CN114464424A - 一种夹层结构的电源模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的夹层结构的电源模块，包括叠放的电感组、PCB板以及功率器件芯片。其中所述电感组包括磁芯和绕组。所述绕组的两端弯折后在PCB板的平面上延展并与PCB板焊接。同时，所述磁芯表面覆盖金属片，用于通过PCB板连接至功率器件芯片的大功率引脚。相比于现有技术中，本发明电源模块能够减少PCB板上的面积，从而改善负载电流/功率密度。并且，本发明电源模块通过电感的引脚(绕组)来传输输出电流，能够减少输出电流回路在PCB板上的走线，避免PCB板走线的高阻抗，从而提高电路效率。此外，本发明功率器件芯片在上，电感组在下的结构可以极大地受益于GPU、CPU和ASIC系统中通常采用的顶部冷却系统。

Description

一种夹层结构的电源模块
技术领域
本发明涉及电子元器件，更具体地说，本发明涉及电源模块结构。
背景技术
通常，功率转换器用于将输入功率转换成具有合适电压和电流的输出功率提供给负载。多相功率转换器包括多个并联且错相工作的功率级，因此其具有输出电压纹波小，瞬态反应快以及对输入电容的额定纹波电流要求低的优点。由于上述优点，多相功率转换器被广泛应用于输出大电流，低电压的应用中，例如服务器，微处理器等。
现代GPU(图形处理器)、CPU(中央处理器)的快速发展，对多相功率转换器的电流能力提出了越来越高的要求。与此同时，这些处理器的体积则越做越小，也就是说，多相功率转换器的体积相应地需要减小。越来越大的电流，越来越小的体积，又使得多相功率转换器的散热遇到了更高的挑战。也就是说，需要有一种高电流密度、高效率并且具有出色的散热能力的功率转换器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有夹层结构的电源模块，所述电源模块将电源电路系统中的电感、功率开关及其驱动器均堆叠集成在一个较小的模块中。
根据本发明一实施例的可用于电源模块的电感组，包括：磁芯，包括第一磁芯部分和第二磁芯部分，其中，所述第一磁芯部分和第二磁芯部分相覆合，并在接合面形成N条通道，其中，N为大于1的整数；以及N个绕组，分别穿过所述磁芯的N条通道，其中每个绕组具有第一端和第二端，所述第一端和第二端弯折后在垂直于绕组长度方向的平面上延展。
根据本发明一实施例的电源模块，包括前述的电感组，还包括：PCB(印刷电路板)顶板，位于电感组之上；以及N个功率器件芯片，位于PCB顶板之上，其中每个功率器件芯片具有至少一个引脚通过PCB顶板电连接至相应的电感组的绕组。
在一个实施例中，前述电源模块还包括：PCB底板，位于电感组之下；以及连接器，连接PCB顶板和PCB底板，其中，所述连接器具有多个金属柱，分别焊接至PCB顶板和PCB底板的相应焊盘。
本发明的具有夹层结构的电源模块具有如下优点：(1)与现有技术中平铺结构的电源模块相比，能够减少PCB板上的面积，从而提高负载电流/功率密度；(2)通过电感的脚(绕组)来传输输出电流，能够减少输出电流回路在PCB板上的走线，避免PCB板走线的高阻抗，从而提高电路效率；以及(3)本发明电源模块的功率器件芯片在上，电感组在下的结构可以极大地受益于GPU、CPU和ASIC系统中通常采用的顶部冷却系统。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1示出了现有的多相功率转换器10的电路结构示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的集成了双相功率转换器的具有夹层结构的电源模块20的示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的电感组30的三维分解图；
图4示出了根据本发明一实施例的电感组40的三维分解图；
图5示出了根据本发明一实施例的电感组50的三维分解图；
图6示出了根据本发明一实施例的磁芯60的结构示意图；
图7示出了根据本发明一实施例的磁芯70的结构示意图。
具体实施方式
在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本发明的实施例提供更好的理解。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况下，本发明的实施例也可以被实现。此外，本文所称“耦接”的含义为直接连接，或通过其他电路元件，间接连接。
下面描述的实施例将以具体的实施器件和应用背景为例对本发明各实施例的器件和工作方式进行阐述，以使本领域技术人员能够更好地理解本发明。然而本领域的技术人员应当理解，这些说明只是示例性的，并不用于限定本发明的范围。
图1示出了现有的多相功率转换器10的电路结构示意图。如图1所示，所述多相功率转换器10包括控制器101，N个功率器件103和N个电感L1，其中N是整数，并且N>1。如图1所示，每个功率级102，也称作每一相102，包括一个功率器件103和一个电感L1。每个功率器件103包括功率开关M1、M2以及用于驱动功率开关M1、M2的驱动器DR1。所述控制器101提供N相控制信号105-1～105-N分别控制N个功率器件103，以控制N相102错相工作，也就是说，N个电感L1依次从输入端汲取能量，并依次提供能量给负载104。应当理解，在图1中，多相功率转换器10的各相输出连接在一起提供能量给负载只是其中一种应用。在其他应用中，多相功率转换器10也可以以多个单相功率转换器的方式工作，也就是说每一相均可以单独连接一个独立负载，并提供不同的输出电压以满足不同负载的需求。
图1所示的具有BUCK拓扑的功率级102仅作示例。本领域普通技术人员应当明白，具有其他拓扑结构的功率级也适用于本发明实施例的多相功率转换器。
在下述本发明实施例中，所述电感L1可以用耦合电感来实现，也可以用N个单电感来实现。
当N＝2时，多相功率转换器10被用作双相功率转换器，或两个独立的功率转换器。
图2示出了根据本发明一实施例的集成了双相功率转换器的具有夹层结构的电源模块20的结构示意图。在图1中，当N＝2时，功率级102可采用电源模块20来实现。所述夹层结构的电源模块20包括：PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)底板201，位于电源模块20的底部；电感组206，位于PCB底板201上，包括两个电感，其中，每个电感具有第一端和第二端；PCB顶板202，位于电感组206上；连接器204，具有多个金属柱205，每个金属柱205分别焊接至PCB顶板202和PCB底板201上相应的焊盘；以及两个功率器件芯片203，位于PCB顶板202的顶部之上，其中，每个功率器件芯片203具有一个或多个引脚，通过PCB顶板202连接至电感组206中的电感的第二端；其中，每个电感具有绕组207，所述绕组207的两端弯折至与绕组207的长度方向相垂直的平面上，并在PCB顶板202和PCB底板201上延展。
在图2中，所述电源模块20进一步包括位于PCB顶板202上的分立器件208。所述分立器件208是一个统称，包括功率转换器10中涉及到的分立电阻、分立电容等，例如功率转换器10输入端用于提供脉冲电流的输入电容、用于给功率开关驱动器和内部逻辑电路供电的滤波电容和电阻等。
在一个实施例中，金属柱205包括铜柱，用于将PCB底板201焊接至PCB顶板202。本领域普通技术人员应当明白，任何可用于电连接两个PCB板的金属柱均可以用于本发明。
电源模块20通常置于处理器的主板上，用于给主板上的器件提供电源。PCB底板201被焊接在主板上，电源模块20的部分引脚通过PCB底板201焊接至主板。在部分实施例中，PCB底板201也可以省略。电源模块20可通过连接器204和电感组206直接焊接至主板。
在本发明中，功率器件芯片叠在电感组之上，如图2所示，从而节省了功率转换器10在PCB板上的面积。每一个功率器件芯片203集成了如图1所示的功率器件103，即包括如图1所示的功率开关M1、M2以及用于驱动功率开关M1、M2的驱动器DR1，以及图1中未示出的与辅助绕组相连接的电路等。功率器件芯片203的引脚焊接至PCB顶板202的焊盘，之后PCB顶板202的焊盘通过电感组206和连接器204，再电连接至PCB底板201的焊盘上。这样，通过PCB底板201，即可与功率器件芯片203电连接。电源模块20还包括金属片209，用于传导如参考地之类的大电流信号。所述金属片209包裹着电感组206的磁芯的部分面积，并同时焊接至PCB顶板202和PCB底板201。所述金属片209的位置取决于功率器件芯片203的接地引脚的位置。在图2实施例中，金属片209主要包裹在电感组206的侧面，其两端弯折，在电感组206的上下表面形成靠近PCB板上相应焊盘的焊接区，从而在水平面，即PCB板的平面上，用大面积的金属片209替代PCB走线走大电流，降低电路损耗，提高电路效率。
图3示出了根据本发明一实施例的电感组30的三维分解图。所述电感组30可用作图2电源模块中的电感组206。如图3所示，所述电感组30包括：磁芯，包括第一磁芯部分301和第二磁芯部分302，其中所述第一磁芯部分301和第二磁芯部分302组合在一起，在两者的接合面形成两通道303-1和303-2；以及绕组304-1和304-2，分别穿过通道303-1和303-2。
在图3实施例中，当电感组30应用于图2所示的电源模块20时，所述通道303-1和303-2平行于PCB底板201和PCB顶板202，即通道303-1和303-2具有沿着如图2所示的轴线A的径向。
在图3实施例中，所述绕组304-1具有第一端304-3弯折90度在磁芯的表面延展，并覆盖部分表面，该延展部分同时也相当于在PCB顶板202表面延展，并焊接至PCB顶板202，具有第二端304-5弯折90度在磁芯的表面延展，并覆盖部分表面，该延展部分同时也相当于在PCB底板201表面延展，并焊接至PCB底板201。也就是说，所述绕组304-1的第一端304-3和第二端304-5沿着垂直于磁芯通道303-1和303-2的平面延展，其延展面的侧边同时也在PCB顶板202和PCB底板201的表面延展。同样地，所述绕组304-2具有第一端304-4弯折90度在磁芯的表面延展，并覆盖部分表面，该延展部分同时也相当于在PCB顶板202的表面延展，并焊接至PCB顶板202，具有第二端304-6弯折90度在磁芯的表面延展，并覆盖部分表面，该延展部分同时也相当于在PCB底板201的表面延展，并焊接至PCB底板201。也就是说，所述绕组304-2的第一端304-4和第二端304-6沿着垂直于磁芯通道303-1和303-2的平面延展，其延展面的侧边同时也在PCB顶板202和PCB底板201的表面延展。
在图3实施例中，磁芯的第一磁芯部分301和第二磁芯部分302的形状并不对称一致，其中，所述第一磁芯部分301具有平面形状，所述第二磁芯部分302具有两条沟道，所述通道303-1和303-2分别由第二磁芯部分302的两条沟道和第一磁芯部分301的一个面301-1构成，如图3所示。
在图3实施例中，金属片305-1和305-2具有L型。所述金属片305-1和305-2的两端分别焊接至PCB顶板202和PCB底板201。所述金属片305-1和305-2焊接至PCB顶板202的一端弯折90度，在磁芯表面延展，也即相当于在PCB顶板202的表面延展，并通过PCB顶板202的焊盘与功率器件芯片203的接地引脚电连接，以此来减少PCB顶板202的走线及其走线阻抗。
图4示出了根据本发明一实施例的电感组40的三维分解图。所述电感组40可用作图2电源模块中的电感组206。如图4所示，电感组40包括：磁芯，包括第一磁芯部分401和第二磁芯部分402，其中所述第一磁芯部分401和第二磁芯部分402组合在一起，在两者的接合面形成两通道403-1和403-2；以及绕组404-1和404-2，分别穿过通道403-1和403-2。
在图4实施例中，当电感组40应用于图2所示的电源模块20时，所述通道403-1和403-2垂直于PCB底板201和PCB顶板202，即通道403-1和403-2具有沿着如图2所示的轴线B的径向。
在图4实施例中，所述绕组404-1具有第一端404-3弯折90度在磁芯的表面延展，并覆盖部分表面，该延展部分同时也相当于在PCB顶板202表面延展，并焊接至PCB顶板202，具有第二端404-5弯折90度在磁芯的表面延展，并覆盖部分表面，该延展部分同时也相当于在PCB底板201表面延展，并焊接至PCB底板201。也就是说，所述绕组404-1的第一端404-3和第二端404-5沿着垂直于磁芯通道403-1和403-2的平面延展，其延展面同时也在PCB顶板202和PCB底板201的表面延展。同样地，所述绕组404-2具有第一端404-4弯折90度在磁芯的表面延展，并覆盖部分表面，该延展部分同时也相当于在PCB顶板202的表面延展，并焊接至PCB顶板202，具有第二端404-6弯折90度在磁芯的表面延展，并覆盖部分表面，该延展部分同时也相当于在PCB底板201的表面延展，并焊接至PCB底板201。也就是说，所述绕组404-2的第一端404-4和第二端404-6沿着垂直于磁芯通道403-1和403-2的平面延展，其延展面同时也在PCB顶板202和PCB底板201的表面延展。
在部分实施例中，所述绕组404-1的第二端404-5和所述绕组404-2的第二端404-6可以不弯折。绕组的第二端是否弯折，弯折的方向及延展面的形状等，取决于PCB底板201上的相应的焊盘的位置，或无PCB底板202，则取决于电源模块20所处的主板上的相应焊盘的位置。
在图4实施例中，磁芯的第一磁芯部分401和第二磁芯部分402的形状并不对称一致，其中，所述第一磁芯部分401具有平面形状，所述第二磁芯部分402具有两条沟道，所述通道403-1和403-2分别由第二磁芯部分402的两条沟道和第一磁芯部分401的一个面401-1构成。
在图4实施例中，金属片405-1和405-2具有C型。所述金属片405-1和405-2的两端分别焊接至PCB顶板202和PCB底板201。金属片405-1和405-2焊接至PCB底板201的一端弯折90度，并在磁芯表面延展，也即相当于在PCB底板201的表面延展，该延展面与PCB底板201的相应焊盘相焊接，以此来减少PCB底板201的走线及其走线阻抗。同样的，金属片405-1和405-2焊接至PCB顶板202的一端弯折90度，在磁芯表面延展，即相当于在PCB顶板202的表面延展，并通过PCB顶板202的焊盘与功率器件芯片203的接地引脚电连接，以此来减少PCB顶板202的走线及其走线阻抗。
图5示出了根据本发明一实施例的电感组50的三维分解图。所述电感组50可用作图2电源模块中的电感组206。如图5所示，电感组50包括：磁芯，包括第一磁芯部分501和第二磁芯部分502，其中所述第一磁芯部分501和第二磁芯部分502组合在一起，在两者的接合面形成两通道503-1和503-2；以及绕组504-1和504-2，分别穿过通道503-1和503-2。
在图5实施例中，当电感组50应用于图2所示的电源模块20时，所述通道503-1和503-2垂直于PCB底板201和PCB顶板202，即通道503-1和503-2具有沿着如图2所示的轴线B的径向。
在图5实施例中，金属片505具有C型。所述金属片505的两端分别焊接至PCB顶板202和PCB底板201。金属片505焊接至PCB底板201的一端弯折90度，并在磁芯表面延展，即相当于在PCB底板201的表面延展，该延展面与PCB底板201的相应焊盘相焊接，以此来减少PCB底板201的走线及其走线阻抗。同样的，金属片505焊接至PCB顶板202的一端弯折90度，在磁芯表面延展，即相当于在PCB顶板202的表面延展，并通过PCB顶板202的焊盘与功率器件芯片203的接地引脚电连接，以此来减少PCB顶板202的走线及其走线阻抗。在图5实施例中，金属片505包裹磁芯侧面的部分尽可能延展，增大面积，以减少自身阻抗。
与图4所示的电感组40相比，图5中的电感组50具有单片金属片505用于电连接功率器件芯片203的接地引脚至PCB底板201。与图4相比，图5中少了一金属片，因此金属片505以及绕组504-1和504-2在磁芯的上下表面可延展的面积更大，从而使功率器件芯片203的接地引脚的分布具有更大的灵活性。
图5中，磁芯的第一磁芯部分501和第二磁芯部分502与图4中的磁芯结构相似，为叙述简明之故，此处不再展开说明。
图6示出了根据本发明一实施例的磁芯60的结构示意图。在图6中，所述磁芯60包括形状对称一致的第一磁芯部分601和第二磁芯部分602，其中，每个磁芯部分具有两条沟道。当磁芯60用于图3-图5实施例的电感组时，两个磁芯部分的沟道相覆合，形成两条通道，以使绕组从中穿过。
图7示出了根据本发明一实施例的磁芯70的结构示意图。在图7中，磁芯70包括第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703-1～703-3。所述第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703-1及703-2构建了第一通道704-1。所述第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703-2及703-3构建了第二通道704-2。从图7中可看出，当有更多的第三磁芯部分时，可以构建更多的磁芯通道。所述第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703-1～703-3可以由不同的材料制作而成，从而提供更加灵活可调的电感-电流曲线。
在本发明的部分实施例中，所述磁芯的各磁芯部分可以由同种材料制作，但具有不同的形状，也可以由不同的材料制作而成，如铁氧体、铁粉或其他合适的材料等，以期实现所需的电感-电流特性曲线，例如，在小电流时具有大电感值，在大电流时具有小电感值。小电流时具有大电感值可以使系统效率更高，而大电流时小电感值则可使系统的瞬态更好。
为简明阐述本发明原理之故，图3-图5的实施例中仅示出具有双通道，可以穿过双绕组的磁芯。本领域普通技术人员应当知道，根据应用的需要，磁芯可以具有任意数量的通道，穿过任意数量的绕组，单通道或多通道均符合本发明主旨。
在部分实施例中，在磁芯的不同磁芯部分之间可以存在气隙以形成耦合电感。在部分实施例中，各磁芯部分之间没有气隙，从而形成多个单电感。
在本发明中，为了使电感组模块的表面平整，覆盖磁芯表面的绕组及金属片嵌入磁芯表面，如图3-5所示。
根据以上教导，本发明的许多更改和变型方式显然也是可行的。因此，应当理解的是，在权利要求所限定的范围内，本发明可以不用按照上述特定的描述来实施。同样应当理解的是，上述公开只涉及到本发明一些优选实施例，在不脱离本发明权利要求所限定的精神和范围的前提下，可以对本发明作出更改。当只有一个优选实施例被公开，本领域普通技术人员不难想到改型并将其付诸于实施，而不脱离于本发明权利要求所限定的精神与范围。

Claims (11)

1.一种可用于电源模块的电感组，包括：
磁芯，包括第一磁芯部分和第二磁芯部分，其中，所述第一磁芯部分和第二磁芯部分相覆合，并在接合面形成N条通道，其中，N为大于1的整数；以及
N个绕组，分别穿过所述磁芯的N条通道，其中每个绕组具有第一端和第二端，所述第一端和第二端弯折后在垂直于绕组长度方向的平面上延展。
2.如权利要求1所述的电感组，其中，所述第一磁芯部分为平面形状，所述第二磁芯部分具有N条沟道，每条通道由第一磁芯部分的一个面和第二磁芯部分的一条沟道构成。
3.如权利要求1所述的电感组，其中，所述第一磁芯部分和第二磁芯部分分别具有N条沟道，每条通道由第一磁芯部分的一条沟道和第二磁芯部分的一条沟道构成。
4.如权利要求1所述的电感组，其中，所述磁芯进一步包括多个位于第一磁芯部分和第二磁芯部分之间的第三磁芯部分，所述第一磁芯部分和第二磁芯部分具有平面形状，每条通道分别由第一磁芯部分和第二磁芯部分的相对的面，以及两个相邻的第三磁芯部分的相对面构成。
5.如权利要求1所述的电感组，在流过小电流时具有大电感值，在流过大电流时具有小电感值。
6.一种电源模块，包括如权利要求1-5任一项所述的电感组，还包括：
PCB(印刷电路板)顶板，位于电感组之上；以及
N个功率器件芯片，位于PCB顶板之上，其中每个功率器件芯片具有至少一个引脚通过PCB顶板电连接至相应的电感组的绕组。
7.如权利要求6所述的电源模块，还包括：
PCB底板，位于电感组之下；以及
连接器，连接PCB顶板和PCB底板，其中，所述连接器具有多个金属柱，分别焊接至PCB顶板和PCB底板的相应焊盘。
8.如权利要求6所述的电源模块，其中所述磁芯的通道的径向平行于PCB顶板。
9.如权利要求6所述的电源模块，其中所述磁芯的通道的径向垂直于PCB顶板。
10.如权利要求6所述的电源模块，还包括至少一个金属片，所述金属片呈“C”型，包裹电感组的磁芯的部分表面，并焊接至PCB顶板，同时通过PCB顶板电连接至功率器件芯片的接地引脚。
11.如权利要求6所述的电源模块，还包括至少一个金属片，所述金属片呈“L”型，包裹电感组的磁芯的部分表面，并焊接至PCB顶板，同时通过PCB顶板电连接至功率器件芯片的接地引脚。
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