CN113628852B - 电源模块、供电系统以及多相反耦合电感 - Google Patents

电源模块、供电系统以及多相反耦合电感 Download PDF

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Abstract

本公开涉及电子电力技术领域，尤提出了一种电源模块、供电系统以及多相反耦合电感。电源模块包括反耦合电感和设置在反耦合电感上的多个半桥模块，反耦合电感包括多个绕组以及磁芯，多个绕组在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组；第一磁芯和第二磁芯分别位于绕组的两端，磁芯立柱连接第一磁芯和第二磁芯，磁芯立柱为多个，且与第一磁芯和第二磁芯形成多个磁芯单元，磁芯单元与绕组对应设置，多个磁芯单元均沿相同方向从第一平面环绕对应的绕组延伸至第二平面，封闭区域与绕组一一对应地设置；其中，半桥模块与绕组一一对应地相连接，且每一半桥模块桥臂的中点与相应的绕组的第一端电性耦接。

Description

电源模块、供电系统以及多相反耦合电感
技术领域
本公开涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种电源模块、供电系统以及多相反耦合电感。
背景技术
目前，云(数据中心)和端(手机、iPad等)的市场规模越来越大，并且还在高速增长中。但在增长的同时，也面临着多方面的挑战，例如随着各种智能IC的功能越来越多，功耗越来越大，主板上的器件也越来越多，且要求功率模块具有更高的功率密度，或单个功率模块具有更大的电流输出能力。采用主动元件与被动元件进行堆叠设置可以大幅减小电源模块的占地面积(footprint)或体积。此外，随着智能IC的计算能力的提升，对供电系统的动态性能的要求也越来越高。多相并联供电是实现大电流供电的有效解决方案。当既要追求高效率，又要追求高动态的情况下，往往采用两相或更多相反耦合并联，提升供电系统的动态性能的方式是一种很好的解决方案。现有的电源模块，或者不能实现多相反耦合并联供电，或者实现反耦合并联供电的电源模块的结构往往复杂，体积大，绕组线路曲折，输出的路径长，影响效率的提升，而且在竖直方向的散热不佳，或者输出引脚的排布不方便客户应用，进一步限制了电源模块性能的发挥。
发明内容
本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种电源模块、供电系统以及多相反耦合电感。
根据本发明的第一个方面，提供了一种电源模块，包括反耦合电感和设置在反耦合电感上的多个半桥模块，反耦合电感包括：
多个绕组，多个绕组在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，且垂直于第一平面或第二平面，绕组为单匝，各绕组中的电流流向相同；第一平面与第二平面平行；
磁芯，磁芯包括第一磁芯、第二磁芯以及磁芯立柱，第一磁芯和第二磁芯分别位于绕组的两端，磁芯立柱连接第一磁芯和第二磁芯，磁芯立柱为多个，且与第一磁芯和第二磁芯形成多个磁芯单元，磁芯单元与绕组对应设置，多个磁芯单元均沿相同方向从第一平面环绕对应的绕组延伸至第二平面，多个磁芯单元在垂直于绕组的第一平面上的投影围成多个封闭区域，封闭区域与绕组一一对应地设置；
其中，半桥模块与绕组一一对应地相连接，且每一半桥模块桥臂的中点与相应的绕组的第一端电性耦接。
在本发明的一个实施例中，半桥模块中桥臂的中点与相应的绕组在第一平面上的垂直投影至少部分重叠。
在本发明的一个实施例中，电源模块还包括：
布线层，布线层设置在反耦合电感和半桥模块之间。
在本发明的一个实施例中，布线层包括第一导电层和第二导电层，第一导电层与输入正极引脚相连接，第二导电层与输入负极引脚相连接。
在本发明的一个实施例中，布线层上设置有多个导接部，导接部的一端电性连接相应半桥模块中桥臂的中点，导接部的另一端连接相应绕组的第一端。
在本发明的一个实施例中，第一导电层和第二导电层上均设置有多个过孔，多个导接部一一相对应地穿过过孔。
在本发明的一个实施例中，反耦合电感为三相反耦合电感，三个绕组呈阵列式分布，三个绕组的阵列式分布为等边三角形排布或直角三角形排布，并且在电源模块中形成预留空间；其中，电源模块还包括：控制器和外围电子器件，设置于预留空间内；
其中，外围电子器件位于布线层的一侧，控制器位于布线层的另一侧。
在本发明的一个实施例中，布线层的至少一侧的所有元件注塑塑封。
在本发明的一个实施例中，电源模块还包括：
多个竖直导电线路，竖直导电线路实现电源模块与外部电路的输入连接、信号连接。
在本发明的一个实施例中，竖直导电线路设置在预留空间内或者反耦合电感的外周。
在本发明的一个实施例中，竖直导电线路包括：输入正导电线路和输入负导电线路，输入正导电线路与输入负导电线路同心嵌套，并且两者之间绝缘。
在本发明的一个实施例中，输入正导电线路与输入负导电线路通过焊盘分别形成输入正极引脚和输入负极引脚。
在本发明的一个实施例中，竖直导电线路设置于塑封后的磁芯单元的外部。
在本发明的一个实施例中，竖直导电线路包括：输入正导电线路和输入负导电线路，输入正导电线路与输入负导电线路交错设置。
在本发明的一个实施例中，输入正导电线路与输入负导电线路通过邮票孔焊盘分别形成输入正极引脚和输入负极引脚。
在本发明的一个实施例中，电源模块还包括：
电容层，电容层设置在反耦合电感远离半桥模块的一侧。
在本发明的一个实施例中，电源模块还包括：
导电线路模块，导电线路模块与反耦合电感的相邻设置，导电线路模块包括多个竖直导电线路，相邻两个竖直导电线路之间绝缘。
在本发明的一个实施例中，电源模块还包括：
铜块，铜块与反耦合电感相邻设置，铜块与布线层焊接。
在本发明的一个实施例中，电源模块还包括：
异型电路板，异型电路板与在布线层连接；
其中，异型电路板上设置有凹槽，磁芯设置在凹槽内。
在本发明的一个实施例中，异型电路板内设置多个竖直导电线路，多个竖直导电线路中的至少两个竖直导电线路分别穿过各自对应的磁芯单元形成绕组。
在本发明的一个实施例中，绕组的第二端通过焊盘连接在一起形成一个输出正极引脚；或者
绕组第二端通过多个焊盘形成多个输出正极引脚。
在本发明的一个实施例中，第一磁芯和第二磁芯均为类E型磁芯结构。
在本发明的一个实施例中，半桥模块分别设置在各自的芯片中，或者多个半桥模块集成在一个芯片中。
在本发明的一个实施例中，多个半桥模块均设置反耦合电感的上侧或下侧。
根据本发明的第二个方面，提供了一种供电系统，包括：
上述的电源模块；系统电路板；
负载，负载设置于系统电路板的第一面上；
其中，电源模块设置于系统电路板的第一面，并且位于负载的周围；和/或，电源模块设置于系统电路板的第二面，并且在平面上的投影至少部分与负载重叠。
根据本发明的第三个方面，提供了一种电源模块的制作方法，包括：
提供多个半桥模块；
提供多个绕组，多个绕组在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，且垂直于第一平面或第二平面，多个绕组均为单匝，第一平面与第二平面平行；
提供磁芯，磁芯包括第一磁芯、第二磁芯以及磁芯立柱，第一磁芯和第二磁芯分别位于绕组的两端，磁芯立柱连接第一磁芯和第二磁芯，磁芯立柱为多个，且与第一磁芯和第二磁芯形成多个磁芯单元，磁芯单元与绕组对应设置，多个磁芯单元均沿相同方向从第一平面环绕对应的绕组延伸至第二平面，多个磁芯单元在垂直于绕组的第一平面上的投影围成多个封闭区域，封闭区域与绕组一一相对应地设置；其中，半桥模块与绕组一一对应地相连接，且每一半桥模块中桥臂的中点与相应的绕组的第一端电性耦接。
在本发明的一个实施例中，多个绕组与磁芯形成反耦合电感，制作方法还包括：
将多个反耦合电感配置成为电感连片；
在电感连片上形成布线层；
将半桥模块设置在布线层上；
采用绝缘封装料进行封装。
在本发明的一个实施例中，还包括：
在晶圆上形成布线层；
在布线层上形成第一磁材料层；
将第一隔离层设置在第一磁材料层上，并在第一隔离层上形成过通孔，以露出部分的第一磁材料层；
在第一隔离层上设置第二磁材料层，并且第二磁材料层填充通孔，使得第一磁材料层和第二磁材料层磁路连接；
设置导电过孔，导电过孔贯穿第二磁材料层、第一隔离层以及第一磁材料层与布线层电连接；其中，导电过孔形成绕组，第一磁材料层和第二磁材料层形成磁芯，半桥模块集成于晶圆中；
切割形成多个分立的电源模块。
在本发明的一个实施例中，还包括：
形成导电过孔之前，
在第二磁材料层上还设置有第二隔离层，以填充第二磁材料层的空隙；
其中，导电过孔贯穿第二隔离层、第二磁材料层、第一隔离层以及第一磁材料层与布线层电连接。
在本发明的一个实施例中，还包括：
形成多个分立的电源模块之前，在第二隔离层上形成电容层。
在本发明的一个实施例中，第一磁材料层和第二磁材料层为预制的磁芯板材或者薄膜，或者第一磁材料层和第二磁材料层通过印刷或者溅射方式形成。
根据本发明的第四个方面，提供了一种多相反耦合电感，包括：
两个绕组，绕组在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，第一平面与第二平面平行；
磁芯，磁芯包括第一磁芯、第二磁芯以及磁芯立柱，第一磁芯和第二磁芯分别位于绕组的两端，磁芯立柱连接第一磁芯和第二磁芯，磁芯立柱为多个，且与第一磁芯和第二磁芯形成两个磁芯单元，磁芯单元与绕组一一相对应地设置，两个磁芯单元均沿相同方向从第一平面环绕对应的绕组延伸至第二平面，两个磁芯单元在垂直于绕组的第一平面上的投影围成多个封闭区域，封闭区域分别与绕组对应设置；
其中，第一磁芯和第二磁芯均为S型磁芯结构。
在本发明的一个实施例中，第一磁芯、磁芯立柱和第二磁芯之间至少存在一个磁芯连接平面，连接平面与绕组的轴线垂直。
在本发明的一个实施例中，第一磁芯与第二磁芯为形状相同的部件。
在本发明的一个实施例中，磁芯立柱与第一磁芯和第二磁芯中的至少之一一体成型；或者，一部分磁芯立柱与第一磁芯一体成型，另一部分磁芯立柱与第二磁芯一体成型。
根据本发明的第五个方面，提供了一种多相反耦合电感，包括：
多个绕组，多个绕组在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，第一平面与第二平面平行；
磁芯，磁芯包括第一磁芯、第二磁芯以及磁芯立柱，第一磁芯和第二磁芯分别位于绕组的两端，磁芯立柱连接第一磁芯和第二磁芯，磁芯立柱为多个，且与第一磁芯和第二磁芯形成多个磁芯单元，磁芯单元与绕组一一相对应地设置，多个磁芯单元均沿相同方向从第一平面环绕对应的绕组延伸至第二平面，多个磁芯单元在垂直于绕组的第一平面上的投影围成多个封闭区域，封闭区域分别与绕组对应地设置；
绕组为至少三个，第一磁芯包括第一公共磁柱，在第一公共磁柱上垂直引出多个第一横向磁柱；第二磁芯包括第二公共磁柱，在第二公共磁柱上垂直引出多个第二横向磁柱，磁芯立柱分别与第一横向磁柱和第二横向磁柱对应设置，分别连接形成磁路。
在本发明的一个实施例中，第一磁芯、磁芯立柱和第二磁芯之间至少存在一个磁芯连接平面，连接平面与绕组的轴线垂直。
在本发明的一个实施例中，第一磁芯与第二磁芯为形状相同的部件。
在本发明的一个实施例中，磁芯立柱与第一磁芯和第二磁芯中的至少之一一体成型；或者，一部分磁芯立柱与第一磁芯一体成型，另一部分磁芯立柱与第二磁芯一体成型。
本发明的电源模块通过反耦合电感和多个半桥模块能够实现多相反耦合并联供电，且由磁芯和绕组组成的反耦合电感结构较为简单，直线型绕组不仅结构简单，且输出路径较短以此提升了电源模块的效率。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本公开的优选实施方式的详细说明，本公开的各种目标，特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本公开的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是根据第一个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图2是根据第二个示例性实施方式示出的一种电源模块的分解结构示意图；
图3是根据第二个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图4是图3中G-G处的剖面结构示意图；
图5是根据第三个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图6是图5中B-B处的剖面结构示意图；
图7是根据第四个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图8是根据第五个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图9是图8中D-D处的剖面结构示意图；
图10是根据第六个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图11是图10中E-E处的剖面结构示意图；
图12是根据第七个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图13是图12中F-F处的剖面结构示意图；
图14是根据第八个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图15是根据一示例性实施方式示出的一种电源模块的第一布线层或第二布线层的结构示意图；
图16是根据第九个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图17是根据第十个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图18是根据第十一个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图19是根据第十二个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图20是根据第十三个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图21是根据一示例性实施方式示出的一种电源模块的电路板的第一个结构示意图；
图22是根据一示例性实施方式示出的一种电源模块的电路板的第二个结构示意图；
图23是根据第十四个示例性实施方式示出的一种电源模块的分解结构示意图；
图24是根据第十四个示例性实施方式示出的一种电源模块的部分分解结构示意图；
图25是根据第十四个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图26是根据第十五个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图27是根据第十六个示例性实施方式示出的一种电源模块的仰视结构示意图；
图28是根据第十六个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图29是根据第十七个示例性实施方式示出的一种电源模块的俯视结构示意图；
图30是根据第十七个示例性实施方式示出的一种电源模块的仰视结构示意图；
图31是根据第十八个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图32是根据第十九个示例性实施方式示出的一种电源模块的结构示意图；
图33是根据第一个示例性实施方式示出的一种电源模块的制作方法的流程示意图；
图34是根据第二个示例性实施方式示出的一种电源模块的制作方法的流程示意图；
图35是根据第二个示例性实施方式示出的一种电源模块的制作方法得到的电源模块的结构示意图；
图36是根据第一个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图37是根据第一个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的结构示意图；
图38是根据第二个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图39是根据第三个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图40是根据第四个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图41是根据第五个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图42是根据第六个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图43是根据第七个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图44是根据第七个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的结构示意图；
图45是根据第八个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的结构示意图；
图46是根据第八个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图47是根据第九个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图48是根据第十个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的分解结构示意图；
图49是根据第十个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的结构示意图；
图50是根据第十一个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的第二个视角的结构示意图；
图51是根据第十二个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的结构示意图；
图52是根据第十三个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的第二个视角的结构示意图；
图53是根据第十四个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的结构示意图；
图54是根据第十五个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的结构示意图；
图55是根据第十六个示例性实施方式示出的一种多相反耦合电感的结构示意图；
图56是图55中的A-A处的剖面结构示意图；
图57是一种多相Buck电路原理图；
图58是一种多相Boost电路原理图；
图59是一种多相并联四开关Buck/Boost电路原理图；
图60是一种多相并联Buck/Boost电路原理图；
图61是根据一个示例性实施方式示出的一种供电系统的结构示意图。
附图标记说明如下：
10、绕组；20、磁芯；21、第一磁芯；212、第一公共磁柱；213、第一横向磁柱；214、第三横向磁柱；22、第二磁芯；222、第二公共磁柱；223、第二横向磁柱；224、第四横向磁柱；23、磁芯立柱；24、封闭区域；25、导电板；42、导电过孔；
1、反耦合电感；2、半桥模块；2’、芯片；3、半桥电路区域；4、控制区域；50、布线层；51、控制器；52、电容；53、电阻；54、封装层；55、导电过孔；56、竖直导电线路；561、输入正导电线路；562、输入负导电线路；57、输入正极引脚；571、第一导电层；572、过孔；58、输入负极引脚；581、第二导电层；59、信号导电线路；60、电容层；61、焊点；62、导电线路模块；64、绝缘材料层；65、铜块；66、电路板；661、凹槽；67、导接部；68、隔离板；71、连接引脚；72、输出正极引脚；73、焊盘；74、晶圆；75、第一磁材料层；76、第一隔离层；77、通孔；78、第二磁材料层；79、第二隔离层；80、导电过孔；81、绝缘封装料；82、切割线；100、电源模块；110、系统电路板；120、负载。
具体实施方式
体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。
在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构，系统和步骤。应理解的是，可以使用部件，结构，示例性装置，系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”，“之间”，“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。
本发明的一个实施例提供了一种电源模块，请参考图1至图32，电源模块包括反耦合电感1和设置在反耦合电感1上的多个半桥模块2，反耦合电感1包括：多个绕组10，多个绕组10在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，且垂直于第一平面或第二平面，其中，第一平面与第二平面平行；并且绕组10为单匝，各绕组10中的电流流向相同；各绕组10中的电流流向相同，即，各个绕组10中的电流均由第一平面流向第二平面，或者均由第二平面流向第一平面。进一步的，如图2所示，反耦合电感1还包括：磁芯20，磁芯20包括第一磁芯21、第二磁芯22以及磁芯立柱23，第一磁芯21和第二磁芯22分别位于绕组10的两端，磁芯立柱23连接第一磁芯21和第二磁芯22，磁芯立柱23为多个，且与第一磁芯21和第二磁芯22形成多个磁芯单元，磁芯单元与绕组10对应设置，多个磁芯单元均沿相同方向从第一平面环绕对应的绕组10延伸至第二平面，多个磁芯单元在垂直于绕组10的第一平面上的投影围成多个封闭区域24，封闭区域24与绕组10一一对应地设置；其中，半桥模块2与绕组10一一对应地相连接，且每一半桥模块2桥臂的中点(如图57中的SW点)与相应的绕组10的第一端电性耦接。半桥模块2一般由两个开关形成半桥电路，两个开关的连接点处(即中点)为SW端，可以与反耦合电感1的绕组10的一端电连接。
在一个实施例中，绕组10可以通过多个过孔共同进行电流传输，或者绕组10由多个绕线并联构成，但等效还是作为一个绕组10。本案不以此为限。并且多个半桥模块2均设置反耦合电感1的上侧或下侧。
进一步的，在一个实施例中，半桥模块2中桥臂的中点与相应的绕组10在第一平面上的垂直投影至少部分重叠，以此保证每一半桥模块2中桥臂的中点与相应的绕组10的第一端电性耦接，使得半桥模块2中桥臂的中点输出路径最短，进一步减小损耗。
本发明一个实施例的电源模块通过反耦合电感1和多个半桥模块2能够实现多相反耦合并联供电，且由磁芯20和绕组10组成的反耦合电感1结构较为简单，电源模块中的反耦合电感1的绕组10竖直且短，输出路径短，损耗小，体积小，竖直方向散热好，结构简洁紧凑，功率密度高，工艺性好。反耦合电感1可以实现动态感量与静态感量的分离，同一个电感可以实现在动态时更小的感量，提升响应速度，而在静态时增大感量，实现更小的纹波电流，兼顾动态响应能力和静态纹波小的特点。另外，还可以通过磁集成和磁通反向的抵消作用来减小体积，或提升效率。且如多于2相的多相反耦合电感可以进一步提升系统的效率，减小体积和提升动态性能，并可以进一步减少供电模块输出电容的需求数量。
在一个实施例中，半桥模块2分别设置在各自的芯片中，或者多个半桥模块2集成在一个芯片中。例如，在一些实施例中，电源模块包含反耦合电感1及设置在反耦合电感1上表面的芯片，芯片形成至少两相半桥电路(或者芯片中设置有两个半桥模块2)，半桥电路的中点分别与反耦合电感1的相应绕组10的第一端连接。以图2所示的反耦合电感为例，可以认为每个绕组10都被磁芯单元以相同方向从反耦合电感1下表面环绕延伸到反耦合电感1上表面。例如图2中的双点划线示意了最左侧磁芯单元。其中，例如三个磁芯单元，所有磁芯单元的第一端在反耦合电感1的下表面连接在一起，所有磁芯单元的第二端在反耦合电感1的上表面连接在一起，每一磁芯单元的第一端与第二端在水平面的竖直投影有重叠区域，且每一磁芯单元的第一端与第二端彼此间隔。进一步的，三个半桥模块2可以设置于反耦合电感的上表面，并且半桥模块2中半桥桥臂的中点分别与反耦合电感1的相应绕组10的第一端电连接。
在一个实施例中，如图1所示，电源模块还包括：布线层50，布线层50设置在反耦合电感1和半桥模块2之间。布线层50用于连接半桥模块2的各端子到整个电源模块的对外连接引脚，例如连接输入、输出引脚、控制信号引脚、各个参数采样信号引脚等。进一步的，布线层50用于连接半桥模块2中桥臂的中点SW与反耦合电感1相应的绕组10的第一端。例如，布线层50上设置有多个导接部67，导接部67的一端电性连接相应半桥模块2中桥臂的中点，导接部67的另一端连接相应绕组10的第一端。导接部67可以通过过孔等形成，本申请对比不做限定。布线层50可以采用多种方式实现，例如可以是在半桥模块2上形成的金属化层或再布线层(RDL)，也可以是在反耦合电感1的上表面形成的金属化层，还可以采用印刷电路板(PCB)。另外还可以在电源模块的侧表面设置竖直导电线路56连接电源模块的对外连接的引脚与布线层50中相应的导电线路，如此可以减小电路连接占用的体积。
在一个实施例中，如图3和图4所示，图3中电源模块的反耦合电感1为多个绕组10(如3个)沿直线排列的结构，3个芯片2’(或者半桥模块2)沿直线排列分别与对应的绕组10对应堆叠设置。图4为图3沿G-G的剖视图，采用此结构可以在图3所示的左侧设置竖直导电线路56，例如可以设置输入正导电线路561和输入负导电线路562，输入正导电线路561和输入负导电线路562在电源模块的下表面形成输入正极引脚57和输入负极引脚58；并且该结构可以方便的在电源模块的右侧设置用电负载120。
如图5所示，为本申请一实施例电源模块的俯视图，其中该电源模块包括两相反耦合电感，两个半桥模块2设置于反耦合电感的上表面。半桥模块2分别与两相反耦合电感1的绕组10对应设置。进一步的，半桥模块2与绕组10投影交叠，此设置使得各半桥电路的中点的输出路径短，且结构紧凑。图6是图5中沿B-B的剖视图。其中，半桥模块2中桥臂的中点SW通过布线层50中的导接部67与绕组10连接。在该实施例中，半桥模块2中桥臂的中点SW与绕组直接直线对应连接，使得各半桥电路的中点的输出路径最短，且结构最为紧凑。
在一些实施例中，电源模块还可以设置多个反耦合电路。图7示意还可以在同一个电源模块中设置2个两相反耦合的电路，进一步的，电源模块还包括，两个芯片2’，每个芯片2’均具有四个开关形成两个半桥电路，每个芯片2’与反耦合电感1均形成两相反耦合电路，且两个芯片2’都可以设置在同一个布线层50的上表面，两个反耦合电感1都设置在布线层50的下表面，形成具有多个反耦合电路的电源模块。
在一个实施例中，反耦合电感1为三相反耦合电感，三个绕组10呈阵列式分布，三个绕组10的阵列式分布为等边三角形排布或直角三角形排布，并且在电源模块中形成预留空间(即在矩形电源模块的占地面积(footprint)空间内反耦合电感没有占有的空间)；其中，电源模块还包括：控制器51和外围电子器件，设置于预留空间内；其中，外围电子器件可以位于布线层50的一侧，控制器51可以位于布线层50的另一侧。电源模块在集成有反耦合电感和半桥模块2的基础上还可以集成有控制器51以及其他外围电子器件，且各个部件之间的空间排布较为合理。
如图8和图9所示，图9是图8中D-D处的剖面结构示意图，其中，电源模块是一种三相反耦合电源模块，三相反耦合电感成类似于等边三角状分布，包括被动元件，例如反耦合电感1和布线层50，反耦合电感1包括磁芯20和绕组10。芯片2’中包括6个开关，形成了3个半桥电路，每个半桥电路的中点分别与相应的绕组10对应电连接，最佳的每个半桥电路的中点分别与相应的绕组10在电源模块上表面的投影交叠。其中，三个绕组10的阵列式分布为等边三角形排布，3个反耦合电感1之间的耦合均衡一致，可提升多相反耦合电源模块的输出性能，动态性能和效率，并利于提升功率密度。
在一个实施例中，如图10至图13所示，电源模块是一种3相反耦合电源模块，磁芯20呈L型阵列排列，图10中的左上角位置可以腾出空间(即预留空间)，例如可以用于设置控制器51和其他的器件，如电容52或电阻53等。如图11所示，控制器51可以设置在布线层50的下侧，即控制器51与反耦合电感设置在一侧，在布线层50对应控制器51的上方区域可以设置控制器的外围器件，如电容52和电阻53，当然也可以设置各芯片2’的外围器件，如电容或电阻等器件。当然图10和11中示意的实施方案中，也可以将控制器51设置在布线层50的上侧，如图12所示，具体可以根据应用调整，总体上采用如此的布局可以提升多相电源模块(如3相)的功率密度，并能很好的集成控制器或其他的电路，如电流采样电路或通讯电路等。
在一些实施例中，预留空间中还可以设置竖直导电线路56，如图10和图11所示，在此区域设置竖直导电线路56可以用于作为芯片2’的输出线路，如此可以让各芯片2’的输入回路更短和一致性更好。在一些实施例中，竖直导电线路56可以包括输入正导电线路561和输入负导电线路562(Vin导电线路和GND导电线路)以及信号导电线路59。
进一步的，在一些实施例中，图13中所示的芯片2’还可以集成半桥电路和驱动电路，例如在芯片2’中设置有半桥电路区域和驱动区域，其中，半桥电路区域可以与磁芯20对应，驱动区域可以与预留空间对应。驱动区域中设置半桥电路的驱动电路或信号处理电路等，半桥电路区域中的半桥电路的中点与对应的绕组10电连接，如此可以形成更加紧凑的结构，可以在驱动区域对应的布线层50的下侧设置其他器件，如电容52或电阻53等。
进一步的，在一些实施例中，还可以对布线层50的下表面侧采用绝缘封装料进行封装，以形成封装层54，提升整体结构的稳固性和强度，并利于保护反耦合电感1和电容52和电阻53等。另外还可以在绝缘封装料加工导电过孔55，导电过孔55直接形成了反耦合电感1的绕组10，导电过孔55上端通过布线层与半桥电路区域的半桥电路中点电连接，导电过孔55的另一端(下端)在电源模块的下表面引出，可以作为电源模块的输出引脚。如此的方式可利于简化反耦合电感结构，利于提升电源模块的功率密度。
在一些实施例中，绝缘封装料中还可以设置竖直导电线路56，具体的，绝缘封装料中还可以设置输入正导电线路561和输入负导电线路562(Vin导电线路和GND导电线路)，输入正导电线路561与输入负导电线路562同心嵌套设置，输入正导电线路561和输入负导电线路562之间保持绝缘，例如两者之间设置绝缘材料或者直接通过绝缘封装料进行绝缘。输入正导电线路561可以用于输入回路的连接，输入负导电线路562可以连接电路的负极，如此的结构可以让输入正导电线路561不容易受到附近的反耦合电感1的干扰，提升电源模块的稳定性和可靠性。当然，竖直导电线路56还可以作为信号导电线路，本申请对此不做限定。总体上，本发明的电源模块的芯片2’可以根据实际应用灵活配置。当然，对于布线层50的上表面也可以进行封装。
在一个实施例中，如图14至图16示意了一种3x3阵列排列的电源模块。图14是电源模块的剖面结构视示意图，其中，布线层50包括第一导电层571和第二导电层581，例如作为输入回路Vin层或GND层，第一导电层571通过输入正导电线路561与输入正极引脚57相连接，第二导电层581通过输入负导电线路562与输入负极引脚58相连接。图15示意了第一导电层571或第二导电层581，第一导电层571或者第二导电层581都可以分别采用整层导电线路，并在整层的第一导电层571以及第二导电层581中间设置过孔572以避让各相半桥电路中点与相应绕组10的电连接的导接部67。图16所述为电源模块的仰视图，绕组10的第二端例如可以直接在电源模块的下表面通过多个焊盘直接引出输出正极引脚72(例如图中的Vo1-Vo9)，当然也可以将Vo1到Vo9电连接在一起，通过一个焊盘形成一个大的输出正极引脚(例如直接形成一个大的Vo)。
进一步的，如图16所示，输入正极引脚57和输入负极引脚58(输入正导电线路561、输入负导电线路562)以及信号导电线路59可以设置在电源模块周边侧边，并且与布线层50中相应的导电线路电连接。在一个实施例中，例如，该些引脚或者导电过孔可以采用邮票孔方式连接，当然也可以采用竖直的导电过孔，即不再电源模块的侧面外露。另外输入正极引脚57和输入负极引脚58(输入正导电线路561、输入负导电线路562)的设置还可以是交错排列。采用大面积铺铜的结构可以通过增加Vin导电线路或GND导电线路的导电面积，从而降低阻抗，减少损耗；并通过交错排列设置Vin导电线路和GND导电线路可以进一步降低输入回路的寄生电感，利于提升电源模块的高频性能。而且采用此结构简单紧凑，功率密度高。
在一个实施例中，电源模块还包括电容层60，电容层60设置在反耦合电感1远离芯片2’的一侧。如图17所示，在反耦合电感1的下方设置电容层60，电容层60内包括多个电容52，例如电容52作为电源模块的输出电容Co，并且电容52与绕组10形成的输出正极引脚72连接。当然在其他实施例中，电容52还可以作为输入回路的输入电容Cin。图18示意电容层60还可以为整层式结构，并设置多个端子与电源模块的输入或输出引脚对应连接，采用如此的电容层可以实现更加紧凑的结构，或者实现更大的电容值。另外图18中示意还可以在布线层50的上侧采用绝缘封装料将芯片2’与电容52等进行封装，以形成封装层54，提升模块的可靠性和方便上表面设置散热器，利于散热。图18还示意在电源模块的侧边设置竖直导电线路56，实现电容层60与布线层50中的相应导电线路的电连接，当然竖直导电线路56也可以用于连接电源模块的对外引脚。
在一个实施例中，如图19示意布线层50可以采用印刷电路板(PCB)，并在其上表面设置半桥模块2，或电容等外围器件。在布线层50的下表面设置反耦合电感1，例如反耦合电感1各绕组10的上端通过焊点61与布线层50下表面对应的焊盘焊接，还可以在反耦合电感1的旁边设置导电线路模块62，导电线路模块62包括竖直导电线路56，在一个导电线路模块62内还可形成多个竖直导电线路56，多个竖直导电线路56之间由绝缘材料层64间隔，例如此竖直导电线路56可以作为Vin导电线路或GND导电线路，或信号线路等，导电线路模块62也可以通过焊点61与布线层50焊接。在一个实施例中，还可以设置铜块65，铜块65也可以通过焊点61与布线层50连接。当然还可以在反耦合电感1旁边的空隙位置设置其他器件，如电容52等。此结构简单，容易制作，主要采用常规的SMT和回流焊等制程，利于降低成本。
在一个实施例中，如图20所示，还可以将半桥模块2或者芯片2’内埋到布线层50内，便于多个芯片2’之间的互联，提升结构的紧凑性，还可在芯片2’之间设置电容52，例如作为输入电容Cin，多个半桥电路可以共用此电容52，便于让多个半桥电路之间的输入回路的电路降低纹波。另外，图20还示意采用异型电路板66，如图21示意了异型电路板结构的剖视图，图22中示意了图21的一种立体示意图，在异型电路板66上设置凹槽661和凸起结构，在异型电路板66的凹槽661内设置磁芯20，凸起结构穿过磁芯20形成的磁芯单元。在凸起结构中设置导电过孔42，导电过孔42直接形成了反耦合电感1的绕组10。异型电路板66与布线层50通过焊点61连接成一体，如图20所示，实现布线层50与绕组10的电连接。在一个实施例中，导电过孔42内可以设置竖直导电线路56，可以用于输入回路或信号的电连接。如此结构紧凑简洁，电源模块可以直接在异型电路板66的下表面引出引脚，引脚的共面性容易实现，且制造成本低。
在一个实施例中，如图23至图28示意了一种四相反耦合电源模块结构示意图，图23为四相反耦合电源模块的爆炸图，图24为四相反耦合电源模块装配图，图25至26为电源模块不同角度的立体示意图，图27示意了电源模块的底视图。如图23所示，布线层50上设置有四个半桥模块2，反耦合电感1包括第一磁芯21、第二磁芯22、4个绕组10以及隔离板68。反耦合电感1为2x2阵列排列，结构对称，且磁路短，磁路对称，利于提升电源模块的效率和动态性能。隔离板68装配第一磁芯21、第二磁芯22绕以及绕组10，形成如图24所示的反耦合电感1。隔离板68采用类似图21中的异型电路板66，隔离板68在上下表面都有凸起结构与磁芯匹配。另外还可以用绝缘封装料81将反耦合电感进行封装，如图26和图27所示。进一步的，隔离板68内或者绝缘封装料81内可以设置竖直导电线路56。竖直导电线路56在隔离板68或者的绝缘封装料81的下表面形成焊盘作为电源模块的对外连接引脚71，其中，相邻两个连接引脚71可以是同心环套设结构，即竖直导电线路56可以同心套设，利于提升位于中间的连接引脚71的电连接线路的抗干扰性能。进一步的，反耦合电感1的绕组10的第二端可以直接通过焊盘在下表面形成输出正极引脚72(输出引脚Vo)。由于反耦合电感1的外侧也为圆弧状，则可以在电源模块的4个角的区域设置器件或竖直导电线路56，例如图27中的设置连接引脚71。如此提供电源模块各部分的空间利用率，提升功率密度。
在一个实施例中，如图29和图30示意了一种四相反耦合电源模块。电源模块可以采用一个芯片2’，芯片2’中包括四相半桥模块2，每个半桥模块2中桥臂的中点与反耦合电感1的对应绕组10电连接。如图29中还示意半桥模块2具有一个电路区域3和一个控制区域4，即半桥电路的控制回路为相应的分布式排布，可提升各半桥电路的响应和开关特性的一致性，利于提升电源模块的功率，效率和动态性能。而且各个分布式排列的控制区域4可以设置在芯片2’相对半桥电路的外侧位置，可以让信号线路更加方便的连接到芯片2’对应的控制回路上，既方便设计，也利于降低信号回路被反耦合电感干扰的程度。图30还示意绕组10的第二端在电源模块的下表面具有四个输出正极引脚72(Vo1-Vo4)，四个输出正极引脚72可以形成短接成一个大的焊盘73，方便应用，降低传导损耗。同样的，电源模块的四周设置竖直导电线路56，例如通过交错排列设置Vin导电线路和GND导电线路可以进一步降低输入回路的寄生电感，利于提升电源模块的高频性能。而且采用此结构简单紧凑，功率密度高。
在一个实施例中，如图31和图32示意一种3x3的多相反耦合电源模块结构示意图。图31示意芯片2’(如图中的虚线示意)可内埋于布线层50内，在上表面还可以设置其他器件，如电容52和电阻53等。在其他一些实施例中，芯片2’还可设置在布线层50的上方，每个芯片2’的周围可以设置外围器件(如电容52和/或电阻53)，当然这些外围器件可设置在布线层50上方与芯片2’堆叠或围绕芯片2’设置，或设置在布线层朝向电感一侧。进一步的，还可以采用绝缘封装料进行封装，形成封装层54。同样的，在电源模块的侧面可以设置竖直导电线路56，例如采用邮票孔的形式，进行竖直方向的电路连接。导电线路Vin和导电线路GND可以在电源模块的周边排布，或交错排布，或均匀排布，采用如此的输入回路的结构可以大幅提升多相阵列排列的半桥电路之间输入回路的输入阻抗一致性，例如9个芯片2’中最中间的那个芯片2’虽然没有靠近电源模块的侧边，使得侧边的导电线路Vin或导电线路GND到其的距离较远，但其到四周的距离的总和与靠近侧边的其他8个芯片2’到四周的距离的总和大体相当，使得各个芯片2’的输入回路的阻抗可以做到一致。如此可进一步提升多相并联的效率和动态性能。
本申请对磁芯形状并不做限定，在一个实施例中，第一磁芯21和第二磁芯22均为类E型磁芯结构，如图2所示，或图45到图49所示的磁芯结构。
本发明的一个实施例还提供了一种电源模块的制作方法，包括：提供多个半桥模块2；提供多个绕组10，多个绕组10在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，且垂直于第一平面或第二平面，多个绕组10均为单匝，第一平面与第二平面平行；提供磁芯20，磁芯20包括第一磁芯21、第二磁芯22以及磁芯立柱23，第一磁芯21和第二磁芯22分别位于绕组10的两端，磁芯立柱23连接第一磁芯21和第二磁芯22，磁芯立柱23为多个，且与第一磁芯21和第二磁芯22形成多个磁芯单元，磁芯单元与绕组10对应设置，多个磁芯单元均沿相同方向从第一平面环绕对应的绕组10延伸至第二平面，多个磁芯单元在垂直于绕组10的第一平面上的投影围成多个封闭区域24，封闭区域24与绕组10一一相对应地设置；其中，半桥模块2与绕组10一一对应地相连接，且每一半桥模块2中桥臂的中点与相应的绕组10的第一端电性耦接。
在一个实施例中，多个绕组10与磁芯20形成反耦合电感1，制作方法还包括：将多个反耦合电感1配置成为电感连片；在电感连片上形成布线层50；将半桥模块2设置在布线层50上；采用绝缘封装料81进行封装。
在一个实施例中，图33示意一种电源模块的制作工艺，步骤1，如图33(a)所示，可以将多个反耦合电感1形成电感连片(panel)；步骤2，如图33(b)所示，在电感连片上形成布线层50；在一些实施例中，可以在绝缘封装料81中设置导电过孔形成竖直导电线路；步骤3，如图33(c)所示，在布线层50上焊接芯片(或者设置半桥模块2)；步骤4，如图33(d)所示，此为可选步骤，还可以采用绝缘封装料81将芯片进行封装；步骤5，如图33(e)所示，在切割线82的位置将连片(panel)进行切割，形成电源模块，如前述各实施例所示。此工艺可连片批量生产，成本低；而且制程简单，良率高。
在一个实施例中，图34示意另一种电源模块的制作工艺，步骤1，如图34(a)所示，在晶圆74(wafer)上形成布线层50；步骤2，如图34(b)所示，在布线层50上形成第一磁材料层75；步骤3，如图34(c)所示，在第一磁材料层75上形成第一隔离层76；步骤4，如图34(d)所示，在第一隔离层76上设置通孔77，以露出部分的第一磁材料层75；步骤5，如图34(e)所示，在第一隔离层76上设置第二磁材料层78，并且在第一磁材料层75与第二磁材料层78之间的通孔77内也设置有磁材料，将第一磁材料层75与第二磁材料层78进行磁路连接；步骤6，如图34(f)所示，此步骤为可选步骤，还可能在第二磁材料层78上设置第二隔离层79；步骤7，如图34(g)所示，设置导电过孔80，贯穿第一磁材料层75与第二磁材料层78，上端与布线层50的导电线路电连接，其中部分的导电过孔80可以作为反耦合电感的绕组，部分的导电过孔80可以作为输入回路或信号的导电线路；另外，在步骤7中，还可以进一步集成电容层60，该步骤为一可选步骤，如图34(h)所示；步骤8，沿如图34(i)以及图35所示的切割线82切割后可以形成电源模块100。其中，第一磁材料层75或第二磁材料层78可以通过多种方式实现，例如设置预制好的磁芯板材或薄膜，也可以是在布线层50上印刷的方式形成，另外也可以是溅射的方式形成，或者其他的方式。基于晶圆(wafer)的方式进行生产可简化后续制程，降低成本，提升良率；用此工艺方法还可实现更小感量，或更多或更密集的分布式电感排布的电源模块，更适合超高频的电源模块应用。
本发明的一个实施例还提供了一种多相反耦合电感，如图36至图44所示，包括两个绕组10，每一绕组10沿竖直方向延伸；以及磁芯20，磁芯20包括2个磁芯单元，2个磁芯单元与2个绕组10一一对应，每一磁芯单元沿相同方向从第一端环绕对应的绕组10延伸至第二端，如图37中的带有箭头的双点划线所示意。图36和图37示意的2相反耦合电感包括“S”状的第一磁芯21和第二磁芯22、磁芯立柱23以及绕组10，绕组10的截面形状为圆形。绕组10的轴线与第一磁芯21的上表面或第二磁芯22的下表面垂直。第一磁芯21和第二磁芯22的两端通过两个磁芯立柱23连接，其中一个磁芯立柱23的一端与第一磁芯21的一端连接，另一端与第二磁芯22的一端连接，另一个磁芯立柱23的一端与第一磁芯21的一端连接，另一端与第二磁芯22的一端连接，2个绕组10分别被第一磁芯21和第二磁芯22以及两个磁芯立柱23包围。还可以在磁芯立柱23与第一磁芯21或第二磁芯22的连接处设置气隙调节感量，还可以通过调节第一磁芯21和第二磁芯22之间的间隔距离来调节2相反耦合电感的耦合系统。此电感的磁芯各部分结构简单，都是平面型结构，且都具有很好的对称性，利于磁芯成型和烧结过程中磁芯的变形小，利于提升电感的制作精度和良率。另外第一磁芯21和第二磁芯22的形状和尺寸可以完全相同，只需要制作一个模具来制作第一磁芯21和第二磁芯22即可，利于降低成本。图38示意还可以将磁芯立柱23与第二磁芯22集成上形成一个磁芯零件，如此可以减少磁芯零部件数量，简化装配制程。图39示意还可以将图37中的磁芯立柱23分成两半分别集成到第一磁芯21的两端和第二磁芯22的两端上，如此设置使得第一磁芯21和第二磁芯22为完全相同的零件，只需要制作一个模具来制作第一磁芯21和第二磁芯22，即整个电感的磁芯仅需要制作一个模具即可，可进一步降低成本。图40示意可预先制作图示的磁芯结构体，将制作好的第一磁芯21和第二磁芯22预先装配好后，再装入绕组10，即将绕组10插入磁芯20中即可形成2相反耦合电感，此方式更适合粉芯电感材料的制作，当然也可以是铁氧体材料。图41至图44示意“S”形状的第一磁芯21和第二磁芯22可以为直角折弯形式的，此时绕组10的截面也可以是矩形的，与磁芯紧密配合，如此的结构可以让电感的外形更加方正，另外第一磁芯21和第二磁芯22之间还可以设置气隙来调节感量或饱和电流等特性，当然也可以通过调节第一磁芯21和第二磁芯22中间的间隔距离来调节2相反耦合电感的耦合系数。
在一个实施例中，反耦合电感可应用于上述的电源模块中。
本发明的一个实施例还提供了一种多相反耦合电感，如图45至图49所示，其示意了一种3相反耦合电感结构，电感包括第一磁芯21、第二磁芯22、磁芯立柱23以及绕组10，绕组10的轴线与第一磁芯21的上表面或第二磁芯22的下表面垂直。第一磁芯21和第二磁芯22为完全相同的零件，都是类似“E”型的磁芯，每个磁芯立柱23的一端与第一磁芯21对应的横柱端面连接，另一端与第二磁芯22对应的横柱端面连接。3个绕组10沿直线排列并分别被第一磁芯21、第二磁芯22和磁芯立柱23包围设置。如图45和图46所示，第一磁芯21包括第一公共磁柱212，在第一公共磁柱212上垂直引出多个第一横向磁柱213；第二磁芯22包括第二公共磁柱222，在第二公共磁柱222上垂直引出多个第二横向磁柱223，磁芯立柱23分别与第一横向磁柱213和第二横向磁柱223对应设置，分别连接形成磁路。如图47至图49所示，第一磁芯21包括第一公共磁柱212，在第一公共磁柱212上垂直引出多个第一横向磁柱213，在多个第一横向磁柱213上垂直引出多个第三横向磁柱214；第二磁芯22包括第二公共磁柱222，在第二公共磁柱222上垂直引出多个第二横向磁柱223，在多个第二横向磁柱223上垂直引出多个第四横向磁柱224，磁芯立柱23分别与第三横向磁柱214和第四横向磁柱224对应设置，分别连接形成磁路。
在一个实施例中，反耦合电感可应用于上的电源模块中。
本发明的一个实施例还提供了一种多相耦合电感。如图50和图51所示，多相耦合电感包括绕组10和磁芯20。绕组10为至少三个，至少三个绕组10在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，且呈阵列式分布，第一平面与第二平面平行；磁芯20包括第一磁芯21、第二磁芯22以及磁芯立柱23，第一磁芯21和第二磁芯22分别位于绕组10的两端，磁芯立柱23连接第一磁芯21和第二磁芯22，磁芯立柱23为至少三个，且与第一磁芯21和第二磁芯22形成至少三个磁芯单元，磁芯单元与绕组10一一相对应地设置，至少三个磁芯单元均沿相同方向从第一平面环绕对应的绕组10延伸至第二平面；其中，至少三个磁芯单元在垂直于绕组10的第一平面上的投影围成至少三个封闭区域24，封闭区域24与绕组10一一相对应地设置。
本申请的多相耦合电感可以为三相耦合电感或三相以上的任一相耦合电感。如图52所示，其中的多相耦合电感为四相耦合电感。多相耦合电感中的绕组10呈阵列式分布，即绕组10排布成多行多列，而非全部沿直线排布，可缩短电感之间的磁路，使各相电感之间的耦合强度和各相电感的感量更均衡一致。绕组10均采用直线型绕组，各绕组10均为单匝且竖直设置，使绕组10的路径较短，适用于堆叠式电源模，且利于提升电源模块的效率和沿竖直方向散热。绕组10和磁芯20的结构简单紧凑，具有更小的footprint(占地面积)。
在一些实施例中，多相耦合电感还可以包括导电板25，绕组10均连接于导电板25上。如图53所示，四个绕组10的下端均连接于导电板25上，导电板25可作为整个多相耦合电感的公共输出端，以方便多相耦合电感与其他电子器件的电连接，便于各种实际应用。
在一个实施例中，如图54所示，其中的多相耦合电感为六相耦合电感，磁芯20包括第一磁芯21、第二磁芯22和六对磁芯立柱23，六个绕组10呈环形阵列式分布。第一磁芯21和第二磁芯22均包括位于中间的连接部和自该连接部向外延伸的六个分支，第一磁芯21的六个分支与第二磁芯22的六个分支一一相对应地通过磁芯立柱23连接在一起。第一磁芯21和第二磁芯22的六个分支的端部上都设置凸起结构作为磁芯立柱23，第一磁芯21和位于其端部的六个磁芯立柱23一体成型的上部件、与第二磁芯22和位于其端部的六个磁芯立柱23一体成型的下部件形状相同。
在一个实施例中，如图55和图56所示，第一磁芯21包括直线柱状的第一连接部和自该第一连接部向外延伸的六个分支，其中三个分支向第一连接部的左侧延伸，另外三个分支向第一连接部的右侧延伸；第二磁芯22包括直线柱状的第二连接部和自该第二连接部向外延伸的六个分支，其中三个分支向第二连接部的左侧延伸，另外三个分支向第二连接部的右侧延伸。第一磁芯21的六个分支和第二磁芯22的六个分支一一相对应地通过磁芯立柱23连接，第一磁芯21、第二磁芯22和磁芯立柱形成六个磁芯单元，六个磁芯单元一一相对应地环绕六个绕组10。这种连接方式使得连接磁柱的长度更短，更利于减少磁芯损耗。其中，流经每个绕组10的电流方向均可为由上向下，各绕组10之间均为反耦合。图55中为了显示方便，将第一连接部和第二连接部错开绘制。实际如图56中上下重叠，结构紧凑。在一个实施例中，多相耦合电感可应用于上述的电源模块。
图57至图60示出了多相耦合电感在一些电路中的应用，该多相耦合电感可以采用上述实施例中的结构。图57示意了一种Buck电路(降压式变换电路)，图58示意了一种Boost电路(升压式变换器)，图59示意了一种多相并联四开关Buck-Boost电路(降压-升压式变换器)，图60示意了一种多相并联的Buck-Boost电路并联的原理示意图。其中Ln表示多相耦合电感，Cin表示输入电容，Co表示输出电容，Vin表示半桥电路的输入正极，GND表示半桥电路的输入负极，Vo表示半桥电路的输出正极，SW表示半桥电路的中点，V1表示与Vo具有不同输出电压的半桥电路的输出正极。值得说明的是，本申请的多相耦合电感并不限于应用在这些电路，也可以用于其他的电路拓扑中，例如Cuk电路、flyback电路、switch capacitor电路或LLC电路等。
本发明的一个实施例还提供了一种供电系统，包括：上述的电源模块；系统电路板110；负载120，负载120设置于系统电路板110的第一面上；其中，电源模块设置于系统电路板110的第一面，并且位于负载120的周围；和/或，电源模块设置于系统电路板110的第二面，并且在平面上的投影至少部分与负载120重叠。
在一个实施例中，如图61所示，系统电路板110的上下两侧分别设置有电源模块100，其中一个电源模块100与负载120在系统电路板110的同一侧，电源模块100的输出Vo经系统电路板110传输给用电负载120，且每相到用电负载120的距离可以做到一致，利于提升多相并联供电的效率和动态。其中，用电负载120可以是CPU或GPU，或其他智能芯片。另一电源模块100与负载120设置在系统电路板110的不同侧，并且在平面上的投影至少部分与负载120重叠，使得供电路径垂直并且短，利于提升多相并联供电的效率和动态。
本发明的电源模块在实现反耦合且绕组单匝竖直的情况下，芯片可以设置在反耦合电感的同一侧，例如都设置在反耦合电感上表面的位置，并可实现更高的功率密度，更高效率；而且还可以实现各相反耦合一致性更好的电源模块，另外由于反耦合电感的绕组单匝竖直，路径短，利于电源模块竖直方向的散热。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和示例实施方式仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (26)

1.一种电源模块，其特征在于，包括反耦合电感(1)和设置在所述反耦合电感(1)上的多个半桥模块(2)，所述反耦合电感(1)包括：
多个绕组(10)，多个所述绕组(10)在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，且垂直于所述第一平面或所述第二平面，所述绕组(10)为单匝，各绕组(10)中的电流流向相同；所述第一平面与所述第二平面平行；
磁芯(20)，所述磁芯(20)包括第一磁芯(21)、第二磁芯(22)以及磁芯立柱(23)，所述第一磁芯(21)和第二磁芯(22)分别位于所述绕组(10)的两端，所述磁芯立柱(23)连接所述第一磁芯(21)和所述第二磁芯(22)，所述磁芯立柱(23)为多个，且与所述第一磁芯(21)和所述第二磁芯(22)形成多个磁芯单元，所述磁芯单元与所述绕组(10)对应设置，多个所述磁芯单元均沿相同方向从所述第一平面环绕对应的所述绕组(10)延伸至所述第二平面，多个所述磁芯单元在垂直于所述绕组(10)的所述第一平面上的投影围成多个封闭区域(24)，所述封闭区域(24)与所述绕组(10)一一对应地设置；
其中，所述半桥模块(2)与所述绕组(10)一一对应地相连接，且每一所述半桥模块(2)桥臂的中点与相应的所述绕组(10)的第一端电性耦接。
2.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述半桥模块(2)中桥臂的中点与相应的所述绕组(10)在所述第一平面上的垂直投影至少部分重叠。
3.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括：
布线层(50)，所述布线层(50)设置在所述反耦合电感(1)和所述半桥模块(2)之间。
4.根据权利要求3所述的电源模块，其特征在于，所述布线层(50)包括第一导电层(571)和第二导电层(581)，所述第一导电层(571)与输入正极引脚(57)相连接，所述第二导电层(581)与输入负极引脚(58)相连接。
5.根据权利要求4所述的电源模块，其特征在于，所述布线层(50)上设置有多个导接部(67)，所述导接部(67)的一端电性连接相应所述半桥模块(2)中桥臂的中点，所述导接部(67)的另一端连接相应所述绕组(10)的第一端。
6.根据权利要求5所述的电源模块，其特征在于，所述第一导电层(571)和所述第二导电层(581)上均设置有多个过孔(572)，多个所述导接部(67)一一相对应地穿过所述过孔(572)。
7.根据权利要求3所述的电源模块，其特征在于，反耦合电感(1)为三相反耦合电感，三个所述绕组(10)呈阵列式分布，三个所述绕组(10)的阵列式分布为等边三角形排布或直角三角形排布，并且在所述电源模块中形成预留空间；其中，所述电源模块还包括：控制器(51)和外围电子器件，设置于所述预留空间内；
其中，所述外围电子器件位于所述布线层(50)的一侧，所述控制器(51)位于所述布线层(50)的另一侧。
8.根据权利要求7所述的电源模块，其特征在于，所述布线层(50)的至少一侧的所有元件注塑塑封。
9.根据权利要求8所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括：
多个竖直导电线路(56)，所述竖直导电线路(56)实现所述电源模块与外部电路的输入连接、信号连接。
10.根据权利要求9所述的电源模块，其特征在于，所述竖直导电线路(56)设置在所述预留空间内或者所述反耦合电感(1)的外周。
11.根据权利要求10所述的电源模块，其特征在于，所述竖直导电线路(56)包括：输入正导电线路(561)和输入负导电线路(562)，所述输入正导电线路(561)与所述输入负导电线路(562)同心嵌套，并且两者之间绝缘。
12.根据权利要求11所述的电源模块，其特征在于，所述输入正导电线路(561)与所述输入负导电线路(562)通过焊盘分别形成输入正极引脚(57)和输入负极引脚(58)。
13.根据权利要求10所述的电源模块，其特征在于，所述竖直导电线路(56)设置于塑封后的所述磁芯单元的外部。
14.根据权利要求13所述的电源模块，其特征在于，所述竖直导电线路(56)包括：输入正导电线路(561)和输入负导电线路(562)，所述输入正导电线路(561)与所述输入负导电线路(562)交错设置。
15.根据权利要求14所述的电源模块，其特征在于，所述输入正导电线路(561)与所述输入负导电线路(562)通过邮票孔焊盘分别形成输入正极引脚(57)和输入负极引脚(58)。
16.根据权利要求3所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括：
电容层(60)，所述电容层(60)设置在所述反耦合电感(1)远离所述半桥模块(2)的一侧。
17.根据权利要求3所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括：
导电线路模块(62)，所述导电线路模块(62)与所述反耦合电感(1)的相邻设置，所述导电线路模块(62)包括多个竖直导电线路(56)，相邻两个所述竖直导电线路(56)之间绝缘。
18.根据权利要求3所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括：
铜块(65)，所述铜块(65)与所述反耦合电感(1)相邻设置，所述铜块(65)与所述布线层(50)焊接。
19.根据权利要求3所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括：
异型电路板(66)，所述异型电路板(66)与在所述布线层(50)连接；
其中，所述异型电路板(66)上设置有凹槽(661)，所述磁芯(20)设置在所述凹槽(661)内。
20.根据权利要求19所述的电源模块，其特征在于，所述异型电路板(66)内设置多个竖直导电线路(56)，多个所述竖直导电线路(56)中的至少两个竖直导电线路(56)分别穿过各自对应的所述磁芯单元形成所述绕组(10)。
21.根据权利要求1至5中任一项所述的电源模块，其特征在于，
所述绕组(10)的第二端通过焊盘连接在一起形成一个输出正极引脚(72)；或者
所述绕组(10)第二端通过多个焊盘形成多个输出正极引脚(72)。
22.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，
所述第一磁芯(21)和所述第二磁芯(22)均为类E型磁芯结构。
23.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述半桥模块(2)分别设置在各自的芯片中，或者多个所述半桥模块(2)集成在一个芯片中。
24.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，多个所述半桥模块(2)均设置所述反耦合电感(1)的上侧或下侧。
25.一种供电系统，其特征在于，包括：
权利要求1至24中任一项所述的电源模块；系统电路板(110)；
负载(120)，所述负载(120)设置于所述系统电路板(110)的第一面上；
其中，所述电源模块设置于所述系统电路板(110)的第一面，并且位于所述负载(120)的周围；和/或，所述电源模块设置于所述系统电路板(110)的第二面，并且在平面上的投影至少部分与所述负载(120)重叠。
26.一种多相反耦合电感，其特征在于，包括：
两个绕组(10)，所述绕组(10)在第一平面与第二平面之间均为直线型绕组，所述第一平面与所述第二平面平行；
磁芯(20)，所述磁芯(20)包括第一磁芯(21)、第二磁芯(22)以及磁芯立柱(23)，所述第一磁芯(21)和第二磁芯(22)分别位于所述绕组(10)的两端，所述磁芯立柱(23)连接所述第一磁芯(21)和所述第二磁芯(22)，所述磁芯立柱(23)为多个，且与所述第一磁芯(21)和所述第二磁芯(22)形成两个磁芯单元，所述磁芯单元与所述绕组(10)一一相对应地设置，两个所述磁芯单元均沿相同方向从所述第一平面环绕对应的所述绕组(10)延伸至所述第二平面，两个所述磁芯单元在垂直于所述绕组(10)的所述第一平面上的投影围成多个封闭区域(24)，所述封闭区域(24)分别与所述绕组(10)对应设置；
其中，所述第一磁芯(21)和所述第二磁芯(22)均为S型磁芯结构。
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基于反耦合线的宽带带通滤波器设计;黄凯等;《电子元件与材料》;20150430;全文 *

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