CN114628119A - 集成电感器组件及相关系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种开关功率转换器包括集成电感器组件、第一开关级和第二开关级。该集成电感器组件包括磁芯以及至少部分地布置在该磁芯中的第一绕组和第二绕组。该第二绕组通过该磁芯的分离部分与该第一绕组分离。该第一开关级被配置为使得从该第一开关级流向该第一绕组的第一电流感应流经该磁芯的分离部分的第一磁通量。该第二开关级被配置为使得从该第二开关级流向该第二绕组的第二电流感应流经该磁芯的分离部分的第二磁通量，该第二磁通量与该磁芯的分离部分中的第一磁通量相反。

Description

集成电感器组件及相关系统和方法
背景技术
电感器是一种电磁设备，其与电流的平方成比例地储存能量。电感器通常用作开关功率转换器中的储能设备，包括但不限于降压转换器、升压转换器和降压-升压转换器。
发明内容
在第一方面，开关功率转换器包括集成电感器组件、第一开关级和第二开关级。该集成电感器组件包括：(a)磁芯；(b)第一绕组，该第一绕组至少部分地布置在该磁芯中，该第一绕组绕着沿该第一方向延伸的第一绕组轴线缠绕，以及(c)第二绕组，该第二绕组至少部分地布置在该磁芯中并且通过该磁芯的第一分离部分在第二方向上与该第一绕组分离。该第二方向与该第一方向正交，并且该第二绕组绕着沿该第一方向延伸的第二绕组轴线缠绕。该第一开关级被配置为在至少两个不同的功率节点之间重复地切换该第一绕组的端部，并且该第一开关级电耦合至该第一绕组的端部，使得从该第一开关级流向该第一绕组的端部的第一电流感应流经该磁芯的第一分离部分的第一磁通量。该第二开关级被配置为在至少两个不同功率节点之间重复地切换该第二绕组的端部。另外，该第二开关级电耦合至该第二绕组的端部，使得从该第二开关级流向该第二绕组的端部的第二电流感应流经该磁芯的第一分离部分的第二磁通量，该第二磁通量与流经该磁芯的第一分离部分的该第一磁通量相反。
在该第一方面的实施例中，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第一绕组包围的截面面积在该第二方向上具有第一宽度，并且该第二绕组在该第二方向上与该第一绕组分离不大于该第一宽度的一半的第一分离距离。
在该第一方面的另一个实施例中，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第二绕组包围的截面面积在该第二方向上具有基本上等于该第一宽度的第二宽度。
在该第一方面的另一个实施例中，(a)除了一个或多个完整的匝外，该第一绕组围绕该第一绕组轴线形成第一分数匝，(b)除了一个或多个完整的匝外，该第二绕组围绕该第二绕组轴线形成第二分数匝，(c)该第一分数匝位于该第一绕组在该第二方向上最靠近该第二绕组的部分中，以及(d)该第二分数匝位于该第二绕组在该第二方向上最靠近该第一绕组的部分中。
在该第一方面的另一个实施例中，该第一绕组轴线在该第二方向上偏离该第二绕组轴线。
在该第一方面的另一个实施例中，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的，该第二绕组相对于该第一绕组旋转大致180度。
在该第一方面的另一个实施例中，该集成电感器组件进一步包括：(a)第三绕组，该第三绕组至少部分地布置在该磁芯中，该第三绕组绕着第三绕组轴线缠绕，以及(b)第四绕组，该第四绕组至少部分地布置在该磁芯中并且通过该磁芯的第二分离部分在该第二方向上与该第三绕组分离，该第四绕组绕着沿该第一方向延伸的第四绕组轴线缠绕。另外，在该实施例中，该开关功率转换器进一步包括第三开关级，该第三开关级被配置为在至少两个不同的功率节点之间重复地切换该第三绕组的端部，该第三开关级电耦合至该第三绕组的端部，使得从该第三开关级流向该第三绕组的端部的第三电流感应流经该磁芯的第二分离部分的第三磁通量。此外，在该实施例中，该开关功率转换器进一步包括第四开关级，该第四开关级被配置为在至少两个不同的功率节点之间重复地切换该第四绕组的端部，该第四开关级电耦合至该第四绕组的端部，使得从该第四开关级流向该第四绕组的端部的第四电流感应流经该磁芯的第二分离部分的第四磁通量，该第四磁通量与流经该磁芯的第二分离部分的第三磁通量相反。
在该第一方面的另一个实施例中，该第三绕组和该第四绕组中的每一个与该第一绕组和该第二绕组中的每一个分离，并且在该第二方向上。
在该第一方面的另一个实施例中，该第三绕组在与该第一方向和该第二方向中的每一个正交的第三方向上与该第一绕组分离，并且该第四绕组在该第三方向上与该第二绕组分离。
在第二方面，一种集成电感器组件包括：(a)磁芯；(b)第一绕组，该第一绕组至少部分地布置在该磁芯中，该第一绕组绕着沿第一方向延伸的第一绕组轴线缠绕，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第一绕组包围的截面面积在与该第一方向正交的第二方向上具有第一宽度；以及(c)第二绕组，该第二绕组至少部分地布置在该磁芯中，并且在该第二方向上与该第一绕组分离不大于该第一宽度的一半的第一分离距离，该第二绕组绕着沿该第一方向延伸的第二绕组轴线缠绕。
在该第二方面的实施例中，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第二绕组包围的截面面积在该第二方向上具有基本上等于该第一宽度的第二宽度。
在该第二方面的另一个实施例中，(a)除了一个或多个完整的匝外，该第一绕组围绕该第一绕组轴线形成第一分数匝，(b)除了一个或多个完整的匝外，该第二绕组围绕该第二绕组轴线形成第二分数匝，(c)该第一分数匝位于该第一绕组在该第二方向上最靠近该第二绕组的部分中，以及(d)该第二分数匝位于该第二绕组在该第二方向上最靠近该第一绕组的部分中。
在该第二方面的另一个实施例中，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第一绕组包围的截面面积具有第一矩形形状，并且如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第二绕组包围的截面面积具有第二矩形形状。
在该第二方面的另一个实施例中，该第一绕组轴线在该第二方向上偏离该第二绕组轴线。
在该第二方面的另一个实施例中，该磁芯在该第一绕组的磁通路径中沿该第一方向形成第一间隙，并且该磁芯在该第二绕组的磁通路径中沿该第一方向形成第二间隙。
在该第二方面的另一个实施例中，该集成电感器组件进一步包括第三绕组和第四绕组。该第三绕组至少部分地布置在该磁芯中，并且该第三绕组绕着沿该第一方向延伸的第三绕组轴线缠绕。如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第三绕组包围的截面面积在该第二方向上具有第三宽度。该第四绕组至少部分地布置在该磁芯中并且在该第二方向上与该第三绕组分离不大于该第三宽度的一半的第二分离距离。该第四绕组绕着沿该第一方向延伸的第四绕组轴线缠绕。
在该第二方面的另一个实施例中，该第三绕组和该第四绕组中的每一个在该第二方向上与该第一绕组和该第二绕组中的每一个分离。
在该第二方面的另一个实施例中，该第三绕组在与该第一方向和该第二方向中的每一个正交的第三方向上与该第一绕组分离，并且该第四绕组在该第三方向上与该第二绕组分离。
在第三方面，集成电感器组件包括磁芯、第一绕组和第二绕组。该第一绕组至少部分地布置在该磁芯中，并且该第一绕组绕着沿第一方向延伸的第一绕组轴线缠绕。该第二绕组至少部分地布置在该磁芯中并且在与该第一方向正交的第二方向上与该第一绕组分离。该第二绕组绕着沿该第一方向延伸的第二绕组轴线缠绕，并且如当沿该第一方向在截面上观察时看到的，该第二绕组相对于该第一绕组旋转大致180度。
在该第三方面的实施例中，(a)除了一个或多个完整的匝外，该第一绕组围绕该第一绕组轴线形成第一分数匝，(b)除了一个或多个完整的匝外，该第二绕组围绕该第二绕组轴线形成第二分数匝，(c)该第一分数匝位于该第一绕组在该第二方向上最靠近该第二绕组的部分中，以及(d)该第二分数匝位于该第二绕组在该第二方向上最靠近该第一绕组的部分中。
附图说明
图1是分立电感器的俯视平面视图。
图2是如当沿图1的线2A-2A截取时看到的图1的分立电感器的截面视图。
图3是如当在水平方向上观察时看到的包括布置在印刷电路板上的多个图1的分立电感器的印刷电路组件的截面视图。
图4是电感器组件的俯视平面视图。
图5是如当沿图4的线5A-5A截取时看到的图4的电感器组件的截面视图。
图6是图4的电感器组件的截面视图，该截面视图被标记成示出近似的磁通路径。
图7是根据实施例的集成电感器组件的俯视平面视图。
图8是图7的集成电感器组件的前立面视图。
图9是图7的集成电感器组件的后立面视图。
图10是图7的集成电感器组件的俯视平面视图，其中该集成电感器组件的磁芯以轮廓视图示出。
图11是如当沿图7的线11A-11A截取时看到的图7的集成电感器组件的截面视图。
图12是如当沿图7的线12A-12A截取时看到的图7的集成电感器组件的截面视图。
图13是展示图7的集成电感器组件的一种可能的开关功率转换器应用的俯视平面视图。
图14是图7的集成电感器组件的类似于图11的截面视图，该截面视图被标记成示出当在图13的示例应用中使用该集成电感器组件时的近似磁通流。
图15是根据实施例的另一集成电感器组件的俯视平面视图。
图16是图15的集成电感器组件的截面视图。
图17是图15的集成电感器组件的截面视图，该截面视图被标记成示出近似的磁通路径。
图18是根据实施例的包括由铁氧体磁性材料形成的磁芯的集成电感器组件的截面视图。
图19是根据实施例的包括四个绕组的集成电感器组件的俯视平面视图。
图20是根据实施例的图19的集成电感器组件的截面视图。
图21是展示图19的集成电感器组件的一种可能的开关功率转换器应用的俯视平面视图。
图22是图19的集成电感器组件的截面视图，该截面视图被标记成示出当在图21的示例应用中使用该集成电感器组件时的近似的磁通路径。
图23是根据实施例的包括磁芯和共同布置在两行中的四个绕组的集成电感器组件的透视图。
图24是图23的集成电感器组件的俯视平面视图。
图25是展示图23的集成电感器组件的一种可能的开关功率转换器应用的俯视平面视图。
图26是根据实施例的另一集成电感器组件的俯视平面视图。
图27是图26的集成电感器组件的截面视图。
图28是图26的集成电感器组件的截面视图，该截面视图被标记成示出近似的磁通路径。
图29是图26的集成电感器组件的替代实施例的截面视图，其中用线绕绕组替换箔式绕组。
图30是根据实施例的另一集成电感器组件的前立面视图。
图31是沿图30的线31A-31A截取的图30的集成电感器组件的截面视图。
图32是图30的集成电感器组件的截面视图，该截面视图被标记成示出近似的磁通路径。
图33是根据实施例的包括图7的集成电感器组件的实例的开关功率转换器组件的示意图。
具体实施方式
许多开关功率转换器包括多个电感器。例如，多相开关功率转换器(包括但不限于多相降压转换器、多相升压转换器和多相降压-升压转换器)包括用于每一相的相应电感器。电感器可以由耦合电感器或分立电感器实施。耦合电感器是包括磁耦合在一起的多个电感器的电磁设备。因此，在包括耦合电感器的多相功率转换器中，相之间存在磁耦合。相比之下，分立电感器不与任何其他电感器实质性磁耦合。因此，在包括分立电感器的多相开关功率转换器中，相之间没有显著的磁耦合。
通常期望多相开关功率转换器包括耦合电感器而不是多个分立电感器。例如，在开关功率转换器中使用耦合电感器而不是分立电感器可以实现开关功率转换器瞬态响应和/或效率的显著改善。然而，在一些应用中，耦合电感器可能不实用，并且因此可能需要分立电感器。
图1和图2共同展示了常规分立电感器的一个示例。图1是分立电感器100的俯视平面视图，并且图2是如当沿图1的线2A-2A截取时看到的分立电感器100的截面视图。分立电感器100包括磁芯102和嵌入磁芯102中的绕组104。图1中仅示出磁芯102的轮廓以便能够看到绕组104。绕组104绕着沿竖直方向延伸的绕组轴线106缠绕。虽然为了简单起见绕组104被示出为具有90度角和矩形截面，但实际实施方式可能有所不同。由绕组104包围的区域108的宽度为2Wo，并且分立电感器100的每一侧在绕组104外的宽度为Wo，以实现在分立电感器100内流动的磁通量的近似均匀的磁芯截面。
在多相开关功率转换器中，通常期望将分立电感器紧密地放置在一起，比如帮助最小化开关功率转换器的大小和/或帮助最小化将部件连接在一起的电导体的长度。例如，图3是如当在水平方向上观察时看到的包括布置在印刷电路板(PCB)302上的多个分立电感器100的印刷电路组件(PCA)300的截面视图。相邻的分立电感器100必须以最小分离距离d(例如0.5至1.0毫米)分离，以符合PCA制造要求。因此，相邻绕组104之间的最小水平分离距离为2Wo+d。
多个分立电感器已被共同封装以形成包括多个分立电感器的电感器组件。例如，图4和图5共同展示了常规共同封装的分立电感器的示例。具体地，图4是电感器组件400的俯视平面视图，并且图5是如当沿图4的线5A-5A截取时看到的电感器组件400的截面视图。电感器组件400基本上由共同封装的两个分立电感器100构成。因此，电感器组件400包括磁芯402和嵌入磁芯中的多个绕组104。图4中仅示出磁芯402的轮廓以便能够看到绕组104。每个绕组104绕着沿竖直方向延伸的相应绕组轴线406缠绕。在本文档中，项目的具体实例可以通过使用圆括号中的数字(例如绕组104(1))来表示，而没有圆括号的数字是指任何这样的项目(例如绕组104)。
相邻绕组104在磁芯402中必须彼此分离最小距离2Wo，以防止绕组之间的磁性材料饱和，以及实现在电感器组件400内流动的磁通量的均匀磁芯截面。绕组之间的这种总磁芯面积与单个电感器的截面总和相匹配，并确保绕组中任何方向的电流都不会降低饱和性质。图6是电感器组件400的截面视图，其类似于图5的截面视图但被标记成示出磁芯402内的近似的磁通路径。如图4中所展示的，图6假设电流I1流入到绕组104(1)的端部408(1)中，并且电流I2流入到绕组104(2)的端部408(2)中。如图6中所展示的，电流I1产生磁通量610(1)，并且电流I2产生磁通量610(2)。磁通量610(1)和610(2)中的每一个部分地流经磁芯402的分离相邻绕组104的部分612。因此，绕组104必须彼此显著分离以防止绕组104之间的磁性材料饱和，或者换言之，使得电感器组件400实施额定用于全部目标电流的两个分立电感器。因此，电感器组件400并不比分立电感器100的两个实例小很多；通过使用电感器组件400代替两个分立电感器100而实现的唯一大小减小是消除了分立电感器100之间的分离距离d。
另外，每个绕组104在其左侧形成分数匝614，如图5和图6中所示。分数匝614使得每个绕组104的磁通密度在其左侧上比在其右侧上更强，如在图6中通过展示磁通量610在绕组104的左侧上比在绕组104的右侧上更粗的线条象征性地示出的。磁通强度的这种不平衡是不可取的，因为其降低了电感器组件400的饱和电流额定值并增加了电感器组件400中的磁芯损耗。
本文披露了至少部分地克服了上文所讨论的常规共同封装的分立电感器的缺点的集成电感器组件以及相关的系统和方法。新型集成电感器组件在通用封装中实施多个分立电感器。然而，与常规共同封装的分立电感器相比，新型集成电感器组件以及相关的系统可以被配置为使得由流经电感器绕组的电流产生的磁通量在相邻绕组之间的磁芯部分中至少部分地抵消。例如，在磁芯的分离第一绕组和第二绕组的部分中，由流经第一绕组的电流产生的磁通量至少部分地抵消了由流经相邻第二绕组的电流产生的磁通量。因此，新型集成电感器组件的绕组可以比常规共同封装的分立电感器中的绕组放置得更紧密，同时仍然防止绕组之间的材料磁耦合。另外，某些实施例被配置为减少由分数绕组匝导致的磁通量不平衡的负面影响，由此促进高电感器饱和电流额定值和低磁芯损耗，或更小的电感器大小。
图7至图12展示了集成电感器组件700，该集成电感器组件是本文所披露的新型集成电感器组件的一个实施例。图7是集成电感器组件700的俯视平面视图，图8是集成电感器组件700的前立面视图，并且图9是集成电感器组件700的后立面视图。图10是集成电感器组件700的俯视平面视图，其中，该集成电感器组件的磁芯702以轮廓视图示出，即仅示出磁芯702的轮廓，以示出该集成电感器组件的绕组704。图11是如当沿图7的线11A-11A截取时看到的集成电感器组件700的截面视图，并且图12是如当沿图7的线12A-12A截取时看到的集成电感器组件700的截面视图。
集成电感器组件700包括磁芯702以及至少部分地布置在其中的多个绕组704。磁芯702包括前侧706、后侧708、左侧710和右侧712。术语“前”、“后”、“左”和“右”在本文中仅为了方便而使用，并不旨在要求集成电感器组件700的任何特定取向。例如，集成电感器组件700可以放置成使得前侧706面朝上。前侧706在方向714上与后侧708分离，并且左侧710在方向716上与右侧712分离，其中方向716与方向714正交。磁芯702例如由铁氧体磁性材料或铁粉和粘结剂的混合物形成。在一些实施例中，磁芯702是由单一材料形成的同质磁芯，而在一些其他实施例中，磁芯702是由两种或更多种不同的磁性材料形成的复合磁芯。磁芯702可以是单片磁芯，如围绕绕组704模制的磁芯，或者是由连接在一起的两个或更多个元件形成的磁芯。集成电感器组件700也可以用多层膜技术实施。例如，在特定实施例中，磁芯702和绕组704通过在基板上布置多个磁性膜层和导电膜层而形成。
每个绕组704至少部分地绕着沿方向720延伸的相应绕组轴线718缠绕，其中方向720与方向714和716中的每一个正交。绕组轴线718在方向716上彼此偏移，并且绕组704相应地在方向716上彼此分离。由每个绕组704形成的匝数可以在不脱离其范围的情况下变化。为了获得最佳结果，每个绕组704应该具有相同的匝数，但是仍然可以通过不同的匝数实现部分益处。另外，集成电感器组件700可以被修改成包括附加绕组704，如下文关于图19和20所讨论的。
每个绕组具有第一端部722和相对的第二端部724。在一些实施例中，第一端部722和/或第二端部724包括用于物理连接到PCB或其他结构的元件(未示出)，如焊片或通孔柱。尽管绕组704被描绘为沿方向714完全延伸通过集成电感器组件700，但绕组704可以在到达前侧706和后侧708之前交替地终止。例如，绕组704可以在磁芯702的底部终止。终端也可以在侧面710和712处或附近。每个绕组704包围相应区域726，如当沿方向720在截面上观察时看到的(参见图10)。尽管区域726被展示为具有矩形形状，但绕组704可以被修改成使得区域726具有不同的形状。例如，绕组704可以被修改成形成圆角而不是矩形角，使得区域726具有圆角矩形形状。绕组704被展示为由比如铜箔等金属箔形成。然而，绕组704可以由其他导电材料形成，比如单股线或多股线(例如编织线(Litz wire))。
重要的是，相邻绕组704具有相反取向，如当沿方向720在截面上观察时看到的(参见例如图10)。例如，绕组704(1)的第一端部722(1)终止于磁芯702的前侧706附近，而绕组704(2)的第一端部722(2)终止于磁芯702的后侧708附近。类似地，绕组704(1)的第二端部724(1)终止于磁芯702的后侧708附近，而绕组704(2)的第二端部724(2)终止于磁芯702的前侧706附近。因此，当绕组704(2)具有与绕组704(1)相同的形状和大小时，绕组704(2)相对于绕组704(1)旋转180度，如当沿方向720在截面上观察绕组704时看到的。尽管通常期望绕组704(2)相对于绕组704(1)旋转180度以最大化相邻绕组之间的磁通抵消(在下文讨论)，但绕组704(2)仅需要相对于绕组704(1)旋转大致180度以实现显著的磁通抵消。在本文档中，术语“基本上”意指在正负百分之十内。例如，如果X是Y的至少90％并且X不超过Y的110％，则X基本上等于Y。
图13是展示集成电感器组件700的一种可能的开关功率转换器应用的俯视平面视图。在该示例应用中，每个绕组704的相应开关级1302布置在集成电感器组件700的共同侧上，即靠近磁芯702的前侧706。开关级1302(1)电耦合至绕组704(1)的第一端部722(1)，并且开关级1302(1)被配置为在至少两个不同的功率节点(未示出)之间重复地切换第一端部722(1)。开关级1302(2)电耦合至绕组704(2)的第二端部724(2)，并且开关级1302(2)被配置为在至少两个不同的功率节点(未示出)之间重复地切换第二端部724(2)。下文参考图33讨论了开关级1302的示例可能配置。开关级1302可以交替地布置在集成电感器组件700的相对侧，即靠近磁芯702的后侧708，其中开关级1302(1)和1302(2)分别电耦合至第二端部724(1)和第一端部722(2)。
图14是集成电感器组件700的类似于图11的截面视图，但图14被标记成示出图13中所描绘的示例应用中的近似磁通流。当开关级1302布置在集成电感器组件700的共同侧时，如当沿方向720在截面上观察时看到的绕组704具有相反取向的事实有利地帮助最小化方向716上相邻绕组704之间所需的分离。具体地，从开关级1302(1)流向绕组704(1)的端部722(1)的电流I1在磁芯702中感应第一磁通量1402(1)。另外，从开关级1302(2)流向绕组704(2)的端部724(2)的电流I2在磁芯702中感应第二磁通量1402(2)。重要的是，第二磁通量1402(2)与磁芯702的分离部分1404中的第一磁通量1402(1)相反，即第一磁通量1402(1)和第二磁通量1402(2)在分离部分1404中以相反的相应方向流动。磁芯702的分离部分1404沿方向716分离绕组704(1)和704(2)。第二磁通量1402(2)与分离部分1404中的第一磁通量1402(1)相反的事实帮助减少绕组704(1)与704(2)之间的总磁通量，由此使绕组能够在方向716上被紧密地放置在一起，同时仍然防止绕组之间的磁性材料饱和。事实上，如果I1等于I2，则第一磁通量1402(1)和第二磁通量1402(2)将在分离部分1404中完全抵消，这使得绕组704(1)与704(2)之间的间距基本为零，同时仍然防止绕组704(1)与704(2)之间的磁性材料的材料磁饱和。
然而，在典型应用中，流经绕组704的有交流电也有直流电，这导致绕组704中的瞬时电流不平衡。因此，在方向716上绕组704之间需要非零分离距离以防止绕组之间的磁性材料饱和。另外，在某些应用中，直流电的幅值可能不相等。因此，在方向716上绕组704之间的分离距离为aWo，如图10中所展示的，其中a小于或等于一。在通过绕组704的电流基本平衡的应用中，a可能很小，比如0.25或0.50，由此帮助最小化集成电感器组件700的大小。在通过绕组704的电流可能显著不平衡的应用中，a将需要更大，比如0.75，但不大于一。在通过一个绕组704的电流处于其最大值且通过相邻绕组704的电流为零的最坏情况下，a将需要等于一以实现不饱和情况下磁通量的均匀磁芯截面。然而，应当理解，在常规电感器组件400中，绕组104需要分离两倍的距离，即至少2Wo，如图5中所展示的。因此，即使在最坏的情况下，集成电感器组件700的配置使相邻绕组之间的最小间距能够比常规电感器组件显著更小。
因此，集成电感器组件700的配置使绕组704能够靠近在一起，同时仍然最小化相邻绕组704之间的磁性材料中磁饱和的可能性。因此，集成电感器组件700可以显著小于具有类似电感和饱和电流额定值的常规分立电感器。这种大小减小可以用下文的EQN.1表示，其中WI是宽度改进(方向716上的大小减小)，N是所需电感器的数量，并且d是相邻分立电感器之间的最小所需分离距离，如图3中所展示的。从EQN.1中可以明显看出，使用集成电感器组件700代替常规分立电感器可以实现显著节省电感器占用的空间，尤其是在a很小和/或需要多个电感器的情况下。
WI＝(N-1)(Wo(2-a)+d)EQN.1
如图10中所展示的，绕组704(1)在方向716上与磁芯侧710以分离距离Wo分离，并且绕组704(2)也在方向716上与磁芯侧712以分离距离Wo分离。鉴于区域726具有相对较大的纵横比，选择这些分离距离值以实现流经磁芯的磁通量的近似均匀的磁芯702截面。然而，实现均匀磁芯702截面所需的分离距离值将根据区域726的几何形状而变化。例如，如果区域726是正方形而不是矩形，则分离距离值可能小于Wo。因此，绕组704与磁芯侧710和712之间的分离距离的值可以在不脱离其范围的情况下变化。
再次参考图11，除了一个或多个完整的匝外，每个绕组704围绕相应的绕组轴线718形成分数匝728。如上文所讨论的，分数绕组匝使得磁通强度不平衡，从而降低饱和电流额定值并增加芯损耗。然而，申请人已经发现，通过定向绕组704使两个相邻绕组的分数匝彼此相邻，可以减少分数绕组匝728的负面影响。
例如，图15是和图16分别是集成电感器组件1500的类似于图10的俯视平面视图和类似于图11的截面视图。磁芯702在图15中以轮廓视图示出，即仅示出其轮廓，以便能够看到绕组704。图16的截面是沿图15的线16A-16A截取的。集成电感器组件1500是集成电感器组件700的替代性实施例，其中绕组704各自被翻转，使得(a)分数匝728(1)位于绕组704(1)在方向716上最靠近绕组704(2)的部分中，并且(b)分数匝728(2)位于绕组704(2)在方向716上最靠近绕组704(1)的部分中，如图16中所展示的。因此，分数匝728邻接分离部分1404，如图17所示，该图是类似于图16的截面视图，但是被标记成示出近似的磁通路径。图17假设直流电I1和I2流入到绕组端部722(1)和724(2)中，如图15中所展示的。电流I1和I2例如由类似于图13的开关级1302的相应开关级(未示出)产生，该开关级电耦合至绕组端部722(1)和724(2)。
如图17中所展示的，电流I1在磁芯702中感应第一磁通量1702(1)，并且电流I2在磁芯702中感应第二磁通量1702(2)。如当沿方向720在截面上观察时看到的，绕组704在集成电感器组件1500中具有相反取向的事实导致磁通量1702(1)和1702(2)在分离部分1404中彼此相反。分离部分1404中的这些相反磁通量不仅使相邻绕组704(1)和704(2)能够在没有磁耦合的情况下靠近在一起，而且还帮助抵消与分数匝728相关联的大磁通密度。因此，集成电感器组件1500的绕组配置有利地帮助减少与分数绕组匝相关联的负面影响，以及帮助最小化电感器大小。
再次参考图7，磁芯702将通常包括一个或多个间隙，即填充有非磁性材料或具有相对较低磁导率的磁性材料的部分，以防止磁饱和。粘结剂中的铁粉固有地形成分布间隙。因此，由粘结剂中的铁粉形成的磁芯702的实施例将不一定形成明确的间隙。然而，在由铁氧体磁性材料或另一种高磁导率磁性材料形成磁芯702的实施例中，磁芯702通常将在每个绕组704的磁通路径中形成一个或多个相应的间隙，以帮助防止磁饱和。例如，图18是集成电感器组件700的实施例的类似于图11的截面视图，其中磁芯702由铁氧体磁性材料形成的磁芯1802体现。在图18的实施例中，磁芯702在每个绕组704的磁通路径中沿方向720形成相应的间隙1802，以及用于绕组704的切口1804。磁芯1802可选地在绕组704的外部进一步形成间隙1806。方向720上的间隙1806的厚度显著小于方向720上的间隙1802的厚度，以帮助最小化绕组704的磁耦合。
如上文所讨论的，集成电感器组件700可以被修改成包括附加绕组704。例如，图19是和图20分别是包括四个绕组704的集成电感器组件1900的类似于图10的俯视平面视图和类似于图11的截面视图。磁芯1902在图19中以轮廓视图示出，即仅示出磁芯1902的轮廓，以便能够看到绕组704。图20的截面是沿图19的线20A-20A截取的。集成电感器组件1900包括代替磁芯702的磁芯1902。磁芯1902类似于磁芯702，但磁芯1902比磁芯702长，以容纳两个附加绕组704。相邻绕组704具有相反取向，如当在集成电感器组件1900中沿方向720在截面上观察时看到的。具体地，绕组704(2)相对于绕组704(1)旋转180度，绕组704(3)相对于绕组704(2)旋转180度，并且绕组704(4)相对于绕组704(3)旋转180度，如当沿方向720在截面上观察时看到的。因此，绕组704(1)和704(3)具有相同取向，并且绕组704(2)和704(4)具有相同取向。集成电感器组件1900中的相邻绕组704的相反取向使得来自相邻绕组的磁通量在相邻绕组之间的磁芯1902的分离部分中彼此相反。
图21是展示集成电感器组件1900的一种可能的开关功率转换器应用的俯视平面视图。在该示例应用中，每个绕组704的相应开关级2102布置在集成电感器组件1900的共同侧上。开关级2102(1)电耦合至绕组704(1)的第一端部722(1)，并且开关级2102(1)被配置为在至少两个不同的功率节点(未示出)之间重复地切换第一端部722(1)。开关级2102(2)电耦合至绕组704(2)的第二端部724(2)，并且开关级2102(2)被配置为在至少两个不同的功率节点(未示出)之间重复地切换第二端部724(2)。开关级2102(3)电耦合至绕组704(3)的第一端部722(3)，并且开关级2102(3)被配置为在至少两个不同的功率节点(未示出)之间重复地切换第一端部722(3)。开关级2102(4)电耦合至绕组704(4)的第二端部724(4)，并且开关级2102(4)被配置为在至少两个不同的功率节点(未示出)之间重复地切换第二端部724(4)。下文参考图33讨论了开关级2102的示例可能配置。开关级2102可以交替地布置在集成电感器组件1900的相对侧，其中开关级2102(1)、2102(2)、2103(3)和2102(4)分别电耦合至绕组端部724(1)、722(2)、724(3)和722(4)。
图22是集成电感器组件1900的类似于图20的截面视图，但图22被标记成示出图21中所描绘的示例应用中的近似磁通流。当开关级2102布置在集成电感器组件700的共同侧时，如当沿方向720在截面上观察时看到的绕组704具有相反取向的事实有利地帮助最小化方向716上相邻绕组704之间所需的分离。具体地，从开关级2102(1)流向绕组704(1)的端部722(1)的电流I1在磁芯1902中感应第一磁通量2202(1)。另外，从开关级2102(2)流向绕组704(2)的端部724(2)的电流I2在磁芯1902中感应第二磁通量2202(2)。此外，从开关级2102(3)流向绕组704(3)的端部722(3)的电流I3在磁芯1902中感应第三磁通量2202(3)，并且从开关级2102(4)流向绕组704(4)的端部724(4)的电流I4在磁芯1902中感应第四磁通量2202(4)。
如图22中所展示的，第二磁通量2202(2)在磁芯1902的分离部分2204(1)中与第一磁通量2202(1)相反，第三磁通量2202(3)在磁芯1902的分离部分2204(2)中与第二磁通量2202(2)相反，并且第四磁通量2202(4)在磁芯1902的分离部分2204(3)中与第三磁通量2202(3)相反。两个磁通量2202在每个分离部分2204中彼此相反的事实帮助降低绕组704之间的磁性材料的磁饱和的可能性，由此使绕组能够在方向716上被紧密地放置在一起，而绕组之间的磁性材料不会饱和。因此，出于类似于上文关于集成电感器组件700所讨论的那些原因，在方向716上绕组704之间的分离距离为aWo，如图20中所展示的，其中a小于或等于一。上述EQN.1也适用于集成电感器组件1900。
上文所讨论的新型集成电感器组件可以被修改成包括两行或更多行绕组，以创建共同封装的分立电感器的阵列。例如，图23是包括磁芯2302和共同布置在两个行2306中的四个绕组2304的集成电感器组件2300的透视图。图24是集成电感器组件2300的俯视平面视图。磁芯2302在图23和图24中以轮廓视图示出，即仅示出磁芯2302的轮廓，以便能够看到绕组2304。磁芯2302例如由铁氧体磁性材料或铁粉和粘结剂的混合物形成。在一些实施例中，磁芯2302是由单一材料形成的同质磁芯，而在一些其他实施例中，磁芯2302是由两种或更多种不同的磁性材料形成的复合磁芯。磁芯2302可以是单片磁芯，如围绕绕组2304模制的磁芯，或者是由连接在一起的两个或更多个元件形成的磁芯。磁芯2302也可以使用多层膜技术形成，如上文关于磁芯702所讨论的。
每个绕组2304至少部分地布置在磁芯2302中。绕组2304(1)和2304(2)布置在行2306(1)中，并且绕组2304(3)和2304(4)布置在行2306(2)中。给定行2306内的绕组2304在方向2308上彼此分离，并且行2306在方向2310上彼此分离，其中方向2310与方向2308正交。因此，绕组2304(1)和2304(3)在方向2310上彼此分离，并且绕组2304(2)和2304(4)在方向2310上彼此分离。每个绕组2304至少部分地绕着沿方向2314延伸的相应绕组轴线2312缠绕，其中方向2314与方向2308和2310中的每一个正交。绕组轴线2312在方向2308和2310上彼此偏移。由每个绕组2304形成的匝数可以在不脱离其范围的情况下变化，并且每个绕组2304不需要形成相同的匝数。另外，集成电感器组件2300可以被修改成包括附加绕组2304，比如通过将绕组2304添加至行2306和/或通过将行2306添加至集成电感器组件2300。
每个绕组具有第一端部2316和相对的第二端部2318。为了说明清楚，端部2316和2318仅标记在图23中的仅一个绕组2304上，即在绕组2304(3)上。然而，图24中标记了每个绕组端部2316和2318。每个绕组端部2316和2318形成相应的焊片，但是绕组2304可以被修改成使得端部2316和2318形成用于物理连接至PCB的不同结构，如通孔柱。另外，绕组端部2316和2318可以被修改成在不同位置终止，比如在磁芯2302的底部而不是在磁芯2302的侧面上终止。绕组还可以在电感器的不同侧上终止，例如，与2312(3)相比，绕组2312(1)可以在不同侧上具有终端。每个绕组2304包围具有矩形形状的相应区域2320，如当在方向2314上观察时看到的。然而，绕组2304可以被修改成包围具有不同形状(比如圆角矩形形状)的区域2320。绕组2304被展示为由比如铜箔等金属箔形成。然而，绕组2304可以由其他导电材料形成，如单股线或多股线。
给定行2306中的相邻绕组2304具有相反取向，如当在方向2314上观察时看到的。例如，绕组2304(2)具有与绕组2304(1)相同的形状和尺寸，但绕组2304(2)相对于绕组2304(1)旋转180度，如当在方向2314上观察时看到的。虽然通常期望给定行2306内的相邻绕组2304相对于彼此旋转180度以最大化相邻绕组之间的磁通抵消，但相邻绕组2304仅需要相对于彼此旋转大致180度以实现显著的磁通抵消。
图25是展示集成电感器组件2300的一种可能的开关功率转换器应用的俯视平面视图，其中相应的开关级2502电耦合至每个绕组2304。开关级2502(1)电耦合至绕组2304(1)的第二端部2318(1)，开关级2502(2)电耦合至绕组2304(2)的第一端部2316(2)，开关级2502(3)电耦合至绕组2403(3)的第一端部2316(3)，并且开关级2502(4)电耦合至绕组2403(4)的第二端部2318(4)。每个开关级2502被配置为在至少两个不同的功率节点(未示出)之间重复地切换其相应的绕组端部。下文参考图33讨论了开关级2502的示例可能配置。
图25被标记成示出当相应的电流I1、I2、I3和I4在开关级2502与绕组2304之间流动时的近似磁通流，如图25中所描绘的。内含点的每个圆圈表示流出页面的磁通量，并且内含“X”的每个圆圈表示流入页面的磁通量。相邻绕组2304产生的相应磁通量彼此相反，即在磁芯2302的分离相邻绕组的部分中以相反方向流动。例如，由流经绕组2304(1)和2304(2)的电流I1和I2产生的相应磁通量在磁芯2302的分离绕组2304(1)和2304(2)的部分2504(1)中彼此相反。作为另一个示例，由流经绕组2304(1)和2304(3)的电流I1和I3产生的相应磁通量在磁芯2302的分离绕组2304(1)和2304(3)的部分2504(2)中彼此相反。磁通量在磁芯2302的分离绕组2304的部分中彼此相反的事实帮助防止相邻绕组2304之间的磁性材料饱和，由此使绕组能够在方向2308和2310上被紧密地放置在一起，而不会产生磁饱和。
在方向2308上相邻绕组2304之间的分离距离为aWo，其中a小于或等于一，原因类似于上文关于集成电感器组件700所讨论的那些原因。类似地，在方向2310上相邻绕组2304之间的分离距离为bW1，其中b小于或等于一。因此，集成电感器组件2300的配置使绕组2304能够靠近在一起，仍然最小化绕组2304之间的磁性材料饱和的可能性。因此，集成电感器组件2300可以显著小于具有类似电感和饱和电流额定值的常规共同封装的分立电感器。可通过使用集成电感器组件700实现的大小减小可以由下文的EQN.2和3表示，其中WIx是方向2308上的宽度改进(方向2308上的宽度减小)，并且WIy是方向2310上的宽度改进(方向2310上的宽度减小)。EQN.2中的Nx是方向2308上所需电感器的数量，EQN.3中的Ny是方向2310上所需电感器的数量，并且EQN.2和3中的每一个中的d是相邻分立电感器之间的最小所需分离距离。从EQN.2-3中可以明显看出，使用集成电感器组件2300代替常规分立电感器可以实现显著节省电感器占用的空间，尤其是在a和b很小和/或需要多个电感器的情况下。
WIx＝(Nx-1)(Wo(2-a)+d)EQN.2
WIy＝(Ny-1)(W1(2-b)+d)EQN.3
在上文所讨论的示例中，给定绕组的匝在平行于绕组轴线的方向上堆叠。例如，如图11中所展示的，绕组704(1)的匝在绕组轴线718(1)的方向上堆叠。然而，本文所披露的任何集成电感器组件可以被修改成使得给定绕组的匝在不同方向或多个方向上堆叠。
例如，图26是和图27分别是集成电感器组件2600的类似于图10的俯视平面视图和类似于图11的截面视图。集成电感器组件2600是集成电感器组件700的替代性实施例，其中绕组704被替换为绕组2604。磁芯702在图26中以轮廓视图示出，即仅示出其轮廓，以便能够看到绕组2604。图27的截面是沿图26的线27A-27A截取的。每个绕组2604具有第一端部2622和相对的第二端部2624。除了一个或多个完整的匝外，每个绕组2604还形成分数匝2628。绕组的终端可以具有与绕组不同的截面和形状，以允许终端绕过绕组的匝。
给定绕组2604的相邻匝在垂直于绕组2604的相应绕组轴线718的方向上堆叠。每个绕组2604包围相应区域2626，如当沿方向720在截面上观察时看到的。尽管区域2626被展示为具有矩形形状，但绕组2604可以被修改成使得区域2626具有不同的形状。例如，绕组2604可以被修改成形成圆角而不是矩形角，使得区域2626具有圆角矩形形状。另外，虽然绕组2604被展示为由比如铜箔等导电箔形成，但绕组2604可以由比如单股线或多股线等其他导电材料形成。此外，每个绕组2604形成的匝数可以变化。
图28是类似于图27的截面视图，但该截面视图被标记成示出近似的磁通路径。图28假设电流I1和I2流入到绕组端部2622(1)和2624(2)中，如图26中所展示的。电流I1和I2例如由类似于图13的开关级1302的相应开关级(未示出)产生，该开关级电耦合至绕组端部2622(1)和2624(2)。如图28中所展示的，电流I1在磁芯702中感应第一磁通量2802(1)，并且电流I2在磁芯702中感应第二磁通量2802(2)。如当沿方向720在截面上观察时看到的，绕组2604在集成电感器组件2600中具有相反取向的事实导致磁通量2802(1)和2802(2)在磁芯702的沿方向716分离绕组2604的分离部分2804中彼此相反。分离部分2804中的相反磁通量使相邻绕组2604(1)和2604(2)能够靠近在一起，而不会使绕组之间的磁性材料饱和。
图29是集成电感器组件2900的截面视图，该集成电感器组件是集成电感器组件2600的替代性实施例，其中箔式绕组2604被替换为线绕绕组2904。图29的截面视图类似于图27的截面视图。给定绕组2904的匝在多个方向上堆叠，即在方向720上以及在垂直于相应绕组轴线718的方向上堆叠。集成电感器组件2900可选地包括缠绕有绕组2904的线轴(未示出)。
本文所披露的集成电感器组件可以被修改成促进组件在PCB或其他基板上的不同取向。例如，图30是集成电感器组件3000的前立面视图，并且图31是沿着图30的线31A-31A截取的集成电感器组件3000的截面视图。集成电感器组件3000类似于集成电感器组件700，但具有不同的绕组配置，以便于以竖直绕组取向安装。集成电感器组件3000的磁芯3002在图30中以轮廓图示出，即仅示出磁芯3002的轮廓，以示出集成电感器组件的绕组3004。
集成电感器组件3000包括磁芯3002以及至少部分地布置在其中的多个绕组3004。磁芯3002包括前侧3006、后侧3008、左侧3010、右侧3012、底侧3011和顶侧3013，如图30和图31中共同地示出的。前侧3006和后侧3008在方向3020上彼此分离，并且左侧3010和右侧3012在与方向3020正交的方向3016上彼此分离。底侧3011和顶侧3013在与方向3016和3020中的每一个正交的方向3014上彼此分离。
磁芯3002例如由铁氧体磁性材料或铁粉和粘结剂的混合物形成。在一些实施例中，磁芯3002是由单一材料形成的同质磁芯，而在一些其他实施例中，磁芯3002是由两种或更多种不同的磁性材料形成的复合磁芯。磁芯3002可以是单片磁芯，如围绕绕组3004模制的磁芯，或者是由连接在一起的两个或更多个元件形成的磁芯。集成电感器组件3000也可以用多层膜技术实施。例如，在特定实施例中，磁芯3002和绕组3004通过在基板上布置多个磁性膜层和导电膜层而形成。
每个绕组3004至少部分地绕着沿方向3020延伸的相应绕组轴线3018缠绕。绕组轴线3018在方向3016上彼此偏移，并且绕组3004相应地在方向3016上彼此分离。由每个绕组3004形成的匝数可以在不脱离其范围的情况下变化，并且每个绕组3004不需要形成相同的匝数。另外，集成电感器组件3000可以被修改成包括附加绕组3004，比如以类似于上文关于图19和图20所讨论的方式。
每个绕组具有第一端部3022和相对的第二端部3024。第一端部3022和第二端部3024终止于磁芯3002的底侧3011，这有助于将集成电感器组件3002放置在PCB或其他基板上，使得底面3011朝向PCB/基板。在一些实施例中，第一端部3022和/或第二端部3024包括用于物理连接到PCB或其他结构的元件(未示出)，如焊片或通孔柱。每个绕组3004包围相应区域3026，如当沿方向3026在截面上观察时看到的(参见图30)。每个区域3026在方向3016上具有宽度2Wo。尽管区域3026被展示为具有矩形形状，但绕组3004可以被修改成使得区域3026具有不同的形状。例如，绕组3004可以被修改成形成圆角而不是矩形角，使得区域3026具有圆角矩形形状。绕组3004被展示为由比如铜箔等金属箔形成。然而，绕组3004可以由其他导电材料形成，比如单股线或多股线(例如编织线)。
重要的是，相邻绕组3004具有相反取向，如当沿方向3020在截面上观察时看到的(参见图30)。例如，绕组3004(1)的第一端部3022(1)位于绕组的左侧，而绕组3004(2)的第一端部3022(2)位于绕组的右侧，如当沿方向3020在截面上观察时看到的。类似地，绕组3004(1)的第二端部3024(1)位于绕组的右侧，而绕组3004(2)的第二端部3024(2)位于绕组的左侧，如当沿方向3020在截面上观察时看到的。因此，虽然绕组3004(2)具有与绕组3004(1)相同的形状和尺寸，但相对于沿方向3014延伸的集成电感器组件3000的对称轴线3021，绕组3004(2)是绕组3004(1)的镜像。在方向3016上的相邻绕组3004之间的分离距离为aWo，并且a小于或等于一，原因类似于上文关于集成电感器组件700所讨论的原因。上述EQN.1也适用于集成电感器组件3000。
图32是类似于图31的截面视图，但该截面视图被标记成示出近似的磁通路径。图32假设电流I1和I2流入到绕组端部3022(1)和3022(2)中，如图30中所展示的。电流I1和I2例如由类似于图13的开关级1302的相应开关级(未示出)产生，该开关级电耦合至绕组端部3022(1)和3022(2)。
如图32中所展示的，电流I1在磁芯3002中感应第一磁通量3202(1)，并且电流I2在磁芯3002中感应第二磁通量3202(2)。如当沿方向3020在截面上观察时看到的，绕组3004在集成电感器组件3000中具有相反取向的事实导致磁通量3202(1)和3202(2)在磁芯3102的分离部分3204中彼此相反。磁芯3102的分离部分3204沿方向3016分离绕组3004(1)和3004(2)。分离部分3204中的这些相反磁通量使相邻绕组3004(1)和3004(2)能够靠近在一起，而不会使绕组之间的磁性材料饱和。另外，应当注意绕组3004不形成分数匝。
图33展示了本文所披露的新型集成电感器组件的另一示例应用。具体地，图33是包括集成电感器组件700、多个开关级3302以及控制器3304的实例的开关功率转换器组件3300的示意图。图33中描绘的部件例如布置在公共基板(例如，PCB)上，或者这些部件可以分布在两个或更多个单独的基板中。集成电感器组件700在图33中展示，以示意性地示出磁芯702和绕组704。尽管绕组704共享磁芯702，但绕组704之间不存在材料磁耦合，这在图33中通过每个绕组704具有其本身的相应磁芯702部分象征性地示出。
绕组704(1)的端部722(1)和724(1)分别电耦合至开关节点X(1)和功率节点3306(1)。绕组704(2)的端部724(2)和722(2)分别电耦合至开关节点X(2)和功率节点3306(2)。每个开关级3302电耦合至相应绕组704，如下文进一步讨论的。每个开关级3302和相应的绕组704对可以被称为“块”3310。例如，块3310(1)包括开关级3302(1)和绕组704(1)。因此，开关功率转换器组件3300是两块开关功率转换器组件。然而，开关功率转换器组件3300可以被修改为具有附加块3310。另外，每个块3310可以包括附加部件(未示出)，包括但不限于电容器、驱动电路系统和/或监测电路系统。
每个开关级3302包括第一开关设备3308，该第一开关设备在包括开关级的块3310的相应功率节点3312与相应开关节点X之间电耦合。另外，每个开关级3302包括第二开关设备3310，该第二开关设备在包括开关级的块3310的相应开关节点X与相应功率节点3314之间电耦合。每个开关设备3308和3310包括例如一个或多个晶体管，比如一个或多个场效应晶体管(FET)、一个或多个双极结型晶体管(BJT)和/或一个或多个绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)。在一些实施例中，图13、图21和图25的开关级1302、2102和2502分别以与开关级3302相同的方式配置。
控制器3304被配置为分别产生用于控制开关级3302(1)和3302(2)的控制信号θ(1)和θ(2)。每个开关级3302被配置为响应于来自控制器3304的相应控制信号θ在至少功率节点3312与3314之间重复地切换其相应绕组704的端子722或724。例如，在某些实施例中，当每个第一开关设备3308的相应控制信号θ被断言时，其以通路状态(导电状态)操作，并且当每个第一开关设备3308的相应控制信号θ被取消断言时，其以断路状态(非导电状态)操作。另外，在这些实施例中，当每个第二开关设备3310的相应控制信号θ被断言时，其以断路状态(非导电状态)操作，并且当每个第二开关设备3310的相应控制信号θ被取消断言时，其以通路状态(导电状态)操作。因此，在特定实施例中，给定开关级3302内的第一开关设备3308和第二开关设备3310以名义上互补的方式进行切换，但是可能存在第一开关设备3308和第二开关设备3310两者以其相应断路状态操作以防止直通的死区时间。
在一些实施例中，控制器3304被配置为生成控制信号θ(1)和θ(2)，使得开关级3302相对于彼此异相切换。例如，在一个实施例中，控制器3304被配置为生成控制信号θ(1)和θ(2)，使得开关级3302相对于彼此异相切换180度。另外，在一些实施例中，控制器3304被配置为生成控制信号θ(1)和θ(2)，以调节开关功率转换器3300的一个或多个参数，比如一个或多个节点处的电压幅值和/或流入或流出一个或多个节点的电流。
在某些实施例中，每个功率节点3312是输入功率节点，每个功率节点3314是参考功率节点，并且每个功率节点3306是输出功率节点，使得开关功率转换器组件3300具有降压型(buck-type)拓扑。在一些其他实施例中，每个功率节点3306是输入功率节点，每个功率节点3312是输出功率节点，并且每个功率节点3314是参考功率节点，使得开关功率转换器组件3300具有升压型(boost-type)拓扑。在又一些其他实施例中，每个功率节点3312是输入功率节点，每个功率节点3314是输出功率节点，并且每个功率节点3306是参考功率节点，使得开关功率转换器组件3300具有降压-升压型(buck-boost-type)拓扑。
在一些实施例中，每个块3310本身是使得组件3300包括两个单独的开关功率转换器的开关功率转换器。例如，在某些实施例中，每个块3310本身是被配置为提供不同电源电压的降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器。两个或更多个块3310可选地以菊花链方式连接。例如，一个块3310的输出可以连接至另一个块3310的输入，使得一个块3310向另一个块3310提供输入功率。在其他实施例中，组件3300是多相开关功率转换器，并且每个块3310是多相开关功率转换器的相应相。例如，在一些实施例中，每个块3310是多相降压转换器、多相升压转换器或多相降压-升压转换器的相应相。
开关功率转换器组件3300可选地被配置为向一个或多个负载3316供电。负载3316不必是开关功率转换器组件3300的一部分。在每个块3310是单独的开关功率转换器的实施例中，每个块3310可以为其相应负载3316供电。负载3316与开关功率转换器组件3300的节点之间的连接(未示出)将根据开关功率转换器组件3300的拓扑结构而变化。在一些实施例中，每个负载3316包括一个或多个集成电路，包括但不限于处理单元(例如，中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU))、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)(例如，用于人工智能和/或机器学习)，和/或存储器单元。
尽管开关级3302和控制器3304中的每一个被展示为分立元件，但是这些元件中的两个或更多个可以部分地或完全地组合。例如，在一个实施例中，控制器3304的元件分布在开关级3302之间。另外，集成电感器组件700可以用本文所披露的集成电感器组件中的另一个替换，其中适当地改变开关级3302的数量并控制由控制器3304生成的信号θ。例如，开关功率转换器3300的替代性实施例包括四个块3310，并且集成电感器组件700被集成电感器组件1900或2300替换。
在不脱离上述设备、系统和方法的范围的情况下，可以对其进行更改。因此，应该注意，包含在以上说明书中并且在附图中示出的主题应当被解释为说明性的而非限制性意义。以下权利要求旨在涵盖本文中所描述的一般特征和特定特征，以及本方法和系统范围的所有陈述在语言上可以被说成落在其间。

Claims (20)

1.一种开关功率转换器，包括：
集成电感器组件，该集成电感器组件包括：
磁芯；
第一绕组，该第一绕组至少部分地布置在该磁芯中，该第一绕组绕着沿第一方向延伸的第一绕组轴线缠绕，以及
第二绕组，该第二绕组至少部分地布置在该磁芯中并且通过该磁芯的第一分离部分在第二方向上与该第一绕组分离，该第二方向与该第一方向正交，该第二绕组绕着沿该第一方向延伸的第二绕组轴线缠绕；
第一开关级，该第一开关级被配置为在至少两个不同的功率节点之间重复地切换该第一绕组的端部，该第一开关级电耦合至该第一绕组的端部，使得从该第一开关级流向该第一绕组的端部的第一电流感应流经该磁芯的第一分离部分的第一磁通量；以及
第二开关级，该第二开关级被配置为在至少两个不同的功率节点之间重复地切换该第二绕组的端部，该第二开关级电耦合至该第二绕组的端部，使得从该第二开关级流向该第二绕组的端部的第二电流感应流经该磁芯的第一分离部分的第二磁通量，该第二磁通量与流经该磁芯的第一分离部分的该第一磁通量相反。
2.如权利要求1所述的开关功率转换器，其中：
如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第一绕组包围的截面面积在该第二方向上具有第一宽度；
该第二绕组在该第二方向上与该第一绕组分离不大于该第一宽度的一半的第一分离距离。
3.如权利要求2所述的开关功率转换器，其中，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第二绕组包围的截面面积在该第二方向上具有基本上等于该第一宽度的第二宽度。
4.如权利要求1所述的开关功率转换器，其中：
除了一个或多个完整的匝外，该第一绕组围绕该第一绕组轴线形成第一分数匝；
除了一个或多个完整的匝外，该第二绕组围绕该第二绕组轴线形成第二分数匝；
该第一分数匝位于该第一绕组在该第二方向上最靠近该第二绕组的部分中；并且
该第二分数匝位于该第二绕组在该第二方向上最靠近该第一绕组的部分中。
5.如权利要求1所述的开关功率转换器，其中，该第一绕组轴线在该第二方向上偏离该第二绕组轴线。
6.如权利要求1所述的开关功率转换器，其中，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的，该第二绕组相对于该第一绕组旋转大致180度。
7.如权利要求1所述的开关功率转换器，其中：
该集成电感器组件进一步包括：
第三绕组，该第三绕组至少部分地布置在该磁芯中，该第三绕组绕着第三绕组轴线缠绕，以及
第四绕组，该第四绕组至少部分地布置在该磁芯中并且通过该磁芯的第二分离部分在该第二方向上与该第三绕组分离，该第四绕组绕着沿该第一方向延伸的第四绕组轴线缠绕；
该开关功率转换器进一步包括第三开关级，该第三开关级被配置为在至少两个不同的功率节点之间重复地切换该第三绕组的端部，该第三开关级电耦合至该第三绕组的端部，使得从该第三开关级流向该第三绕组的端部的第三电流感应流经该磁芯的第二分离部分的第三磁通量；并且
该开关功率转换器进一步包括第四开关级，该第四开关级被配置为在至少两个不同的功率节点之间重复地切换该第四绕组的端部，该第四开关级电耦合至该第四绕组的端部，使得从该第四开关级流向该第四绕组的端部的第四电流感应流经该磁芯的第二分离部分的第四磁通量，该第四磁通量与流经该磁芯的第二分离部分的该第三磁通量相反。
8.如权利要求7所述的开关功率转换器，其中，该第三绕组和该第四绕组中的每一个与该第一绕组和该第二绕组中的每一个分离，并且在该第二方向上。
9.如权利要求7所述的开关功率转换器，其中：
该第三绕组在与该第一方向和该第二方向中的每一个正交的第三方向上与该第一绕组分离；并且
该第四绕组在该第三方向上与该第二绕组分离。
10.一种集成电感器组件，包括：
磁芯；
第一绕组，该第一绕组至少部分地布置在该磁芯中，该第一绕组绕着沿第一方向延伸的第一绕组轴线缠绕，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第一绕组包围的截面面积在与该第一方向正交的第二方向上具有第一宽度；以及
第二绕组，该第二绕组至少部分地布置在该磁芯中并且在该第二方向上与该第一绕组分离不大于该第一宽度的一半的第一分离距离，该第二绕组绕着沿该第一方向延伸的第二绕组轴线缠绕。
11.如权利要求10所述的集成电感器组件，其中，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第二绕组包围的截面面积在该第二方向上具有基本上等于该第一宽度的第二宽度。
12.如权利要求10所述的集成电感器组件，其中：
除了一个或多个完整的匝外，该第一绕组围绕该第一绕组轴线形成第一分数匝；
除了一个或多个完整的匝外，该第二绕组围绕该第二绕组轴线形成第二分数匝；
该第一分数匝位于该第一绕组在该第二方向上最靠近该第二绕组的部分中；并且
该第二分数匝位于该第二绕组在该第二方向上最靠近该第一绕组的部分中。
13.如权利要求10所述的集成电感器组件，其中：
如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第一绕组包围的该截面面积具有第一矩形形状；并且
如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第二绕组包围该截面面积具有第二矩形形状。
14.如权利要求10所述的集成电感器组件，其中，该第一绕组轴线在该第二方向上偏离该第二绕组轴线。
15.如权利要求10所述的集成电感器组件，其中：
该磁芯在该第一绕组的磁通路径中沿该第一方向形成第一间隙；并且
该磁芯在该第二绕组的磁通路径中沿该第一方向形成第二间隙。
16.如权利要求10所述的集成电感器组件，进一步包括：
第三绕组，该第三绕组至少部分地布置在该磁芯中，该第三绕组绕着沿该第一方向延伸的第三绕组轴线缠绕，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的由该第三绕组包围的截面面积在该第二方向上具有第三宽度；以及
第四绕组，该第四绕组至少部分地布置在该磁芯中并且在该第二方向上与该第三绕组分离不大于该第三宽度的一半的第二分离距离，该第四绕组绕着沿该第一方向延伸的第四绕组轴线缠绕。
17.如权利要求16所述的集成电感器组件，其中，该第三绕组和该第四绕组中的每一个在该第二方向上与该第一绕组和该第二绕组中的每一个分离。
18.如权利要求16所述的集成电感器组件，其中：
该第三绕组在与该第一方向和该第二方向中的每一个正交的第三方向上与该第一绕组分离；并且
该第四绕组在该第三方向上与该第二绕组分离。
19.一种集成电感器组件，包括：
磁芯；
第一绕组，该第一绕组至少部分地布置在该磁芯中，该第一绕组绕着沿第一方向延伸的第一绕组轴线缠绕；以及
第二绕组，该第二绕组至少部分地布置在该磁芯中并且在与该第一方向正交的第二方向上与该第一绕组分离，该第二绕组绕着沿该第一方向延伸的第二绕组轴线缠绕，该第二绕组相对于该第一绕组旋转大致180度，如当沿该第一方向在截面上观察时看到的。
20.如权利要求19所述的集成电感器组件，其中：
除了一个或多个完整的匝外，该第一绕组围绕该第一绕组轴线形成第一分数匝；
除了一个或多个完整的匝外，该第二绕组围绕该第二绕组轴线形成第二分数匝；
该第一分数匝位于该第一绕组在该第二方向上最靠近该第二绕组的部分中；并且
该第二分数匝位于该第二绕组在该第二方向上最靠近该第一绕组的部分中。
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