转换电路111与输出最小额定电流的第二级电源转换电路111两者所输出的额定电流差异大于5倍，最佳为大于10倍。

于一些实施例中，当第一负载群11包含两个以上的负载112时，两个以上的负载112可以独立地各自封装在对应的封装体中，也可以一起封装在同一个封装体中，甚至是集成于一个硅片之中。

请再参阅图3，于其它实施例中，功率模块1更可包含一第二负载群12，与对应的第一负载群11的第一级电源转换电路110相邻地设置于电路板10的第一侧100上，且第二负载群12包含第一级电源转换电路120及硬盘121。其中硬盘121为需要12V所驱动的传统硬盘。第一级电源转换电路120是设置于电路板10的第一侧100上，且第一级电源转换电路120的输入端是经由电路板10上的迹线接收第一输入电压V1，第一级电源转换电路120是将第一输入电压V1转换为过渡电压，并经由第一级电源转换电路120的输出端输出。硬盘121与第一级电源转换电路120的输出端电连接，其接收第一级电源转换电路120所输出的过渡电压而运作。其中，于本实施例中，第一输入电压V1的额定值大于第一级电源转换电路120所输出的过渡电压的额定值的2倍。

更甚者，当硬盘121为半导体固态硬盘时，由于半导体固态硬盘实际上是由低于5V的电压来驱动，因此第二负载群12可以省略图3所示的第一级电源转换电路120，且利用迹线而使第二负载群12的半导体固态硬盘121与对应的第一负载群11的第一级电源转换电路110电连接，亦即如图4所示，使第二负载群12的半导体固态硬盘121直接接收第一负载群11的第一级电源转换电路110的过渡电压而运作。

请参阅图5，并配合图3，其中图5为在图3所示的功率模块的架构下，各个第二级电源转换电路所输出的电流大小的示意图。如图所示，通常每一第一负载群11是由多个负载112所构成的数据处理芯片，需要多个不同的电源轨给芯片内部不同的区域供电，这些电源轨的电压和功率要求差别很大，要求高的电流可大于100安培，要求低的电流可小于2安培，而本发明由于可设置多个第二级电源转换电路111，故如图5所示，每个第二级电源转换电路111可依据需求而提供不同的电流，例如大于3安培、大于20安培、大于100安培或小于2安培等，故本发明的功率模块1的供电方式可以有效解决多电源轨的供电问题，同时因为第二级电源转换电路111均为转换较低的5V～8V的过渡电压，故各第二级电源转换电路111均可以实现高效率和小体积。

请参阅图6，其为图3所示的功率模块的第二变化例的结构示意图。如图6所示，于一些实施例中，由于第二级电源转换电路111具有高频的优势，故其体积可以相对较小，因此第一负载群11的多个第二级电源转换电路111中至少一个第二级电源转换电路111可设置于所对应连接的负载112的上方，并且该第二级电源转换电路111与所对应连接的负载112一起集成在封装体13中，其中封装体13更可为硅片。当然，于其它实施例中，第一负载群11的多个第二级电源转换电路111中至少有一第二级电源转换电路111亦可设置于所对应连接的负载112的下方。

当然，于其它实施例中，当功率模块1包含多个第一负载群11时，至少二个第一负载群11的第一级电源转换电路110可由一隔离型谐振电源转换电路所构成，因此第一输入电压V1的额定值可因第一级电源转换电路110具有隔离效果而改为大于36V，而最佳为大于60V。另外，当第一输入电压V1为36V以上时，可对功率模块1的安全性进行加强，以下将进一步说明。请参阅图7，其为图3所示的功率模块的第三变化例的侧视结构示意图。在图7所示的实施例中，对应第一输入电压V1为36V以上，功率模块1更可包含汇电条15及外壳16。其中外壳16具有容置空间，该容置空间内包含电路板10及设置于电路板10上的相关器件，例如第一负载群11等。汇电条15设置于外壳16的容置空间内并位于外壳16的上盖160的内侧，且汇电条15的外层可进行绝缘处理，其中汇电条15还包含相互导通的一输入连接端150及至少一输出连接端151。输入连接端150可接收电源输入设备17所输出的第一输入电压V1。输出连接端151与对应的第一级电源转换电路11的输入端电连接，汇电条15通过输入连接端150接收第一输入电压V1，并经由输出连接端150将第一输入电压V1输出至第一级电源转换电路110的输入端。而于本实施例中，由于高压的第一输入电压V1是通过汇电条15间接传送至第一级电源转换电路110，故第一输入电压V1并不会直接接触到电路板10，如此一来，可减少用户碰触到电路板10而发生触电的情况。此外，功率模块1更使用外壳16来包覆电路板10，亦提升功率模块1在使用上的安全性。

于上述实施例中，输入连接端150以及输出连接端151可分别利用插设连接的方式设置于电源输入设备17及对应的第一级电源转换电路110，但不以此为限。另外，为了再提升功率模块1的安全性，接收高电压的第一级电源转换电路110亦可通过封装方式而塑封成电源模块。

当然，汇电条15的设置位置并不局限于如图7所示。请参阅图8，其为图3所示的功率模块的第四变化例的侧视结构示意图。如图8所示，于一些实施例中，汇电条15可设置于外壳16的容置空间内并位于外壳16的下盖161的内侧，且电路板100上具有与输出连接端151相对应的至少一贯穿孔101，输出连接端151经由第一电路板10的第二侧102而插设于贯穿孔101内，并与第一级电源转换电路110的输入端电连接。

请参阅图9，其为图3所示的功率模块的第五变化例的结构示意图。如图9所示，于其它实施例中，电源输入设备17可改为输出一第二输入电压V2，例如大于200V，此外，功率模块1还包含输入电能转换电路14，输入电能转换电路14是设置于电路板10的第一侧100上，且电连接于电源输入设备17及第一级电源转换电路110的输入端之间，输入电能转换电路14接收第二输入电压V2，并将第二输入电压V2转换为额定值在18V以上的第一输入电压V1，以将第一输入电压V1传送至第一级电源转换电路110的输入端。

请参阅图10及图11并配合图3，其中图10为图3所示的第二级电源转换电路的等效电路，图11为图3所示的负载的电流及图10所示的方波电压源、电感的电流的波形示意图。如图10、图11所示，第二级电源转换电路111可以等效为责任周期可变的一方波电压Vduty。该方波电压通过第二级电源转换电路111内部的电感L及电容C滤波后，提供给负载112。其中在第二级电源转换电路111为稳态时，方波电压的责任周期duty＝(过渡电压/驱动电压)而为恒定值，在第二级电源转换电路111为动态时，责任周期最大为100％或者最小为0％，以响应负载112的变化。也就是说，电感L的电流需尽可能地与负载112的电流一致，如果不一致，则电容C需要足够的的容量来补充/吸收能量的差异，因此当电感L的电流的变化能力di/dt越强，动态响应越好，电容C的电容量便可越小。然而由于di/dt＝{(过渡电压-驱动电压)/电感L的电感量}，又本发明的功率模块1是通过降低第二级电源转换电路111所接收的过渡电压来达到其中之一技术效果，由此可知，过渡电压的降低将导致过渡电压与驱动电压的差值变小，使得di/dt的能力弱化，进而导致动态响应变差，虽然让电感L的电感量变小可改善动态响应，然而电感L的电感量越小将使得第二级电源转换电路111于稳态工作时的纹波电流越大，导致损耗变大。因此为了解决上述的问题，势必须在第二级电源转换电路111为稳态时，例如图11所示的时间区域T1，让第二级电源转换电路111内部的电感L的电感量提升，使电感L的电流尽可能地与负载112的电流一致，而当第二级电源转换电路111为动态时，例如图11所示的时间区域T2，则减少电感L的电感量，以提升动态响应。针对上述问题，发明的功率模块1所采取的解决方法，以下将进行说明。

请参阅图12A-C，其分别为图3所示的第二级电源转换电路包含两个Buck变换器且两个Buck变换器的电感共享磁材料时，第二级电源转换电路分别在稳态及动态的等效电路图。如图12A-C所示，为了提升图3所示的第二级电源转换电路111的动态响应同时避免纹波电流变大，于一些实施例中，本发明的功率模块1中至少一个第二级电源转换电路111可由多个Buck变换器并联连接而成，且第二级电源转换电路111的多个Buck变换器的其中至少两个Buck变换器的电感是共享磁材料，以形成集成电感。因此在该集成电感中，实际上可包含至少两路电感，如图12A所示的第一路电感L1及第二路电感L2，且至少两路电感(L1、L2)是相互耦合，而耦合的方向为相反。如此一来，在第二级电源转换电路111为稳态时，由于多个Buck变换器的工作相位是错开的，故彼此耦合的电感L将形成串联(如图12B)，使得总电感量提升，进而减少第二级电源转换电路111稳态时的纹波电流。而在第二级电源转换电路111为动态时，相互耦合的电感L1、L2的输入端将等效为同一电位，即相互耦合的电感L1、L2为短路状态(如图12C)，故对每一第二级电源转换电路111处于过渡电压及驱动电压之间的阻抗而言，仅仅存在相互耦合的电感L1、L2的漏感，以及存在很小的动态电感量，故可提升动态响应。

请参阅图13A、13B，并配合图3，其中图13A为传统电源输入设备的细节电路结构示意图，图13B为图3所示的电源输入设备的细节电路结构示意图。如图13A、13B所示，由于前面所提，第一级电源转换电路110无需具有很强的电压调整能力，甚至以不调整所输出的过渡电压为佳，这样一来，第二级电源转换电路111所接收的过渡电压是不稳定的。而动态响应需要在完整的正常工作电压范围内达标，所以，依据di/dt＝{(过渡电压-驱动电压)/电感L的电感量}，过渡电压的最小值就决定了动态响应能力。由于电源输入设备17是输出大于16V的第一输入电压V1，因此如图13A所示，传统的电源输入设备17除了接收交流电源AC及包含电源端转换电路170外，还包含电池18，以由电池18来提供第一输入电压V1，因此，第一输入电压V1实际是由电池18的电压所决定，由于电池18的电压变化范围较大，例如锂电池，其工作电压范围达到40V～60V，那么第一输入电压V1的电压范围系数为60V/40V＝1.5，过渡电压的电压范围系数也对应达到1.5。然过渡电压的电压范围系数达到如此大的范围并不利于第二级电源转换电路111的动态响应的设计。因此于一些实施例中，如图13B所示，电源输入设备17还包含一Buck-Boost双向电源转换电路19，Buck-Boost双向电源转换电路19与电池18的输出端电连接，用以将电池18所提供的电池电压转换为第一输入电压V1，如此一来，通过Buck-Boost双向电源转换电路19的设置，第一输入电压V1便不必受电池18的状态影响，使得第一输入电压V1的电压范围系数变窄，例如降为1.3以下，如此一来，第二级电源转换电路111在动态响应上将具有更佳的效果。

由上可知，第一输入电压V1因Buck-Boost双向电源转换电路19而不受电池18的状态影响，且第二级电源转换电路111具有很强的电压调整能力，故第一输入电压V1的纹波电压可以比较大，这样甚至可以将第一输入电压V1的电源端转换电路170也设计成微调或者不调整，来实现电源端转换电路170的优化设计。图14为采用图13B所示的电源输入设备及图3所示的功率模块的特性说明图，而在图14中，半调整或者不调整的转换电路，例如电源端转换电路170及第一级电源转换电路是以谐振型LLC电路为佳，而第二级电源转换电路111则为全调整的转换电路。

当然，每一第一负载群11的多个负载112与第一级电源转换电路110及第二级电源转换电路111的设置位置亦不局限于图3所示的实施方式，于其它实施例中，如图15所示，每一第一负载群11的多个负载112可环绕设置于由对应的第一级电源转换电路110及第二级电源转换电路111所构成的负载点电源模块的四周。

图3所示的设置方式适用于负载群由CPU和DDR组成，如第一负载群11由一个CPU和其配套的DDR，他们共享一个供电群。而图15的设置方式可应用于多CPU(例如，4个以上)的服务器或者大型通信交换设备。当然本发明不以此为限，本领域技术人员可以根据自己的需求确定负载和供电电源的设置方式。通过本发明可实现整洁、有效的电源供应，和整齐、美观的主板布局，有利于系统的结构设计和散热设计。

另外，于一些实施例中，为了使第一负载群11的多个负载112设置于电路板10上，故电路板10上更具有对应的插槽，例如图16所示，电路板10上更具有至少一插槽104，例如对应两个第一负载群11共八个负载112而有八个插槽104，其中第一级电源转换电路110及第二级电源转换电路111所构成的负载点电源模块的四周是环绕设置多个插槽104，而每一插槽104是供对应的负载112插设。

请参阅图17，其为图3所示的功率模块的第八变化例的结构示意图。如图17所示，于一些实施例中，功率模块1还包含一第二电路板2，而功率模块1的第一负载群11是设置于第二电路板2上，且与第二电路板2构成一功能卡3，并插设于第一电路板10的第一侧100上，且功能卡3可为数据处理器，尤以图形处理器为佳，此外第一电路板10的第一侧100上可插设多个功能卡3。其中图17所示的第一负载群11的内部结构是与图3所示的第一负载群11相同，于此不再赘述。而第一输入电压V1便可经由第一电路板10上的迹线以及第二电路板2而传送至第一负载群11中的第一级电源转换电路的输入端。

图17所示的结构适用于主板安装有多个大功率功能卡的数据处理设备，这些大功率功能卡需要众多外围器件，制作成一个完整的功能单元。如此一来主板(对应图3中的第一电路板10)无需过多器件，只需完成各功能卡的相互通信及对外通信。将每一个功能卡视为一个负载群，在功能卡内部的电路板上安装电源模块。可以看出，本发明可以在各种场合发挥其优势，适用性和灵活性不言而喻。

请参阅图18，其为图3所示的功率模块的第九变化例的结构示意图。如图18所示，于一些实施例中，功率模块1还包含一第三负载群4，是位于第一电路板10的第一侧100上的其中的一边沿103，且第三负载群4是包含一第一级电源转换电路40、至少一第二级电源转换电路41及多个负载42。

第一级电源转换电路40是设置于边沿103，且第一级电源转换电路40的输入端经由第一电路板10上的迹线接收第一输入电压V1，第一级电源转换电路40用以将第一输入电压V1转换为一过渡电压，并于第一级电源转换电路40的输出端输出。

第二级电源转换电路41与第一级电源转换电路40相近设置，且第二级电源转换电路41的输入端经由第一电路板10上的迹线而与第一级电源转换电路40的输出端电连接，以接收第一级电源转换电路40所输出的过渡电压，第二级电源转换电路41用以将过渡电压转换为独立驱动电压，并于第二级电源转换电路41的输出端输出独立驱动电压。

其中，第一输入电压V1的额定值大于第一级电源转换电路40所输出的过渡电压的额定值的2倍，而第二级电源转换电路41所输出的独立驱动电压的额定值则小于第一级电源转换电路40所输出的过渡电压的额定值的0.5倍。

多个负载42，例如图18所示的两个负载42，分别设置电路板10的第一侧100上，而每一第二级电源转换电路41的输出端经由第一电路板10上的迹线而与至少一负载42电连接，每一负载42接收对应的第二级电源转换电路41所输出的独立驱动电压而进行运作。

于一些实施例中，为了减少功率模块1的损耗，每一第一负载群11的第一级电源转换电路110的输出端与至少一第二级电源转换电路111中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于第一负载群11的第一级电源转换电路110的输出端与第三负载群4的第一级电源转换电路40的输出端之间的电阻。当然，于其它实施例中，亦可改为每一第一负载群10的第一级电源转换电路110的输出端与至少一第二级电源转换电路111中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于第一负载群11的第一级电源转换电路110的输入端与第三负载群4的第一级电源转换电路40的输入端之间的电阻。

综上所述，本发明为一种功率模块，其中由于功率模块所接收的第一输入电压的额定值提升，故可减少线路损耗而提升功率模块的效率。此外，由于本发明的功率模块的第二级电源转换电路的输入端及输出端之间的电压差相对减小，故使第二级电源转换电路的效率明显提升。又由于本发明的功率模块是将第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端与第一级电源转换电路的输出端的直线距离设置为小于第一级电源转换电路的输入端与电路板的边沿之间的最小距离，如此一来，第一级电源转换电路所输出的过渡电压在经由电路板的迹线传送至第二级电源转换电路时并不会产生过多的损耗，使得功率模块的效率提升。更甚者，由于第二级电源转换电路的内部可使用与3V～8V相应的半导体器件来当作开关组件，如此一来，第二级电源转换电路的工作频率可大幅度提升，同时保持相对优异的效率，更可明显减小体积，进而减小电路板的迹线的损耗，且第二级电源转换电路可以实现更快速的输出电压调整能力，减小负载本身的损耗。更重要的是，由于本发明的第二级电源转换电路是由转换相对低压的降压变换器所构成，因此具有很强的调整电压能力，如此一来，第二级电源转换电路的体积不但可以很灵活追随整体功率等级而变化，且允许第二级电源转换电路所接收的过渡电压具有较大的波动，因此第一级电源转换电路不需要有很强的电压调整能力。本发明充分挖掘器件、控制、负载、系统的特性，使用方便灵活，可以适用于各种场合及变化。

以上仅为特定实施例的描述，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (29)

1.一种功率模块，是包含:

一第一电路板；

至少一第一负载群，位于该第一电路板的一第一侧上，且每一该第一负载群包含:

一第一级电源转换电路，位于该第一电路板的该第一侧上，该第一级电源转换电路于该第一级电源转换电路的输入端接收一第一输入电压，并转换为一过渡电压，以通过该第一级电源转换电路的输出端输出，其中该过渡电压的额定值为3V～8V之间；

至少一第二级电源转换电路，位于该第一电路板的该第一侧上并与该第一级电源转换电路相近设置，每一该第二级电源转换电路的输入端与该第一级电源转换电路的输出端电连接，以接收该过渡电压，并将该过渡电压转换为一驱动电压而通过该第二级电源转换电路的输出端输出，其中，该第一输入电压的额定值大于该过渡电压的额定值的2倍，该驱动电压的额定值小于该过渡电压的额定值的0.5倍，该至少一第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端与该第一级电源转换电路的输出端之间的直线距离小于该第一级电源转换电路的输入端与该电路板的边沿之间的最小距离；以及

多个负载，位于该第一电路板的该第一侧上，每一该第二级电源转换电路的输出端与至少一该负载连接，且每一该负载接收对应的该第二级电源转换电路输出的该驱动电压而进行运作。

2.如权利要求1所述的功率模块，其中该功率模块包含两个该第一负载群，每一该第一负载群的该第一级电源转换电路的输出端与该至少一第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于两个该第一负载群的两个该第一级电源转换电路的输出端之间的电阻。

3.如权利要求1所述的功率模块，其中该功率模块包含两个该第一负载群，每一该第一负载群的该第一级电源转换电路的输出端与至少一该第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于两个该第一负载群的两个该第一级电源转换电路的输入端之间的电阻。

4.如权利要求2或3所述的功率模块，其中该第一输入电压的额定值为18V以上。

5.如权利要求2或3所述的功率模块，其中全部该第一负载群所需的总功率占该第一电路板整体所需的总功率的比例大于50％。

6.如权利要求1至3项任一所述的功率模块，其中该多个负载构成一数据处理芯片，且该数据处理芯片的最大所需电流大于30A。

7.如权利要求2或3所述的功率模块，其中该第一级电源转换电路的满载增益范围小于1.2，该第二级电源转换电路的满载增益范围大于1.2。

8.如权利要求4所述的功率模块，其中该第二级电源转换电路包含多个开关组件及用来驱动该多个开关组件的一驱动部件，且该多个开关组件及该驱动部件是通过水平器件工艺而集成于一硅芯片中。

9.如权利要求4所述的功率模块，其中每一该第一负载群包含两个以上该第二级电源转换电路。

10.如权利要求9所述的功率模块，其中多个该第二级电源转换电路中输出最大额定电流的该第二级电源转换电路与输出最小额定电流的该第二级电源转换电路两者所输出的额定电流差异大于5倍。

11.如权利要求9所述的功率模块，其中至少一该第二级电源转换电路是由多个Buck电路并联而成，且其中至少两个该Buck电路的电感共享磁材料以形成集成电感。

12.如权利要求11所述的功率模块，其中该集成电感包含至少两路电感，该至少两路电感相互耦合，且耦合的方向为相反。

13.如权利要求9所述的功率模块，其中该多个第二级电源转换电路中至少一第二级电源转换电路设置于对应连接的该负载的上方，且该第二级电源转换电路及该负载集成于一封装体中。

14.如权利要求1所述的功率模块，其中该功率模块还包含一第二负载群，位于该第一电路板的该第一侧上，且包含:

一第一级电源转换电路，设置于该第一电路板的该第一侧上，且该第二负载群的该第一级电源转换电路的输入端接收该第一输入电压，并将该第一输入电压转换为一过渡电压而通过该第二负载群的该第一级电源转换电路的输出端输出；以及

一半导体固态硬盘，与该第二负载群的该第一级电源转换电路的输出端电连接，用以接收该第二负载群的该第一级电源转换电路所输出的该过渡电压而运作；

其中，该第一输入电压的额定值大于该第二负载群的该第一级电源转换电路所输出的该过渡电压的额定值的2倍。

15.如权利要求2所述的功率模块，其中该功率模块包含多个该第一负载群，且至少两个该第一负载群的该第一级电源转换电路为一隔离型谐振电源转换电路，而该第一输入电压是由一电源输入设备所输入，且该第一输入电压的额定值大于36V。

16.如权利要求15所述的功率模块，其中该功率模块还包含一汇电条，位于包覆该第一电路板的一外壳的一上盖内侧，且具有一输入连接端以及至少一输出连接端，该输入连接端是与该电源输入设备电连接，该输出连接端是与对应的该第一级电源转换电路电连接，该汇电条通过该输入连接端接收该第一输入电压，并经由该输出连接端将该第一输入电压输出至该第一级电源转换电路。

17.如权利要求15所述的功率模块，其中该功率模块还包含一汇电条，位于包覆该第一电路板的一外壳的一下盖内侧，且具有一输入连接端以及一输出连接端，该输入连接端与该电源输入设备电连接，该输出连接端插设于贯穿该第一电路板的一贯穿孔内，并与该第一级电源转换电路电连接，该汇电条通过该输入连接端接收该第一输入电压，并经由该输出连接端将该第一输入电压输出至该第一级电源转换电路。

18.如权利要求2或3所述的功率模块，其中该功率模块还包含一输入电能转换电路，设置于该第一侧上且电连接于一电源输入设备及该第一级电源转换电路之间，该输入电能转换电路接收该电源输入设备所输出的一第二输入电压并转换为该第一输入电压，其中该第二输入电压大于200V。

19.如权利要求2或3所述的功率模块，其中该第一输入电压是由一电源输入设备所提供，且该电源输入设备包含一电池以及一Buck-Boost双向电源转换电路，该电池输出一电池电压，该Buck-Boost双向电源转换电路与该电池电连接，用以将该电池电压转换为该第一输入电压。

20.如权利要求2或3所述的功率模块，其中功率模块还包含一第二电路板，而该第二电路板及该第一负载群构成一功能卡，并插设于该第一电路板上，且该功能卡为一数据处理器。

21.如权利要求1所述的功率模块，其中该第一级电源转换电路与该第二级电源转换电路之间电连接的路径长度小于5公分。

22.如权利要求1所述的功率模块，其中该功率模块还包含一第三负载群，位于该第一电路板的一边沿处，包含：

一第一级电源转换电路，设置于该第一电路板该边沿处，且该第三负载群的该第一级电源转换电路的输入端接收一第一输入电压，该第三负载群的该第一级电源转换电路将该第一输入电压转换为一过渡电压并通过该第三负载群的该第一级电源转换电路的输出端输出；

至少一第二级电源转换电路，与该第三负载群的该第一级电源转换电路相近设置，该第三负载群的每一该第二级电源转换电路的输入端与该第三负载群的该第一级电源转换电路的输出端电连接以接收该第三负载群的该第一级电源转换电路所输出的该过渡电压，并将该第三负载群的该第一级电源转换电路所输出的该过渡电压转换为一独立驱动电压，且通过该第三负载群的该第二级电源转换电路的输出端输出；以及

多个负载，该第三负载群的每一该第二级电源转换电路的输出端是与该第三负载群的至少一该负载连接；且该第三负载群的该多个负载接收该第三负载群的该第二级电源转换电路输出的该独立驱动电压而进行运作；

其中该第一输入电压的额定值大于该第三负载群的该第一级电源转换电路所输出的该过渡电压的额定值的2倍，该独立驱动电压的额定值小于该第三负载群的该第一级电源转换电路所输出的该过渡电压的额定值的0.5倍。

23.如权利要求22所述的功率模块，其中每一该第一负载群的该第一级电源转换电路的输出端与对应的该第一负载群的至少一该第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于该第一负载群的该第一级电源转换电路的输出端与该第三负载群的该第一级电源转换电路的输出端之间的电阻。

24.如权利要求22所述的功率模块，其中每一该第一负载群的该第一级电源转换电路的输出端与对应的该第一负载群的至少一该第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于该第一负载群的该第一级电源转换电路的输入端与该第三负载群的该第一级电源转换电路的输入端之间的电阻。

25.如权利要求1所述的功率模块，其中每一该第一负载群的该第一级电源转换电路及该至少一第二级电源转换电路构成一负载点电源模块，且该多个负载环绕设置于该负载点电源模块的四周。

26.如权利要求1所述的功率模块，其中该电路板还包含至少一插槽，以供对应的该负载进行插设。

27.一种功率模块，包含:

一第一电路板；

至少两个第一负载群，位于该第一电路板的一第一侧上，且每一该第一负载群包含:

一第一级电源转换电路，位于该第一电路板的该第一侧上，该第一级电源转换电路于该第一级电源转换电路的输入端接收一第一输入电压，并转换为一过渡电压，以通过该第一级电源转换电路的输出端输出；

至少一第二级电源转换电路，位于该第一电路板的该第一侧上并与该第一级电源转换电路相近设置，每一该第二级电源转换电路的输入端与该第一级电源转换电路的输出端电连接，以接收该过渡电压，并将该过渡电压转换为一驱动电压并通过该第二级电源转换电路的输出端输出，其中该第一输入电压的额定值大于该过渡电压的额定值的2倍，该驱动电压的额定值小于该过渡电压的额定值的0.5倍，每一该第一负载群的该第一级电源转换电路的输出端与该至少一第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于两个该第一负载群的两个该第一级电源转换电路的输出端之间的电阻；以及

多个负载，位于该第一电路板的该第一侧上，每一该第二级电源转换电路的输出端与至少一该负载连接，且每一该负载接收该第二级电源转换电路输出的驱动电压而进行运作。

28.如权利要求27所述的功率模块，每一该第一负载群的该第一级电源转换电路的输出端与该至少一第二级电源转换电路中的额定功率最大者的输入端之间的电阻小于两个该第一负载群的两个该第一级电源转换电路的输入端之间的电阻。

29.如权利要求27所述的功率模块，其中该第一负载群包含多个第二级电源转换电路，且该第一级电源转换电路的输出端对应连接该多个第二级电源转换电路。

Images