CN115498887A - 高效高密度的基于GaN的功率转换器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效高密度的基于GaN的功率转换器，其包括：变换器、磁耦合器、初级开关、次级开关、初级控制器、次级控制器、多层印刷电路板(PCB)，多层PCB包括：一个或多个平面线圈，其分别形成于一个或多个PCB层之上且彼此对齐以构造所述变换器和所述耦合器；以及多个传导迹线和通孔，其用于在所述变换器、所述耦合器、初级开关、次级开关、初级控制器和次级控制器之间提供电连接。

Description

高效高密度的基于GaN的功率转换器及其制造方法
技术领域
本公开总体上涉及一种高效高密度的功率转换器及其制造方法，且更具体地说，涉及一种基于氮化镓(GaN)的功率转换器，其具有形成有变换器和耦合器等平面电磁组件的多功能印刷电路板。
背景技术
基于GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的功率转换器由于其低功耗和快速开关转换而广泛地用于移动装置中的快速充电和功率转换。
一般来说，功率转换器使用具有初级线圈和次级线圈的变换器将功率从电源传递到负载。在初级线圈和次级线圈中流动的电流通过初级侧和次级侧开关装置传导或阻断，初级侧和次级侧开关装置分别由初级侧和次级侧控制器控制。变换器的制造涉及将导线缠绕在芯或线轴结构上，这是最难小型化的。此外，随着工作频率的提高，需要保证初级侧和次级侧开关交替接通和断开，以免功率转换器发生故障。一些方法使用光耦合器在初级侧和次级侧控制器之间进行通信，以免初级侧和次级侧开关同时接通。然而，光耦合器存在着功耗高、寿命短、对环境温度依赖、可靠性低的问题。
发明内容
本公开的一个目标是提供一种在初级侧和次级侧控制器之间具有更可靠和稳定的通信从而满足在高频下操作的连续要求的基于GaN的功率转换器。本公开的另一目标是提供一种具有更紧凑的大小从而促进更多功能集成到单个移动装置中的基于GaN的功率转换器。
根据本公开的一个方面，提供一种基于GaN的功率转换器，其包括：变换器；磁耦合器；初级开关；次级开关；初级控制器；次级控制器；多层印刷电路板(PCB)，包括：分别形成于一个或多个PCB层之上且彼此对齐以构造所述变换器和所述耦合器的一个或多个平面线圈；以及用于在所述变换器、所述耦合器、初级开关、次级开关、初级控制器和次级控制器之间提供电连接的多个传导迹线和通孔。
所述变换器配置成通过以某一开关频率接通和断开所述初级开关和所述次级开关来传递功率。所述耦合器配置成在所述初级控制器和所述次级控制器之间传递同步信号，使得所述初级开关和所述次级开关交替地接通和断开，从而确保所述变换器的正确运行；并且由所述耦合器传递的所述同步信号具有不同于所述开关频率的载波频率。
因为变换器和磁耦合器是由PCB内置的平面线圈构造而成的，所以功率转换器的轮廓可以大大减小。此外，初级控制器和次级控制器可通过磁耦合器彼此通信，以交替地接通和断开初级和次级开关，从而确保即使在高操作频率下变换器也能正确运行。因为由磁耦合器传递的同步信号具有不同于初级和次级开关的开关频率的载波频率，所以变换器和磁耦合器之间的串扰可被避免。
附图说明
下文参考附图更详细地描述本公开的优选实施例，在附图中：
图1A和1B分别描绘根据本公开的一些实施例的基于GaN的功率转换器的示意俯视图和电路图；
图2描绘根据本公开的一些实施例的初级控制器的功能框图；
图3描绘根据本公开的一些实施例的次级控制器的功能框图；
图4示出当图2的初级控制器与图3的次级控制器通信时的信号波形；
图5A和5B分别描绘根据本公开的其它实施例的基于GaN的功率转换器的示意俯视图和电路图；
图6描绘根据本公开的一些实施例的次级控制器的功能框图；
图7描绘根据本公开的一些实施例的初级控制器的功能框图；
图8示出当图6的次级控制器与图7的初级控制器通信时的信号波形；
图9A和9B分别描绘根据本公开的其它实施例的基于GaN的功率转换器的示意俯视图和电路图；
图10描绘根据本公开的一些实施例的初级控制器的功能框图；
图11描绘根据本公开的一些实施例的次级控制器的功能框图；
图12A示出当图10的初级控制器与图11的次级控制器以第一通信模式通信时的信号波形；
图12B示出当图10的初级控制器与图11的次级控制器以第二通信模式通信时的信号波形；
图13描绘根据本公开的一些实施例的基于GaN的功率转换器的简化侧视图；
图14描绘根据本公开的一些实施例的多功能PCB的简化分解图，示出了内置平面变换器和内置平面磁耦合器；
图15描绘图14的多功能PCB的变型的简化分解图；
图16描绘根据本公开的其它实施例的多功能PCB的简化分解图，示出了内置平面变换器和内置平面磁耦合器；
图17描绘图16的多功能PCB的变型的简化分解图；
图18A-18C描绘根据本公开的一些实施例的平面线圈的各个形状；
图19描绘根据本公开的实施例的用于制造基于GaN的功率转换器的方法的流程图；
图20描绘根据本公开的一些实施例的用于制造多功能PCB的方法的流程图；
图21描绘根据本公开的其它实施例的用于制造多功能PCB的方法的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，根据本公开，将基于GaN的功率转换器和多功能印刷电路板(PCB)的实施例阐述为优选实例。所属领域的技术人员将清楚，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下作出包含添加和/或替代在内的修改。可省略特定细节以免使本发明模糊不清；然而，编写本公开是为了使所属领域的技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。
本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用是指结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中不同位置出现的短语“在一个实施例中”或“在一些实施例中”不一定全都参考相同的实施例，也不一定是与其它实施例相互排斥的单独或替代性实施例。此外，描述了可以由一些实施例而不是由其它实施例展示的各种特征。
图1A和1B描绘根据本公开的一些实施例的基于GaN的功率转换器100A的示意图和电路图。
参考图1A和1B。功率转换器100A可包括多功能印刷电路板(PCB)101A，所述PCB101A包括用于集成功率转换器100A的多个组件的多个传导迹线和通孔。功率转换器100A可进一步包括用于将功率转换器100A的所述多个组件和PCB 101A包封到单个封装中的导热化合物(未示出)。
功率转换器100A可具有带正输入节点(In+)和负输入节点(In-)的输入端口，及带正输出节点(Out+)和负输出节点(Out-)的输出端口。
多功能PCB 101A可包括用于充当正输入节点(In+)的正输入触点、用于充当负输入节点(In-)的负输入触点、用于充当正输出节点(Out+)的正输出触点和用于充当负输出节点(Out-)的负输出触点。
功率转换器100A可进一步包括输入电容器Cin，所述输入电容器Cin附接到PCB100A上且具有连接到正输入触点的第一端子和连接到负输入触点的第二端子。
功率转换器100A可进一步包括输出电容器Cout，所述输出电容器Cout附接到PCB101A上且具有连接到正输出触点的第一端子和连接到负输出触点的第二端子。
功率转换器100A可进一步包括平面变换器10，所述平面变换器10形成于PCB中且配置成将功率从耦合到输入端口的电源传递到耦合到输出端口的负载。变换器10可包括变换器初级绕组11和变换器次级绕组12。
变换器初级绕组11可具有正初级端子(1+)和负初级端子(1-)。正初级端子可电连接到正输入触点。变换器次级绕组12可具有正次级端子(2+)和负次级端子(2-)。正次级端子可电连接到正输出触点。
功率转换器100A可进一步包括箝位电路4，所述箝位电路4配置成将输入电压箝位到所需要的DC电平。箝位电路可具有二极管D1、电容器C1和电阻器R1。二极管D1可附接到PCB 101A上且具有电连接到变换器初级绕组11的第二端子的正端子。电容器C1可附接到PCB 101A上且具有电连接到正输入节点(In+)的第一端子和电连接到二极管D1的负端子的第二端子。电阻器R1可附接到PCB 101A上且具有电连接到正输入节点(In+)的第一端子和电连接到二极管D1的负端子的第二端子。
功率转换器100A可进一步包括初级开关Q1，所述初级开关Q1配置成传导或阻断在变换器初级绕组11中流动的电流。初级开关Q1可附接在PCB 101A上，且具有电连接到变换器初级绕组11的负初级端子(1-)的第一功率端子和电连接到负输入节点(In-)的第二功率端子。
转换器100A可进一步包括次级开关Q2，所述次级开关Q2配置成传导或阻断在变换器次级绕组12中流动的电流。次级开关Q2可附接在PCB 101A上，且具有电连接到变换器次级绕组12的负次级端子(2-)的第一功率端子及电连接到负输出节点(Out-)的第二功率端子。
优选地，初级开关Q1和次级开关Q2中的每一个可由晶体管构造而成。晶体管可以是HEMT(高电子迁移率晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。MOSFET可选自N沟道增强型MOSFET、N沟道耗尽型MOSFET、P沟道增强型MOSFET或P沟道耗尽型MOSFET。晶体管可由III-V化合物等直接带隙材料形成或包含所述直接带隙材料，直接带隙材料包含但不限于例如GaAs、InP、GaN、InGaAs和AlGaAs。
在一些实施例中，初级开关Q1和次级开关Q2中的每一个可由基于增强型GaN HEMT的晶体管构造而成，所述晶体管具有作为第一功率端子的漏极、作为第二功率端子的源极和作为控制端子的栅极。
功率转换器100A可进一步包括初级控制器6A，所述初级控制器6A配置成生成用于接通和断开初级开关Q1的初级控制信号Vpri_ctrl。初级控制器6A可附接在PCB 101A上，且具有电连接到初级开关Q1的控制端子的初级控制(Pri_Ctrl)节点。
转换器100A可进一步包括次级控制器7A，所述次级控制器7A配置成生成用于接通和断开次级开关Q2的次级控制信号Vsec_ctrl。次级控制器7A可附接在PCB 101A上，且具有电连接到次级开关Q2的控制端子的次级控制(Sec_Ctrl)节点。
功率转换器100A可进一步包括反馈模块8，所述反馈模块8配置成检测跨输出端口的电压并通过光耦合器9将反馈信号VFB馈送到初级控制器6A的反馈(FB)节点。
反馈模块8可附接在PCB 100A上，且具有电连接到正输出节点(Out+)的第一输入端子和电连接到负输出节点(Out-)的第二输入端子。
光耦合器9可附接在PCB 100A上，且具有电连接到反馈模块8的输出端子的输入端子和电连接到初级控制器6A的反馈(FB)节点的输出端子。
功率转换器100A可进一步包括平面磁耦合器50，所述平面磁耦合器50形成于PCB101A中且配置成将同步信号从初级控制器6A耦合到次级控制器7A，使得次级控制器7A可与初级控制器6A同步或合作以交替地接通和断开初级开关和次级开关，从而确保功率转换器100A的正确运行。
磁耦合器50可具有耦合器初级绕组51和耦合器次级绕组52。耦合器初级绕组51可具有电连接到初级控制器6A的初级同步(Pri_Syn)节点的正初级端子(11+)和电连接到负输入节点(In-)的负初级端子(11-)。耦合器次级绕组52可具有电连接到次级控制器7A的次级同步(Sec_Syn)节点的正次级端子(22+)和电连接到负输出节点(Out-)的负次级端子(22-)。
PCB 101A可包括一个或多个平面导电线圈，所述平面导电线圈分别形成于一个或多个PCB层之上且彼此对齐以构造变换器和耦合器。
图2和图3分别更详细地描绘初级控制器6A和次级控制器7A的功能框图以及它们如何连接到耦合器50。图4示出信号波形，展示了初级控制器6A如何通过耦合器50与次级控制器7A通信。
参考图2。初级控制器6A可包括初级驱动器201、调制器202、带通滤波器203和振荡器204。初级驱动器201、调制器202、带通滤波器203和振荡器204可集成到单个IC芯片中。或者，初级驱动器201、调制器202、带通滤波器203和振荡器204可以实施为离散组件。
初级驱动器201可电连接到控制器6A的Pri_Ctrl节点和FB节点，且配置成从FB节点接收反馈信号VFB并生成初级控制信号Vctrl_pri到Pri_Ctrl节点以控制初级开关Q1。
振荡器204可配置成连续地生成载波Vcw。调制器202可电连接到初级驱动器201和振荡器204，且配置成从振荡器204接收载波Vcw，并从初级驱动器201接收初级控制信号Vctrl_pri。调制器202可进一步配置成基于初级控制信号Vctrl_pri调制载波Vcw以生成同步信号Vsyn。
带通滤波器203可电连接于调制器202和Pri_Syn节点之间，且配置成在同步信号Vsyn传输到Pri_Syn节点并接着通过耦合器50耦合之前从同步信号Vsyn中滤出噪声。
参考图3。次级控制器7A可包括次级驱动器301、解调器302、带通滤波器303。带通滤波器303可电连接于Sec_Syn节点和解调器302之间，且配置成在从耦合器50耦合到Sec_Syn节点的同步信号Vsyn中滤出噪声。
解调器302可电连接到带通滤波器303，且配置成从带通滤波器303接收滤波后的同步信号Vsyn，并将同步信号Vsyn解调以提取初级控制信号Vctrl_pri。
次级驱动器301可电连接于解调器302和控制器7A的Sec_Ctrl节点之间，且配置成接收所提取的初级控制信号Vctrl_pri，并基于所提取的初级控制信号Vctrl_pri生成次级控制信号Vctrl_sec到Sec_Ctrl节点。
参考图4。当初级控制信号Vctrl_pri处于高信号值Vpri_ctrl_H使得初级开关Q1处于接通状态时，可以生成具有低信号值Vsec_ctrl_L的次级控制信号Vctrl_sec，以将次级开关Q2控制为处于断开状态。因而，次级开关可与初级开关同步或互锁，使得可以避免对初级和次级开关的同时接通，从而确保变换器的正确运行。
此外，由耦合器50传递的同步信号Vsyn可具有载波频率fcw，所述载波频率fcw和由初级控制信号Vpri_ctrl提供以操作变换器10的开关频率具有不同的频带，以便避免紧密堆叠且彼此对齐以共享一对共同铁氧体芯的变换器和耦合器之间发生串扰。
通常，载波频率fcw可在比初级控制信号Vpri_ctrl提供的开关频率fsw高得多的频率范围中。例如，载波频率fcw可大致为开关频率fsw的10到20倍。当初级控制信号Vpri_ctrl提供大约几百赫兹(Hz)的开关频率fsw时，载波Vcw可具有大约几千赫兹的载波频率fcw。
图5A和5B描绘根据本公开的一些实施例的基于GaN的功率转换器100B的示意图和电路图。
参考图5A和5B。功率转换器100B可包括多功能印刷电路板(PCB)101B，所述PCB101B包括用于集成功率转换器100B的多个组件的多个传导迹线和通孔。功率转换器100B可进一步包括用于将功率转换器100B的所述多个组件和PCB 101B包封到单个封装中的导热化合物(未示出)。
功率转换器100B可具有带正输入节点(In+)和负输入节点(In-)的输入端口，及带正输出节点(Out+)和负输出节点(Out-)的输出端口。
多功能PCB 101B可包括用于充当正输入节点(In+)的正输入触点、用于充当负输入节点(In-)的负输入触点、用于充当正输出节点(Out+)的正输出触点和用于充当负输出节点(Out-)的负输出触点。
功率转换器100B可进一步包括输入电容器Cin，所述输入电容器Cin附接到PCB100B上且具有连接到正输入触点的第一端子和连接到负输入触点的第二端子。
功率转换器100B可进一步包括输出电容器Cout，所述输出电容器Cout附接到PCB101B上且具有连接到正输出触点的第一端子和连接到负输出触点的第二端子。
功率转换器100B可进一步包括平面变换器10，所述平面变换器10形成于PCB中且配置成将功率从耦合到输入端口的电源传递到耦合到输出端口的负载。变换器10可包括变换器初级绕组11和变换器次级绕组12。
变换器初级绕组11可具有正初级端子(1+)和负初级端子(1-)。正初级端子可电连接到正输入触点。变换器次级绕组12可具有正次级端子(2+)和负次级端子(2-)。正次级端子可电连接到正输出触点。
功率转换器100B可进一步包括箝位电路4，所述箝位电路4配置成将输入电压箝位到所需要的DC电平。箝位电路可具有二极管D1、电容器C1和电阻器R1。二极管D1可附接到PCB 101B上且具有电连接到变换器初级绕组11的第二端子的正端子。电容器C1可附接到PCB 101B上且具有电连接到正输入节点(In+)的第一端子和电连接到二极管D1的负端子的第二端子。电阻器R1可附接到PCB 101B上且具有电连接到正输入节点(In+)的第一端子和电连接到二极管D1的负端子的第二端子。
功率转换器100B可进一步包括初级开关Q1，所述初级开关Q1配置成传导或阻断在变换器初级绕组11中流动的电流。初级开关Q1可附接在PCB 101B上，且具有电连接到变换器初级绕组11的负初级端子(1-)的第一功率端子和电连接到负输入节点(In-)的第二功率端子。
转换器100B可进一步包括次级开关Q2，所述次级开关Q2配置成传导或阻断在变换器次级绕组12中流动的电流。次级开关Q2可附接在PCB 101B上，且具有电连接到变换器次级绕组12的负次级端子(2-)的第一功率端子及电连接到负输出节点(Out-)的第二功率端子。
优选地，初级开关Q1和次级开关Q2中的每一个可由晶体管构造而成。晶体管可以是HEMT(高电子迁移率晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。MOSFET可选自N沟道增强型MOSFET、N沟道耗尽型MOSFET、P沟道增强型MOSFET或P沟道耗尽型MOSFET。晶体管可由III-V化合物等直接带隙材料形成或包含所述直接带隙材料，直接带隙材料包含但不限于例如GaAs、InP、GaN、InGaAs和AlGaAs。
在一些实施例中，初级开关Q1和次级开关Q2中的每一个可由基于增强型GaN HEMT的晶体管构造而成，所述晶体管具有作为第一功率端子的漏极、作为第二功率端子的源极和作为控制端子的栅极。
功率转换器100B可进一步包括初级控制器6B，所述初级控制器6B配置成生成用于接通和断开初级开关Q1的初级控制信号Vpri_ctrl。初级控制器6B可附接在PCB 101B上，且具有电连接到初级开关Q1的控制端子的初级控制(Pri_Ctrl)节点。
转换器100B可进一步包括次级控制器7B，所述次级控制器7B配置成生成用于接通和断开次级开关Q2的次级控制信号Vsec_ctrl。次级控制器7B可附接在PCB 101B上，且具有电连接到次级开关Q2的控制端子的次级控制(Sec_Ctrl)节点。
功率转换器100B可进一步包括反馈模块8，所述反馈模块8配置成检测跨输出端口的电压并将反馈信号VFB馈送到次级控制器7B的反馈(FB)节点。
反馈模块8可附接在PCB上，且具有电连接到正输出节点(Out+)的第一输入端子、电连接到负输出节点(Out-)的第二输入端子和电连接到次级控制器7的反馈(FB)节点的输出端子。
功率转换器100B可进一步包括平面磁耦合器50，所述平面磁耦合器50形成于PCB101B中且配置成将同步信号从次级控制器7B耦合到初级控制器6B，使得初级控制器6B可与次级控制器7B同步或合作以交替地接通和断开初级开关和次级开关，从而确保功率转换器100B的正确运行。
磁耦合器50可具有耦合器初级绕组51和耦合器次级绕组52。耦合器初级绕组51可具有电连接到初级控制器6B的初级同步(Pri_Syn)节点的正初级端子(11+)和电连接到负输入节点(In-)的负初级端子(11-)。耦合器次级绕组52可具有电连接到次级控制器7B的次级同步(Sec_Syn)节点的正次级端子(22+)和电连接到负输出节点(Out-)的负次级端子(22-)。
PCB 101B可包括一个或多个平面导电线圈，所述平面导电线圈分别形成于一个或多个PCB层之上且彼此对齐以构造变换器和耦合器。
图6和图7分别更详细地描绘次级控制器7B和初级控制器6B的功能框图以及它们如何连接到耦合器50。图8示出信号波形，展示了初级控制器6B如何通过耦合器50与次级控制器7B通信。
参考图6。次级控制器7B可包括次级驱动器601、调制器602、带通滤波器603和振荡器604。次级驱动器601、调制器602、带通滤波器603和振荡器604可集成到单个IC芯片中。或者，次级驱动器601、调制器602、带通滤波器603和振荡器604可实施为离散组件。
次级驱动器601可电连接到控制器7B的Sec_Ctrl节点和FB节点，且配置成从FB节点接收反馈信号VFB，并生成次级控制信号Vctrl_sec到Sec_Ctrl节点以控制次级开关Q2。
振荡器604可配置成连续地生成载波Vcw。调制器602可电连接到次级驱动器601和振荡器604，且配置成从振荡器604接收载波Vcw，并从次级驱动器601接收次级控制信号Vctrl_sec。调制器602可进一步配置成基于次级控制信号Vctrl_sec调制载波Vcw以生成同步信号Vsyn。
带通滤波器603可电连接于调制器602和Sec_Syn节点之间，且配置成在同步信号Vsyn传输到Sec_Syn节点并接着通过耦合器50耦合之前从同步信号Vsyn中滤出噪声。
参考图7。初级控制器6B可包括初级驱动器701、解调器702、带通滤波器703。带通滤波器703可电连接于Pri_Syn节点和解调器702之间，且配置成在从耦合器50耦合到Pri_Syn节点的同步信号Vsyn中滤出噪声。
解调器702可电连接到带通滤波器703，且配置成从带通滤波器703接收滤波后的同步信号Vsyn，并将同步信号Vsyn解调以提取次级控制信号Vctrl_sec。
初级驱动器701可电连接于解调器702和控制器7的Pri_Ctrl节点之间，且配置成接收所提取的次级控制信号Vctrl_pri并基于所提取的次级控制信号Vctrl_sec生成初级控制信号Vctrl_sec到Pri_Ctrl节点。
参考图8。当次级控制信号Vctrl_sec处于高信号值Vsec_ctrl_H使得次级开关Q2处于接通状态时，可以生成具有低信号值Vpri_ctrl_L的初级控制信号Vctrl_pri，以将初级开关Q1控制为处于断开状态。因而，初级开关可与次级开关同步或互锁，使得可以被避免对初级和次级开关的同时接通，从而确保变换器的正确运行。
此外，由耦合器50传递的同步信号Vsyn可具有载波频率fcw，所述载波频率fcw和由次级控制信号Vsec_ctrl提供以操作变换器10的开关频率具有不同的频带，以便避免紧密堆叠且彼此对齐以共享一对共同铁氧体芯的变换器和耦合器之间发生串扰。
通常，载波频率fcw可在比次级控制信号Vsec_ctrl提供的开关频率fsw高得多的频率范围中。例如，载波频率fcw可大致为开关频率fsw的10到20倍。当次级控制信号Vsec_ctrl提供大约几百赫兹(Hz)的开关频率fsw时，载波Vcw可具有大约几千赫兹的载波频率fcw。
图9A和9B描绘根据本公开的一些实施例的基于GaN的功率转换器100C的示意图和电路图。
参考图9A和9B。功率转换器100C可包括多功能印刷电路板(PCB)101C，所述PCB101C包括用于集成功率转换器100C的多个组件的多个传导迹线和通孔。功率转换器100C可进一步包括用于将功率转换器100C的所述多个组件和PCB 101C包封到单个封装中的导热化合物(未示出)。
功率转换器100C可具有带正输入节点(In+)和负输入节点(In-)的输入端口，及带正输出节点(Out+)和负输出节点(Out-)的输出端口。
多功能PCB 101C可包括用于充当正输入节点(In+)的正输入触点、用于充当负输入节点(In-)的负输入触点、用于充当正输出节点(Out+)的正输出触点和用于充当负输出节点(Out-)的负输出触点。
功率转换器100C可进一步包括输入电容器Cin，所述输入电容器Cin附接到PCB100C上且具有连接到正输入触点的第一端子和连接到负输入触点的第二端子。
功率转换器100C可进一步包括输出电容器Cout，所述输出电容器Cout附接到PCB101C上且具有连接到正输出触点的第一端子和连接到负输出触点的第二端子。
功率转换器100C可进一步包括平面变换器10，所述平面变换器10形成于PCB中且配置成将功率从耦合到输入端口的电源传递到耦合到输出端口的负载。变换器10可包括变换器初级绕组11和变换器次级绕组12。
变换器初级绕组11可具有正初级端子(1+)和负初级端子(1-)。正初级端子可电连接到正输入触点。变换器次级绕组12可具有正次级端子(2+)和负次级端子(2-)。正次级端子可电连接到正输出触点。
功率转换器100C可进一步包括箝位电路4，所述箝位电路4配置成将输入电压箝位到所需要的DC电平。箝位电路可具有二极管D1、电容器C1和电阻器R1。二极管D1可附接到PCB 101C上且具有电连接到变换器初级绕组11的第二端子的正端子。电容器C1可附接到PCB 101C上且具有电连接到正输入节点(In+)的第一端子和电连接到二极管D1的负端子的第二端子。电阻器R1可附接到PCB 101C上且具有电连接到正输入节点(In+)的第一端子和电连接到二极管D1的负端子的第二端子。
功率转换器100C可进一步包括初级开关Q1，所述初级开关Q1配置成传导或阻断在变换器初级绕组11中流动的电流。初级开关Q1可附接在PCB 101C上，且具有电连接到变换器初级绕组11的负初级端子(1-)的第一功率端子和电连接到负输入节点(In-)的第二功率端子。
转换器100C可进一步包括次级开关Q2，所述次级开关Q2配置成传导或阻断在变换器次级绕组12中流动的电流。次级开关Q2可附接在PCB 101C上，且具有电连接到变换器次级绕组12的负次级端子(2-)的第一功率端子及电连接到负输出节点(Out-)的第二功率端子。
优选地，初级开关Q1和次级开关Q2中的每一个可由晶体管构造而成。晶体管可以是HEMT(高电子迁移率晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。MOSFET可选自N沟道增强型MOSFET、N沟道耗尽型MOSFET、P沟道增强型MOSFET或P沟道耗尽型MOSFET。晶体管可由III-V化合物等直接带隙材料形成或包含所述直接带隙材料，直接带隙材料包含但不限于例如GaAs、InP、GaN、InGaAs和AlGaAs。
在一些实施例中，初级开关Q1和次级开关Q2中的每一个可由基于增强型GaN HEMT的晶体管构造而成，所述晶体管具有作为第一功率端子的漏极、作为第二功率端子的源极和作为控制端子的栅极。
功率转换器100C可进一步包括初级控制器6C，所述初级控制器6C配置成生成用于接通和断开初级开关Q1的初级控制信号Vpri_ctrl。初级控制器6C可附接在PCB 101C上，且具有电连接到初级开关Q1的控制端子的初级控制(Pri_Ctrl)节点。
转换器100C可进一步包括次级控制器7C，所述次级控制器7C配置成生成用于接通和断开次级开关Q2的次级控制信号Vsec_ctrl。次级控制器7C可附接在PCB 101C上，且具有电连接到次级开关Q2的控制端子的次级控制(Sec_Ctrl)节点。
功率转换器100C可进一步包括反馈模块8，所述反馈模块8配置成检测跨输出端口的电压并通过光耦合器9将反馈信号VFB馈送到初级控制器6C的反馈(FB1)节点或馈送到次级侧控制器7C的反馈(FB2)节点。
反馈模块8可附接在PCB 101C上，且具有电连接到正输出节点(Out+)的第一输入端子和电连接到负输出节点(Out-)的第二输入端子。反馈模块8可进一步具有电连接到光耦合器9的第一输出端子和电连接到次级控制器7C的FB2节点的第二输出端子。
光耦合器9可附接在PCB 101C上，且具有电连接到反馈模块8的第二输出端子的输入端子和电连接到初级控制器6C的FB1节点的输出端子。
功率转换器100C可进一步包括平面磁耦合器50，所述平面磁耦合器50形成于PCB101C中且配置成以半双工方式在初级控制器6C和次级控制器7C之间耦合同步信号，使得次级控制器7C和初级控制器6C彼此同步或合作以交替地接通和断开初级开关和次级开关，从而确保功率转换器100C的正确运行。
磁耦合器50可具有耦合器初级绕组51和耦合器次级绕组52。耦合器初级绕组51可具有电连接到初级控制器6C的初级同步(Pri_Syn)节点的正初级端子(11+)和电连接到负输入节点(In-)的负初级端子(11-)。耦合器次级绕组52可具有电连接到次级控制器7C的次级同步(Sec_Syn)节点的正次级端子(22+)和电连接到负输出节点(Out-)的负次级端子(22-)。
PCB 101C可包括一个或多个平面导电线圈，所述平面导电线圈分别形成于一个或多个PCB层之上且彼此对齐以构造变换器和耦合器。
图10和图11分别更详细地描绘初级控制器6C和次级控制器7C的功能框图以及它们如何连接到耦合器50。图12A-12B示出信号波形，展示了初级控制器6C和次级控制器7C如何以半双工方式通过耦合器50彼此通信。
参考图10。初级控制器6C可包括初级驱动器1001、调制器1002、带通滤波器1003、振荡器1004和解调器1005。初级驱动器1001、调制器1002、带通滤波器1003、振荡器1004和解调器1005可集成到单个IC芯片中。或者，初级驱动器1001、调制器1002、带通滤波器1003、振荡器1004和解调器1005可实施为离散组件。
初级驱动器1001可电连接到控制器6C的Pri_Ctrl节点和FB1节点。调制器1002可电连接到初级驱动器1001和振荡器1004。带通滤波器1003可电连接到调制器1002和Pri_Syn节点。解调器1105可电连接到带通滤波器1003和初级驱动器1001。
参考图11。次级控制器7C可包括次级驱动器1101、解调器1102、带通滤波器1103、振荡器1104和调制器1105。次级驱动器1101、解调器1102、带通滤波器1103、振荡器1104和调制器1105可集成到单个IC芯片中。或者，次级驱动器1101、解调器1102、带通滤波器1103、振荡器1104和调制器1105可实施为离散组件。
次级驱动器1101可电连接到控制器7C的Sec_Ctrl节点和FB2节点。调制器1105可电连接到次级驱动器1101和振荡器1104。带通滤波器1103可电连接到调制器1105和Sec_Syn节点。解调器1102可电连接到带通滤波器1103和次级驱动器1101。
返回参考图10和11。初级控制器6C和次级控制器7C可以第一通信模式操作，其中同步信号通过耦合器50从初级控制器6C耦合到次级控制器7C。
在初级控制器6C中，初级驱动器1001可配置成从FB1节点接收反馈信号VFB，并生成初级控制信号Vctrl_pri到Pri_Ctrl节点以控制初级开关Q1。振荡器1004可配置成连续地生成载波Vcw。调制器1002可配置成从振荡器1004接收载波Vcw并从初级驱动器1001接收初级控制信号Vctrl_pri。调制器1002可进一步配置成基于初级控制信号Vctrl_pri调制载波Vcw以生成同步信号Vsyn1。带通滤波器1003可配置成在同步信号Vsyn1传输到Pri_Syn节点并接着通过耦合器50耦合之前从同步信号Vsyn1中滤出噪声。
在次级控制器7C中，带通滤波器1103可配置成在从耦合器50耦合到Sec_Syn节点的同步信号Vsyn1中滤出噪声。解调器1102可配置成从带通滤波器1103接收滤波后的同步信号Vsyn1，并将同步信号Vsyn1解调以提取初级控制信号Vctrl_pri。次级驱动器1101可配置成接收所提取的初级控制信号Vctrl_pri，并基于所提取的初级控制信号Vctrl_pri生成次级控制信号Vctrl_sec到Sec_Ctrl节点。
参考图12A。当初级控制信号Vctrl_pri处于高信号值Vpri_ctrl_H使得初级开关Q1处于接通状态时，可以生成具有低信号值Vsec_ctrl_L的次级控制信号Vctrl_sec，以将次级开关Q2控制为处于断开状态。因而，次级开关可与初级开关同步或互锁，使得可以避免对初级和次级开关的同时接通，从而确保变换器的正确运行。
此外，由耦合器50传递的同步信号Vsyn1可具有载波频率fcw，所述载波频率fcw和由初级控制信号Vpri_ctrl提供以操作变换器10的开关频率具有不同的频带，以便避免紧密堆叠且彼此对齐以共享一对共同铁氧体芯的变换器和耦合器之间发生串扰。
通常，载波频率fcw可在比初级控制信号Vpri_ctrl提供的开关频率fsw高得多的频率范围中。例如，载波频率fcw可大致为开关频率fsw的10到20倍。当初级控制信号Vpri_ctrl提供大约几百赫兹(Hz)的开关频率fsw时，载波Vcw可具有大约几千赫兹的载波频率fcw。
返回参考图10和11。次级控制器7C和初级控制器6C可以第二通信模式操作，其中同步信号通过耦合器50从次级控制器7C耦合到初级控制器6C。
在次级控制器7C中，次级驱动器1101可配置成从FB2节点接收反馈信号VFB，并生成次级控制信号Vctrl_sec到Sec_Ctrl节点以控制次级开关Q2。振荡器1104可配置成连续地生成载波Vcw。调制器1105可配置成从振荡器1104接收载波Vcw，并从次级驱动器1101接收次级控制信号Vctrl_sec。调制器1102可进一步配置成基于次级控制信号Vctrl_sec调制载波Vcw以生成同步信号Vsyn2。带通滤波器1103可配置成在同步信号Vsyn2传输到Sec_Syn节点并接着通过耦合器50耦合之前从同步信号Vsyn2中滤出噪声。
在初级控制器6C中，带通滤波器1103可配置成在从耦合器50耦合到Pri_Syn节点的同步信号Vsyn2中滤出噪声。解调器1105可配置成从带通滤波器1103接收滤波后的同步信号Vsyn2，并将同步信号Vsyn2解调以提取次级控制信号Vctrl_sec。初级驱动器1101可配置成接收所提取的次级控制信号Vctrl_sec，并基于所提取的次级控制信号Vctrl_sec生成初级控制信号Vctrl_Pri到Pri_Ctrl节点。
参考图12B。当次级控制信号Vctrl_sec处于高信号值Vsec_ctrl_H使得次级开关Q2处于接通状态时，可以生成具有低信号值Vpri_ctrl_L的初级控制信号Vctrl_pri，以将初级开关Q1控制为处于断开状态。因而，初级开关可与次级开关同步或互锁，使得可以避免对初级和次级开关的同时接通，从而确保变换器的正确运行。
此外，由耦合器50传递的同步信号Vsyn2可具有载波频率fcw，所述载波频率fcw和由次级控制信号Vsec_ctrl提供以操作变换器10的开关频率具有不同的频带，以便避免紧密堆叠且彼此对齐以共享一对共同铁氧体芯的变换器和耦合器之间发生串扰。
通常，载波频率fcw可在比次级控制信号Vsec_ctrl提供的开关频率fsw高得多的频率范围中。例如，载波频率fcw可大致为开关频率fsw的10到20倍。当次级控制信号Vsec_ctrl提供大约几百赫兹(Hz)的开关频率fsw时，载波Vcw可具有大约几千赫兹的载波频率fcw。
图13描绘功率转换器100A的简化侧视图，此侧视图还可应用于功率转换器100B和100C。参考图3，功率转换器100A、100B和100C中的每一个可进一步包括一对第一铁氧体芯131和第二铁氧体芯132，它们分别固定在PCB的顶表面和底表面上。第一铁氧体芯131和第二铁氧体芯132可与变换器和耦合器的平面导电线圈对齐，并由变换器10和耦合器50共享，以引导磁场线并使能量损耗最小化。
在一些实施例中，铁氧体芯可以是E形的。第一铁氧体芯131可包含中间突出部1312及一对第一侧突出部1314a和第二侧突出部1314b。第二铁氧体芯132可包含中间突出部1322和两个侧突出部1324a、1324b。
返回参考图1A、5A和9A，PCB 101A、101B和101C中的每一个可具有在平面导电线圈的芯区域处形成的中间开口112及分别在平面导电线圈的两个相对侧区域处形成的一对第一侧开口114a和第二侧开口114b。中间开口112可具有与铁氧体芯131的中间突出部1312和铁氧体芯132的中间突出部1322匹配的形状。第一侧开口114a可与侧突出部1314a和1324a匹配，第二侧开口114b可与侧突出部1314b和1324b匹配。
所述两个铁氧体芯131、132可通过以下操作彼此接合：穿过中间开口112将中间突出部1312、1322彼此对齐，穿过第一侧开口114a将第一侧突出部1314a和1324a彼此对齐；以及穿过第二侧开口124a将第二侧突出部1314b和1324b彼此对齐。
或者，第一铁氧体芯可以是E形的，第二芯可以是I形的(未示出)。第一铁氧体芯可包含中间突出部及一对第一和第二侧突出部。第二铁氧体芯可大体上成形为长方体。所述两个铁氧体芯可通过以下操作接合并固定到PCB上：将第一铁氧体芯的中间突出部与中间开口112对齐，使第一铁氧体芯的第一侧突出部穿过第一侧开口114a；以及穿过第二侧开口124a对齐第一铁氧体芯的第二侧突出部。
在其它实施例中，铁氧体芯可替换为分别在PCB的顶表面和底表面上用磁性或铁氧体聚合物油墨丝网印刷一个或多个磁性或铁氧体区域。所述一个或多个磁性或铁氧体区域可包含分别覆盖平面导电线圈的芯区域和所述两个相对侧区域的区域。
图14描绘根据本公开的一些实施例的多功能PCB 1400的简化分解图，示出了内置平面变换器10和内置平面磁耦合器50。尽管出于清晰度的目的未示出，但是应理解，PCB1400还应包含其它特征，例如但不限于用于在功率转换器的组件之间提供电连接的导电迹线和通孔。
参考图14。内置变换器10可包括变换器初级绕组11和变换器次级绕组12。
变换器初级绕组11可包括形成于PCB层1401上的平面导电线圈1411。变换器次级绕组12可包括形成于PCB层1402上的平面导电线圈1412。变换器10的匝比由平面线圈1411的匝数与平面线圈1412的匝数的比率决定。
平面线圈1411可安置在芯区域1421周围及两个相对侧区域1431a、1431b之间。平面导电线圈1411可具有第一端和第二端，它们分别配置成充当变换器初级绕组11的正初级端子(1+)和负初级端子(1-)。
平面线圈1412可安置在芯区域1422周围及两个相对侧区域1432a、1432b之间。平面导电线圈1412可具有第一端和第二端，它们分别配置成充当变换器次级绕组12的正次级端子(2+)和负次级端子(2-)。
PCB层1401可安置成邻近于PCB层1402，使得平面线圈1411与平面线圈1412磁耦合以形成变换器层组合件10。
内置平面磁耦合器50可包括耦合器初级绕组51和耦合器次级绕组52。耦合器初级绕组51可包括形成于PCB层1403上的平面导电线圈1413。耦合器次级绕组可包括形成于PCB层1404上的平面导电线圈1414。
平面线圈1413可安置在芯区域1423周围及两个相对侧区域1433a、1433b之间。平面导电线圈1413可具有第一端和第二端，它们分别配置成充当耦合器初级绕组51的正初级端子(11+)和负初级端子(11-)。
平面线圈1414可安置在芯区域1424周围及两个相对侧区域1434a、1434b之间。平面导电线圈1414可具有第一端和第二端，它们分别配置成充当耦合器次级绕组52的正次级端子(22+)和负次级端子(22-)。
PCB层1403可安置成邻近于PCB层1404，使得平面线圈1413与平面线圈1414磁耦合以形成耦合器层组合件50。
PCB层1401-1404可由用于多层PCB的任何材料制成，例如但不限于经环氧树脂浸渍的玻璃纤维基质(通常被称为FR4)或聚酰胺树脂材料。也可以使用其它材料，如用于刚性板的玻璃或用于柔性PCB的聚合胶带。本发明还涵盖刚性、柔性及刚性/柔性PCB的组合。
平面导电线圈1411-1414的形成可遵循标准PCB制造技术，例如使用光刻工艺，其中在酸蚀池中选择性地蚀刻掉粘合到层的铜层的非所要部分，在此之前，铜层已涂有通过含有电导体的所需图案的光掩模暴露于紫外光源的光致抗蚀剂并接着使用例如碳酸钾溶液显影。
PCB层1401-1404可堆叠在一起，并被布置成使得平面导电线圈1411-1414共同地彼此对齐，芯区域1421-1424共同地彼此对齐，且第一相对侧区域1431a-1434a共同地彼此对齐；并且第二相对侧区域1431b-1434b共同地彼此对齐。因而，变换器10和耦合器50可共享用于引导磁场线并使能量损耗最小化的共同铁氧体芯(未示出)。
除了层1401-1404之外，PCB 1400还可包括用于提供各种功能的层。例如，PCB1400可进一步包括屏蔽层1501，如图15中所示，屏蔽层1501可插入于变换器层组合件和耦合器层组合件之间，也就是插入于变换器10和耦合器50之间。屏蔽层1501可由铜或任何其它合适的导电材料制成。
图16描绘根据本公开的一些实施例的多功能PCB 1600的简化分解图，示出了内置平面变换器10和内置平面磁耦合器50。尽管出于清晰度的目的未示出，但是应理解，PCB1600还应包含其它特征，例如但不限于用于在功率转换器的组件之间提供电连接的导电迹线和通孔。
参考图16。内置变换器10可包括变换器初级绕组11和变换器次级绕组12。
变换器初级绕组11可包括形成于PCB层1601上的平面导电线圈1611。变换器初级绕组11可进一步包括形成于PCB层1606上且电连接到平面导电线圈1611的平面导电线圈1616。
变换器次级绕组12可包括形成于PCB层1602上的平面导电线圈1612。变换器次级绕组12可进一步包括形成于PCB层1605上且电连接到平面导电线圈1612的平面导电线圈1615。
变换器10的匝比由平面线圈1611(或1616)的匝数与平面线圈1612(或1615)的匝数的比率决定。
平面线圈1611可安置在芯区域1621周围及两个相对侧区域1631a、1631b之间。平面导电线圈1611可具有配置成充当变换器初级绕组11的正初级端子(1+)的第一端和电连接到平面线圈1616的第一端的第二端。
平面线圈1616可安置在芯区域1626周围及两个相对侧区域1636a、1636b之间。平面导电线圈1616可具有电连接到平面线圈1611的第二端的第一端和配置成充当变换器初级绕组11的负初级端子(1-)的第二端。
平面线圈1612可安置在芯区域1622周围及两个相对侧区域1632a、1632b之间。平面导电线圈1612可具有配置成充当变换器次级绕组12的正次级端子(2+)的第一端和电连接到平面线圈1615的第一端的第二端。
平面线圈1615可安置在芯区域1625周围及两个相对侧区域1635a、1635b之间。平面导电线圈1615可具有电连接到平面线圈1612的第二端的第一端和配置成充当变换器次级绕组12的负次级端子(2-)的第二端。
PCB层1601可安置成邻近于PCB层1602，使得平面线圈1611与平面线圈1612磁耦合以形成第一变换器层组合件10a。
PCB层1605可安置成邻近于PCB层1606，使得平面线圈1615与平面线圈1616磁耦合以形成第二变换器层组合件10b。
内置平面磁耦合器50可包括耦合器初级绕组51和耦合器次级绕组52。耦合器初级绕组51可包括形成于PCB层1603上的平面导电线圈1613。耦合器次级绕组可包括形成于PCB层1604上的平面导电线圈1614。
平面线圈1613可安置在芯区域1623周围及两个相对侧区域1633a、1633b之间。平面导电线圈1613可具有第一端和第二端，它们分别配置成充当耦合器初级绕组51的正初级端子(11+)和负初级端子(11-)。
平面线圈1614可安置在芯区域1624周围及两个相对侧区域1634a、1634b之间。平面导电线圈1614可具有第一端和第二端，它们分别配置成充当耦合器次级绕组52的正次级端子(22+)和负次级端子(22-)。
PCB层1603可安置成邻近于PCB层1604，使得平面线圈1613与平面线圈1614磁耦合以形成耦合器层组合件50。
PCB层1601-1606可由用于多层PCB的任何材料制成，例如但不限于经环氧树脂浸渍的玻璃纤维基质(通常被称为FR4)或聚酰胺树脂材料。也可以使用其它材料，如用于刚性板的玻璃或用于柔性PCB的聚合胶带。本发明还涵盖刚性、柔性及刚性/柔性PCB的组合。
平面导电线圈1611-1616的形成可遵循标准PCB制造技术，例如使用光刻工艺，其中在酸蚀池中选择性地蚀刻掉粘合到层的铜层的非所要部分，在此之前，铜层已涂有通过含有电导体的所需图案的光掩模暴露于紫外光源的光致抗蚀剂并接着使用例如碳酸钾溶液显影。
PCB层1601-1606可堆叠在一起，并被布置成使得平面导电线圈1611-1616共同地彼此对齐，芯区域1621-1626共同地彼此对齐，且第一相对侧区域1631a-1636a共同地彼此对齐；并且第二相对侧区域1631b-1636b共同地彼此对齐。因而，变换器10和耦合器50可共享用于引导磁场线并使能量损耗最小化的共同铁氧体芯(未示出)。
除了层1601-1604之外，PCB 1600还可包括用于提供各种功能的层。例如，如图17中所示，PCB 1600可进一步包括：第一屏蔽层1701，其插入于第一变换器层组合件10a和耦合器层组合件50之间，也就是PCB层1602和1603之间；以及第二屏蔽层1702，其插入于耦合器层组合件50和第二变换器层组合件10b之间，也就是PCB层1604和1605之间。屏蔽层可由铜或任何其它合适的导电材料制成。
尽管在图14-17中示出平面导电线圈1411-1414、1611-1616具有螺旋矩形形状，但是应理解，平面导电线圈1411-1414、1611-1616还可具有其它形状，例如图18A中所示的圆形螺旋形状、图18B中所示的方形螺旋形状或图18C中所示的六边形螺旋形状。
还应理解，多功能PCB可具有以任何合适的次序布置以形成平面变换器绕组的任何合适数目的PCB层，以及以任何合适的次序布置以形成平面耦合器绕组的任何数目的PCB层。
图19描绘根据本公开的实施例的用于制造基于GaN的功率转换器的方法的流程图。参考图19，方法可包括以下步骤：
S1902：制作印刷电路板(PCB)，其包括分别形成于多个PCB层之上以构造变换器和耦合器的多个平面导电线圈及用于集成功率转换器的多个电组件的多个传导迹线和通孔；
S1904：在所述多个平面导电线圈的中心区域处形成中间开口，并在所述多个平面导电线圈的两个相对的邻近区域处形成两个侧开口；
S1906：将功率转换器的所述多个电组件组装到PCB，其中所述多个电组件可至少包含电连接到变换器初级绕组的初级开关；电连接到变换器次级绕组的次级开关；电连接到初级开关和耦合器初级绕组的初级控制器；以及电连接到次级开关和耦合器次级绕组的次级控制器；
S1908：将一对铁氧体芯分别固定到PCB的顶表面和底表面上，使得铁氧体芯彼此接合，其中它们的中间突出部和侧突出部彼此对应地对齐且通过相应的中间和侧开口；
S1910：用导热化合物包封所述多个电组件和PCB。
图20描绘根据本公开的一些实施例的用于制造多功能PCB的方法的流程图。参考图20，方法可包括以下步骤：
S2002：分别在一个或多个PCB层之上形成一个或多个平面导电线圈以构造内置变换器和内置耦合器；
S2004：在所述一个或多个PCB层之上形成多个导电迹线和导电通孔，以在内置变换器、内置耦合器和所述多个组件之间提供电连接；以及
S2006：堆叠所述一个或多个PCB层并将所述一个或多个平面导电线圈彼此对齐，使得内置变换器和内置耦合器可以共享一对共同的铁氧体芯。
优选地，步骤S2002中的内置变换器的构造可包括以下步骤：
S2008：在第一PCB层之上形成变换器初级线圈以构造变换器初级绕组；
S2010：在第二PCB层之上形成变换器次级线圈以构造变换器次级绕组；以及
S2012：将第一PCB层安置成邻近于第二PCB层，使得变换器初级线圈与变换器次级线圈磁耦合以形成变换器层组合件。
优选地，步骤S2002中的内置耦合器的构造可包括以下步骤：
S2014：在第三PCB层之上形成耦合器初级线圈以构造耦合器初级绕组；
S2016：在第四PCB层之上形成耦合器次级线圈以构造耦合器次级绕组；以及
S2018：将第三PCB层安置成邻近于第四PCB层，使得耦合器初级线圈与耦合器次级线圈磁耦合以形成耦合器层组合件。
任选地，步骤S2002可进一步包括S2020：在变换器层组合件和耦合器层组合件之间插入屏蔽层。
图21描绘根据本公开的其它实施例的用于制造多功能PCB的方法的流程图。参考图21，方法可包括以下步骤：
S2102：分别在一个或多个PCB层之上形成一个或多个平面导电线圈以构造内置变换器和内置耦合器；
S2104：在所述一个或多个PCB层之上形成多个导电迹线和导电通孔，以在内置变换器、内置耦合器和所述多个组件之间提供电连接；以及
S2106：堆叠所述一个或多个PCB层并将所述一个或多个平面导电线圈彼此对齐，使得内置变换器和内置耦合器可以共享一对共同的铁氧体芯。
优选地，步骤S2102中的内置变换器的构造可包括以下步骤：
S2108：在第一PCB层之上形成第一变换器初级线圈，并在第六PCB层之上形成第二变换器初级线圈；
S2110：电连接第一变换器初级线圈与第二变换器初级线圈以形成变换器初级绕组；
S2112：在第二PCB层之上形成第一变换器次级线圈，并在第五PCB层之上形成第二变换器次级线圈；
S2114：电连接第一变换器次级线圈与第二变换器次级线圈以形成变换器次级绕组；
S2116：将第一PCB层安置成邻近于第二PCB层，使得第一变换器初级线圈与第一变换器次级线圈磁耦合以形成第一变换器层组合件；以及
S2118：将第五PCB层安置成邻近于第六PCB层，使得第二变换器初级线圈与第二变换器次级线圈磁耦合以形成第二变换器层组合件。
优选地，步骤2102中的内置耦合器的构造可包括以下步骤：
S2120：在第三PCB层之上形成耦合器初级线圈以构造耦合器初级绕组；
S2122：在第四PCB层之上形成耦合器次级线圈以构造耦合器次级绕组；以及
S2124：将第三PCB层安置成邻近于第四PCB层，使得耦合器初级线圈与耦合器次级线圈磁耦合以形成耦合器层组合件。
任选地，步骤S2102可进一步包括：
S2126：在第一变换器层组合件和耦合器层组合件之间插入第一屏蔽层；以及
S2128：在第二变换器层组合件和耦合器层组合件之间插入第二屏蔽层。
出于说明和描述的目的，已提供本发明的前述描述。它并不意图是穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。许多修改以及变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。
选择和描述实施例是为了最佳地阐释本发明的原理和其实际应用，借此使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于所预期的特定用途的各种修改。
虽然本文中公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作加以描述，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非在本文中特定指示，否则操作的次序和分组并非限制性的。

Claims (31)

1.一种基于GaN的功率转换器，其特征在于，包括：
变换器，其具有变换器初级绕组和变换器次级绕组；
初级开关，其电连接到所述变换器的所述初级绕组；
次级开关，其电连接到所述变换器的所述次级绕组；
初级控制器，其配置成控制所述初级开关接通和断开；
次级控制器，其配置成控制所述次级开关接通和断开；
耦合器，其具有电连接到所述初级控制器的耦合器初级绕组和电连接到所述次级控制器的耦合器次级绕组；以及
多层印刷电路板(PCB)，其包括：
一个或多个平面线圈，其分别形成于一个或多个PCB层之上且彼此对齐以构造所述变换器和所述耦合器；以及
多个传导迹线和通孔，其用于在所述变换器、所述耦合器、所述初级开关、所述次级开关、所述初级控制器和所述次级控制器之间提供电连接；
其中所述变换器配置成通过以某一开关频率接通和断开所述初级开关和所述次级开关来传递功率；
所述耦合器配置成在所述初级控制器和所述次级控制器之间传递同步信号，使得所述初级开关和所述次级开关交替地接通和断开，从而确保所述变换器的正确运行。
2.根据权利要求1所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于：
所述耦合器配置成当所述初级控制器和所述次级控制器以第一通信模式操作时将同步信号从所述初级控制器传递到所述次级控制器；且
所述耦合器配置成当所述初级控制器和所述次级控制器以第二通信模式操作时将同步信号从所述次级控制器传递到所述初级控制器。
3.根据权利要求2所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述初级控制器包括初级驱动器，当所述初级控制器以所述第一通信模式操作时，所述初级驱动器配置成生成用于控制所述初级开关的初级控制信号。
4.根据权利要求3所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述初级控制器包括第一振荡器，当所述初级控制器以所述第一通信模式操作时，所述第一振荡器配置成连续地生成载波。
5.根据权利要求4所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述初级控制器包括第一调制器，当所述初级控制器以所述第一通信模式操作时，所述第一调制器配置成：
从所述第一振荡器接收所述载波，并从所述初级驱动器接收所述初级控制信号；以及
基于所述初级控制信号调制所述载波以生成所述同步信号。
6.根据权利要求5所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述初级控制器包括初级带通滤波器，当所述初级控制器以所述第一通信模式操作时，所述初级带通滤波器配置成在通过所述耦合器耦合所述同步信号之前从所述同步信号中滤出噪声。
7.根据权利要求6所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述次级控制器包括次级带通滤波器，当所述次级控制器以所述第一通信模式操作时，所述次级带通滤波器配置成从通过所述耦合器耦合的所述同步信号中滤出噪声。
8.根据权利要求7所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述次级控制器包括第二解调器，当所述次级控制器以所述第一通信模式操作时，所述第二解调器配置成接收通过所述次级带通滤波器滤波的所述同步信号并将所述同步信号解调以提取所述初级控制信号。
9.根据权利要求8所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述次级控制器包括次级驱动器，当所述次级控制器以所述第一通信模式操作时，所述次级驱动器配置成接收所提取的初级控制信号，并基于所述所提取的初级控制信号生成用于控制所述次级开关的次级控制信号。
10.根据权利要求2所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述次级控制器包括次级驱动器，当所述次级控制器以所述第二通信模式操作时，所述次级驱动器配置成生成用于控制所述次级开关的次级控制信号。
11.根据权利要求10所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述次级控制器包括第二振荡器，当所述次级控制器以所述第二通信模式操作时，所述第二振荡器配置成连续地生成载波。
12.根据权利要求11所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述次级控制器包括第二调制器，当所述次级控制器以所述第二通信模式操作时，所述第二调制器配置成：
从所述第二振荡器接收所述载波，并从所述次级驱动器接收所述次级控制信号；以及
基于所述次级控制信号调制所述载波以生成所述同步信号。
13.根据权利要求12所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述次级控制器包括次级带通滤波器，当所述次级控制器以所述第二通信模式操作时，所述次级带通滤波器配置成在通过所述耦合器耦合所述同步信号之前从所述同步信号中滤出噪声。
14.根据权利要求13所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述初级控制器包括初级带通滤波器，当所述初级控制器以所述第二通信模式操作时，所述初级带通滤波器配置成从通过所述耦合器耦合的所述同步信号中滤出噪声。
15.根据权利要求14所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述初级控制器包括第一解调器，当所述初级控制器以所述第二通信模式操作时，所述第一解调器配置成接收通过所述初级带通滤波器滤波的所述同步信号，并将所述同步信号解调以提取所述次级控制信号。
16.根据权利要求15所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述初级控制器包括初级驱动器，当所述初级控制器以所述第二通信模式操作时，所述初级驱动器配置成接收所提取的次级控制信号，并基于所述所提取的次级控制信号生成用于控制所述初级开关的初级控制信号。
17.根据权利要求1所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于：
所述变换器初级绕组包括形成于第一PCB层之上的变换器初级线圈；且
所述变换器次级绕组包括形成于第二PCB层之上的变换器次级线圈；且
所述第一PCB层安置成邻近于所述第二PCB层，使得所述变换器初级线圈与所述变换器次级线圈磁耦合以形成变换器层组合件。
18.根据权利要求17所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于：
所述耦合器初级绕组包括形成于第三PCB层之上的耦合器初级线圈；
所述耦合器次级绕组包括形成于第四PCB层之上的耦合器次级线圈；且
所述第三PCB层安置成邻近于所述第四PCB层，使得所述耦合器初级线圈与所述耦合器次级线圈磁耦合以形成耦合器层组合件。
19.根据权利要求18所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述PCB进一步包括插入于所述变换器层组合件和所述耦合器层组合件之间的屏蔽层。
20.根据权利要求1至16中任一项所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于：
所述变换器初级绕组包括
形成于第一PCB层之上的第一变换器初级线圈；以及
形成于第六PCB层之上且与所述第一变换器初级线圈电连接的第二变换器初级线圈；
所述变换器次级绕组包括：
形成于第二PCB层之上的第一变换器次级线圈；以及
形成于第五PCB层之上且与所述第一变换器次级线圈电连接的第二变换器次级线圈；
所述第一PCB层安置成邻近于所述第二PCB层以形成第一变换器层组合件；且
所述第五PCB层安置成邻近于所述第六PCB层以形成第二变换器层组合件。
21.根据权利要求20所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于：
所述耦合器初级绕组包括形成于第三PCB层之上的耦合器初级线圈；
所述耦合器次级绕组包括形成于第四PCB层之上的耦合器次级线圈；且
所述第三PCB层安置成邻近于所述第四PCB层以形成耦合器层组合件。
22.根据权利要求21所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，所述PCB进一步包括：插入于所述第一变换器层组合件和所述耦合器层组合件之间的第一屏蔽层；以及
插入于所述第二变换器层组合件和所述耦合器层组合件之间的第二屏蔽层。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，由所述耦合器传递的所述同步信号具有不同于所述开关频率的载波频率。
24.根据权利要求1至22中任一项所述的基于GaN的功率转换器，其特征在于，进一步包括一对铁氧体芯，其分别固定到所述PCB的顶表面和底表面上且由所述变换器和所述耦合器共享。
25.一种用于制造基于GaN的功率转换器的方法，其特征在于，所述方法包括：
制作印刷电路板(PCB)，其包括分别形成于多个PCB层之上以构造变换器和耦合器的多个平面导电线圈及用于集成所述功率转换器的多个电组件的多个传导迹线和通孔；其中所述变换器具有变换器初级绕组和变换器次级绕组；且所述耦合器具有耦合器初级绕组和耦合器次级绕组；
将所述功率转换器的所述多个电组件组装到所述PCB；其中所述多个电组件至少包含电连接到所述变换器初级绕组的初级开关；电连接到所述变换器次级绕组的次级开关；电连接到所述初级开关和所述耦合器初级绕组的初级控制器；以及电连接到所述次级开关和所述耦合器次级绕组的次级控制器；
用导热化合物包封所述多个电组件和所述PCB。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，PCB的所述制作进一步包括：
在第一PCB层之上形成变换器初级线圈以构造所述变换器初级绕组；
在第二PCB层之上形成变换器次级线圈以构造所述变换器次级绕组；
将所述第一PCB层安置成邻近于第二PCB层，使得所述变换器初级线圈与所述变换器次级线圈磁耦合以形成变换器层组合件。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，PCB的所述制作进一步包括：
在第三PCB层之上形成耦合器初级线圈以构造所述耦合器初级绕组；
在第四PCB层之上形成耦合器次级线圈以构造所述耦合器次级绕组；
将所述第三PCB层安置成邻近于所述第四PCB层，使得所述耦合器初级线圈与所述耦合器次级线圈磁耦合以形成耦合器层组合件。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，PCB的所述制作进一步包括在所述变换器层组合件和所述耦合器层组合件之间插入屏蔽层。
29.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，PCB的所述制作包括：
在第一PCB层之上形成第一变换器初级线圈，并在第六PCB层之上形成第二变换器初级线圈；
电连接所述第一变换器初级线圈与所述第二变换器初级线圈以形成所述变换器初级绕组；
在第二PCB层之上形成第一变换器次级线圈，并在第五PCB层之上形成第二变换器次级线圈；
电连接所述第一变换器次级线圈与所述第二变换器次级线圈以形成所述变换器次级绕组；
将所述第一PCB层安置成邻近于第二PCB层，使得所述第一变换器初级线圈与所述第一变换器次级线圈磁耦合以形成第一变换器层组合件；以及
将所述第五PCB层安置成邻近于第六PCB层，使得所述第二变换器初级线圈与所述第二变换器次级线圈磁耦合以形成第二变换器层组合件。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，PCB的所述制作进一步包括：
在第三PCB层之上形成耦合器初级线圈以构造所述耦合器初级绕组；
在第四PCB层之上形成耦合器次级线圈以构造所述耦合器次级绕组；
将所述第三PCB层安置成邻近于所述第四PCB层，使得所述耦合器初级线圈与所述耦合器次级线圈磁耦合以形成耦合器层组合件。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，PCB的所述制作进一步包括：
在所述第一变换器层组合件和所述耦合器层组合件之间插入第一屏蔽层；以及
在所述第二变换器层组合件和所述耦合器层组合件之间插入第二屏蔽层。
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