CN116471807A - 一种具有夹层结构的电源模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电源模块，包括至少一个电感模块，印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)顶板，以及至少一对功率器件芯片。其中PCB顶板位于电感模块上方，功率器件芯片位于PCB顶板上方。电源引脚和信号引脚为包裹电感模块的金属片，连接PCB顶板和电感模块所处的电路板。本发明电源模块的结构简单，集成度高，模块高度低，电流路径较短，功率损失较小，使用所述电源模块的处理器系统的散热更佳。

Description

一种具有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。

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器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用于输出大电流以及低电压的应用中，例如服务器和微处理器等。

现代图形处理器(GPU)、中央处理器(CPU)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，使得多相功率转换器的散热遇到了更大的挑战。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，所述电源模块将电感、功率开关和驱动器堆叠集成于一个较小的电源模块中。

根据本发明一实施例的一种电源模块，包括：至少一个电感模块，其中每个电感模块都具有一个磁芯和两个穿过磁芯的绕组；印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)顶板，位于至少一个电感模块之上；以及至少一对功率器件芯片，位于PCB顶板之上，其中每一对功率器件芯片位于对应电感模块上方的PCB顶板之上，以及其中每个功率器件芯片的至少一个引脚通过PCB顶板连接至相应电感模块的对应绕组；其中每个电感模块都被多个金属片包裹，所述多个金属片配置为电源引脚和信号引脚，连接PCB顶板和电感模块所在的电路板。

根据本发明的实施例的一种处理器系统，包括前述电源模块，还包括：主板；负载，位于主板之上；以及顶部冷却系统，位于负载和电源模块上方；其中，所述电源模块位于主板之上靠近负载的位置，用于给负载供电。

根据本发明的实施例的一种电感模块，包括：磁芯，具有至少一个通道；至少一个绕组，分别穿过磁芯的相应通道；多个金属片，覆盖于磁芯上，其中每个金属片都呈“C”型且包裹磁芯的部分侧面，并具有第一端和第二端，其中弯折的第一端覆盖在磁芯的部分顶部，以及弯折的第二端覆盖在磁芯的部分底部，其中所述金属片配置为电源引脚和信号引脚。

本发明电源模块具有结构简单，集成度高，模块高度低，电流路径较短，功率损失较小的优点，且配置所述电源模块的处理器系统的散热效果更佳。

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的结构示意图；

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；

图8示出了根据本发明一实施例的电感组80的三维分解图；

图9示出了根据本发明一实施例的电感组90的三维分解图；

图10示出了根据本发明一实施例的电感组100的三维分解图；

图11示出了根据本发明一实施例的电感组110的三维分解图；

图12示出了根据本发明一实施例的电感组120的三维分解图；

图13示出了根据本发明一实施例的电感组130的三维分解图；

图14示出了根据本发明一实施例的电感模块140的结构示意图；

图15示出了根据本发明一实施例的电源模块150的结构示意图；

图16示出了根据本发明一实施例的电源模块160的结构示意图；

图17示出了根据本发明一实施例的处理器系统170的结构示意图；

图18示出了根据本发明一实施例的处理器系统180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以及N个电感L1，其中N为整数，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以及一个驱动器DR1，所述驱动器DR1用于驱动功率开关M1和M2。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，即N个电感L1相继从输入源接收能量并按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仅做示例。本领域普通技术人员应当理解，具有其他拓扑结构的功率级，如Boost拓扑和Buck-Boost拓扑，同样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，或两个独立的单相功率转换器。

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：印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)底板201，位于电源模块20的底部；电感组206，位于PCB底板201之上，所述电感组206包括两个电感，其中每个电感都具有第一端和第二端；PCB顶板202，位于电感组206之上；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相应的焊盘上；以及两个功率器件芯片203，位于PCB顶板202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连接到电感组206中的电感的第二端。其中，每个电感都具有绕组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还包括位于PCB顶板202上的分立器件208。所述分立器件208是一个统称，其包括功率转换器10中涉及到的分立电阻、分立电容器等，例如在功率转换器10的输入端用于提供脉冲电流的输入电容，用于给驱动器和内部逻辑电路供电的滤波电容和电阻等等。

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。本领域的普通技术人员应当理解，任何可用于连接两个PCB的金属柱均可用于本发明。

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供电。PCB底板201被焊接到主板上，以将电源模块20的部分引脚连接到主板。在部分实施例中，PCB底板201可以省略。电源模块20可通过连接器204以及电感组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上的面积。每个功率器件芯片203都集成了图1中的功率器件103，即包括如图1所示的功率开关M1、M2以及驱动器DR1，还集成了图1中未示出的辅助电路。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，可确保功率器件芯片203可获得来自PCB底板201的信息。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的实施例中，因为金属片主要包裹在电感组206的侧面，其两端被弯折以在电感组206的上下表面形成靠近功率器件芯片203的接地引脚的焊盘。从而在水平面，即PCB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中的电感组206。如图3所示，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，以在两者的接合面形成两个通道303-1和303-2；以及绕组304-1和304-2分别穿过第一磁芯部分301和第二磁芯部分302之间的通道303-1和303-2。

在图3的实施例中，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的实施例中，磁芯第一磁芯部分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，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的两个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的实施例中，金属片350-1和305-2呈“L”型。金属片350-1和305-2的两端分别焊接至PCB顶板202和PCB底板201。金属片350-1和305-2的用于焊接PCB顶板202的一端弯折90度，并在磁芯表面延展，也即相当于在PCB顶板202的表面延展，该延展面通过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以及第二磁芯部分402，其中第一磁芯部分401和第二磁芯部分402组合在一起，在两者的接合面形成两个通道403-1和403-2；以及两个绕组404-1和404-2，分别穿过第一磁芯部分401和第二磁芯部分402之间的通道403-1和403-2。

在图4的实施例中，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以及绕组404-2的第二端404-6可不弯折。绕组的第二端是否弯折，弯折的方向以及延展面的形状等均取决于电源模块的PCB底板201上的对应焊盘的位置，若无PCB底板，则取决于电源模块20所处的主板上相应焊盘的位置。

在图4的实施例中，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，其中第一磁芯部分401具有平面形状，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的两个沟道和第一磁芯部分401的一个面401-1构成。

在图4的实施例中，金属片450-1和405-2呈“C”型。所述金属片450-1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的走线及走线阻抗。同样，金属片450-1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，该延展面通过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以及第二磁芯部分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个通道503-1和503-2；以及绕组504-1和504-2，分别穿过第一磁芯部分501和第二磁芯部分502之间的通道503-1和503-2。

在图5的实施例中，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的实施例中，金属片505呈“C”型。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，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上的相应焊盘相焊接，以此来减少PCB底板201的走线及其走线阻抗。同样，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，该延展面通过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的示例中，金属片505的中间部分往两侧延展，增大面积，以减少自身阻抗。

与图4中的电感组40相比，图5的电感组50的单个金属片505用于将PCB顶板202的接地引脚焊接至PCB底板201上。与图4相比，图5少了一个金属片，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。

在图5实施例中，磁芯的第一磁芯部分501和第二磁芯部分502与图4中的磁芯结构类似，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。图6中，所述磁芯60包括形状对称的第一磁芯部分601以及第二磁芯部分602，其中每个磁芯部分都具有两个沟道。当磁芯60用于图3～图5实施例的电感组时，第一磁芯部分的沟道和第二磁芯部分的沟道相覆合，组成两条通道，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、703-2形成了通道704-1。第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703-2、703-3形成了通道704-2。从图7可看出，若有更多的第三磁芯部分则可形成更多的磁芯通道。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可由不同材料制成，以提供更灵活可调的电感-电流曲线。

在本发明的部分实施例中，磁芯的各个磁芯部分可由相同材料制成,但具有不同的几何形状和/或成分百分比，以满足所需的电感-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。小电流时的大电感值可使系统的效率更高，而大电流时的小电感值可使系统的瞬态响应更好。在部分实施例中，磁芯的各个磁芯部分也可由不同材料制成，如铁氧体、铁粉或其他合适的磁性材料以获得所需的电感值曲线。

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。本领域的普通技术人员应当理解，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，在磁芯的各个磁芯部分之间可存在气隙以形成耦合电感。在部分实施例中，各个磁芯部分之间没有气隙，从而形成多个单电感。

在本发明中，为了使电感组具有平坦的表面，将覆盖磁芯表面的绕组和金属片嵌入磁芯表面，如图3和4所示。

图8示出了根据本发明一实施例的电感组80的三维分解图。所述电感组80可用作图2中的电感组206。如图8所示，电感组80包括：磁芯801，顶视具有对称结构，所述磁芯801具有的两个通道801-1和801-2从磁芯801的上表面801-3由上至下贯穿至下表面801-4，俯视磁芯801可以看出，两个通道对称地位于中轴线“D”的两侧；以及绕组802-1和802-2，分别穿过通道801-1和801-2。

在图8的实施例中，当电感组80应用于图2所示的电源模块20时，所述通道801-1和801-2垂直于PCB底板201和PCB顶板202，即通道801-1和801-2具有沿着如图2所示的轴线“B”的径向。

在图8的实施例中，所述绕组802-1和802-2是直的条状结构。

在图8的实施例中，金属片803-1、803-2、805-1和805-2从侧面看呈“C”型，紧贴磁芯801并部分包裹磁芯801。金属片803-1、803-2、805-1和805-2的两端弯折90度并延展，该延展面与PCB底板201和PCB顶板202上的相应焊盘相焊接，以此来减少PCB底板201和PCB顶板202内部的走线阻抗。在一个实施例中，金属片803-1与803-2通过PCB顶板202，将功率器件芯片203的电源引脚(图1中用于接收输入电压Vin的引脚)，焊接到PCB底板201或直接焊接到主板上，以减少PCB的走线阻抗。在图8的实施例中，金属片803-1和803-2的两个延展面的中间部分被去除，留下两个焊接区，根据金属片803-1和803-2留下的焊接区位置，去除金属片805-1和805-2的两个延展面的两侧部分，使其可相应放置在金属片803-1和803-2的两个焊接区之间。如图8所示，金属片803-1和805-1贴合后覆盖在磁芯801的侧面，中间存在隔离层804-1以防止两个金属片的电接触。同时，金属片803-2和805-2贴合后覆盖在磁芯801的另一侧面上，中间存在隔离层804-2以防止两个金属片的电接触。金属片803-1、803-2、805-1和805-2的两端弯折90度并延展以具有足够大的面积减小PCB的走线阻抗，同时金属片803-1、803-2、805-1和805-2具有足够的宽度以减小自身阻抗。

应当理解，在部分实施例中，金属片803-1和803-2可通过PCB顶板202电连接至功率器件芯片203的接地引脚上，以及金属片805-1和805-2可通过PCB顶板202电连接至功率器件芯片203的电源引脚上。也就是说，金属片803-1、803-2与金属片805-1、805-2的连接电位的互换均不脱离本发明的精神和范围。

图9示出了根据本发明一实施例的电感组90的三维分解图。所述电感组90可用作图2中的电感组206。电感组90与图8中的电感组80类似。不同之处在于，图9中绕组902-1和902-2的形状与图8中直的绕组802-1和802-2不同。在图9中，绕组902-1和902-2包括902-A，902-B和902-C三部分。其中，第一部分902-A从磁芯901的上表面901-3开始延伸，延伸方向垂直于上表面901-3；第二部分902-B从磁芯901的下表面901-4开始延伸，延伸方向垂直于下表面901-4；以及第三部分902-C将第一部分902-A和第二部分902-B相连接。在一个实施例中，第三部分902-C的径向平行于上表面901-3和下表面901-4。

图10示出了根据本发明一实施例的电感组100的三维分解图。电感组100可用作图2中的电感组206。所述电感组100与图9中的电感组90类似。不同之处在于，图10中绕组的第三部分1002-C具有足够的长度，以将第一部分1002-A和1002-B裸露于磁芯1001相应的侧面1001-5。其中绕组1002-1和1002-2的外露面与磁芯1001相应的侧面齐平，使电感组100具有平坦的表面。

图11示出了根据本发明一实施例的电感组110的三维分解图。所述电感组110可用作图2中的电感组206。电感组110与图10中的电感组100类似。不同之处在于，在图11中，每个绕组的第三部分1102-C足够长，以将绕组的第一部分1102-A和第二部分1102-B裸露于磁芯的表面，其中所述第一部分1102-A和第二部分1102-B的裸露面与磁芯的表面齐平，以使磁芯具有平坦的表面。在一个实施例中，所述第三部分1102-C径向垂直于磁芯上表面1101-3和下表面1101-4。

图12示出了根据本发明一实施例的电感组120的三维分解图。所述电感组120可用作图2中的电感组206。电感组120与图10中的电感组100类似。不同之处在于，图12中的金属片1203-1、1203-2和1204并不彼此覆盖。在图12中，金属片1203-1和1023-2覆盖于磁芯1001的两个相对的侧面，金属片1024则覆盖在剩余的一个侧面上。从侧面看，金属片1203-1、1203-2和1204都呈“C”型，且金属片的两端弯折90度以覆盖磁芯1001的上表面1001-3和下表面1001-4的部分区域。

在图12的实施例中，金属片1203-1和1203-2连接到第一电位，而金属片1204连接到第二电位。第一电位可以是功率器件203接地引脚的电位，第二电位可以是功率器件203电源引脚的电位，反之亦然。

图13示出了根据本发明一实施例的电感组130的三维分解图。电感组130可用作图2中的电感组206。电感组130与图12中的电感组120类似。不同之处在于，电感组130具有更多数量的金属片，即电感组130包括金属片1203-1、1203-2、1304-1和1304-2。在图13中，金属片1203-1和1203-2分别覆盖于磁芯1001相对的两个侧面，并共同电连接到第一电位，而金属片1304-1和1304-2分别覆盖于剩余的两个相对侧面，并共同电连接到第二电位。与图12类似，金属片1203-1、1203-2、1304-1和1304-2都呈“C”型，即每个金属片两端弯折90度以覆盖磁芯1001的上表面1001-3和下表面1001-4的部分区域。金属片数量的增加使PCB顶板202和PCB底板201(或电源模块所在的主板)的焊盘的分布具有更大的灵活性。

在本发明的不同实施例中的金属片可改变造型以包裹磁芯。并且，当磁芯的形状改变时，金属片的造型也相应改变。应当理解，所有的金属片和绕组都互不接触以防止电接触，即防止短路。

在部分实施例中，图8～13的部分或全部的金属片也可以为其他造型，如“L”型，即金属片的一端弯折以包裹磁芯上表面或下表面，例如图3所示的金属片350-1和305-2。在部分实施例中，图8～13的部分或全部的金属片可以为平面状，即两端未弯折。此外，在部分实施例中，不同造型的金属片可以互相覆盖组合在一起，其中金属片之间需要有隔离层将金属片隔开。

在本发明中，绕组从磁芯内部的通道穿过，意味着通道的形状与绕组相匹配。在部分实施例中，先塑形绕组，然后再用磁芯材料包裹绕组来制造整个电感。

在本发明的部分实施例中，磁芯表面覆盖了环氧树脂涂层，以将磁芯和包裹磁芯的金属片相隔离。

在本发明中，为了使电感的外表面平整，绕组裸露于电感外表面的部分以及覆盖于电感外表面的金属层，嵌入至电感的外表面，如图3-5及8-13所示。

如图2所示，夹层结构的电源模块20包括电感组206以及具有多个金属柱205的连接器204，金属柱分别焊接至PCB顶板和PCB底板的相应焊盘。也就是说，电感组206和连接器204是封装在PCB顶板和PCB底板之间的两个独立部件。在制造过程中，电感组206和连接器204的高度容差是有限的，因此需要尽量使电感组206与连接器204的高度保持一致。

图14示出了根据本发明一实施例的电感模块140。电感模块140将电感组和连接器集成于一个单独的模块中。引脚1401～1408，即覆盖在电感模块140表面的金属片实现了连接器的作用。在一实施例中，电感模块140取代了图2中的电感组206和连接器204，位于PCB顶板和PCB底板之间，集成于电源模块中。

与前述实施例中的电感组206相比，电感模块140的尺寸在水平方向上增加并在垂直方向上减小。水平方向的增加部分被信号引脚1401～1408覆盖。此外，与前述电感组相比，电感模块140在水平方向上的增加延长了通道和绕组的长度。因此，当电感模块140与前述实施例的电感组的高度相同时，电感模块140的电感值更大，即使电感模块140的高度小于电感组206，电感模块140依然可维持足够的电感值和低阻值。

在图14的实施例中，电感模块140包括两个电感，每个电感由磁芯1415和穿过磁芯1415通道的绕组1412和1413之一组成。在部分实施例中，两个电感可以是一个耦合电感。绕组1412和1413的结构与图9、10、12和13中的绕组结构相同，即绕组1412和1413的第一端引出至电感模块140的顶部1415-1，以及第二端引出至电感模块140的底部1415-2。绕组1412和1413的第一端通过PCB顶板分别连接到功率器件芯片203上。绕组1412和1413的第二端连接到PCB底板上，当无PCB底板时，则连接到主板上。

在图14中，绕组1412和1413的截面呈长方形，在面积相同的情况下，与正方形截面相比，长方形截面延长了绕组的有效长度。此外，具有长方形截面的绕组可以减小纹波电流的趋肤效应铜损，并且减小了绕组的磁路与围绕绕组的磁芯之间的长度差。绕组1412和1413暴露于电源模块140的上表面1415-1的长方形截面，其长边沿着图示“Y”方向，而“Y”方向垂直于绕组1412和1413的长度方向，而电源模块140的上表面1415-1的长方形截面的短边沿着图示“X”方向，而“X”方向平行于绕组1412和1413的长度方向。在其他实施例中，绕组1412和1413的结构可与图3～5以及11所示的绕组结构相同，而电感模块的通道和位于模块表面的金属片的结构也相应地调整。

在图14的实施例中，电感模块140沿绕组1412和1413穿过的通道的长度方向延展。信号引脚分布在平行于通道长度方向的电感模块140的侧面1415-3和1415-4上。侧面1415-3和1415-4相对并平行于绕组1412和1413的长度方向“X”。在一实施例中，位于侧面1415-3的信号引脚连接到位于电源模块顶部且靠近侧面1415-3的功率器件上，位于侧面1415-4的信号引脚连接到电源模块顶部且靠近侧面1415-4的其他功率器件上。

在图14的实施例中，信号引脚1401～1408都为“C”型的金属片，并包裹着磁芯1415，其两端分别位于磁芯1415的上表面和下表面，以分别连接至PCB顶板和PCB底板。当无PCB底板时，电感模块140焊接至由电源模块供电的负载所在的主板上。

在图14的示例中，信号引脚1401和1405通过如图2所示的PCB顶板分别接收脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号并提供给功率器件芯片203。信号引脚1402和1406通过PCB顶板提供功率器件芯片203的电流传感信号。信号引脚1403和1407通过PCB顶板接收功率器件芯片203的温度检测信号。信号引脚1404和1408接收使能信号，并通过PCB顶板将使能信号提供给功率器件芯片203。金属片1409、1410、1411和1414，即电源引脚，可连接电源模块的不同电位。例如，金属片1409可连接到功率器件芯片203的输入电压Vin上，金属片1410和1411可接地，以及金属片1414可连接到VCC电源上以给功率器件芯片203供电。

应当理解，电感模块140的引脚都是为了说明的目的。引脚的数量和分布可根据应用调整，以获得电感模块140与由电源模块供电的负载之间的最佳电流路径。

与前述实施例的电感组相比，图14中的电感模块140在保持了与前述实施例大致相等的电感值的情况下，大幅降低了模块高度。在图3～5以及8～13的实施例中，电感组的高度为5mm到8mm。电感模块140的高度H1为1mm到3mm，一般为2mm。电感模块140的高度降低后，电源模块的高度也相应降低，从而电源模块可放置在负载所在的主板/PCB的背面。也就是说，电源模块置于负载下方，主板/PCB位于电源模块和负载之间，这大大缩短了电流路径，减少了功率损失。

图15示出了根据本发明一实施例的电源模块150。如图15所示，电源模块150包括PCB底板1501、PCB顶板1502、电感模块140、功率器件芯片203以及多个分立器件208，所述多个分立器件208分布在PCB顶板1502上，并靠近功率器件模块203。如前面的实施例所述，PCB底板1501可以省略。如图15所示，连接器的去除简化了电源模块的结构，提高了集成度，从而改进了制造流程。

图16示出了根据本发明一实施例的电源模块160。与图15中的电源模块150相比，图16中的电源模块160进一步扩展，包含位于PCB顶板1602和底板1601之间的四个电感模块140。应当理解，在其他实施例中，电源模块可按需求扩展，以包含如图16所示类似结构的电感模块。

图17示出了根据本发明一实施例的处理器系统170。如图17所示，处理器系统170包括：主板1701、电源模块1702、负载1703和顶部冷却系统1704。图17中，电源模块1702可以是图15的电源模块150、图16的电源模块160或者是具有更多电感模块的电源模块。电源模块1702的底部或者说电感模块140的底部直接焊接至负载所在的主板上。负载1703包括GPU、CPU等。顶部冷却系统1704包括散热器，放置在电源模块1702和负载1703之上。理想状态下，顶部冷却系统1704需要与负载1703及电源模块1702接触以实现良好的散热。然而在实际应用中，电源模块1702常常高于负载1703，如图17所示。在这种情况下，顶部冷却系统1704和负载1703之间存在空隙。空隙越大，则散热效果越差。因此，需要减小电源模块1702的高度，以缩短顶部冷却系统1704和负载1703的距离。图17中的电源模块1702包括电感模块140，其高度远低于传统电源模块。如前所述，电感模块140的高度H1为1mm到3mm。因此，与使用传统电感组的电源模块相比，电源模块1702的高度减小了2mm到7mm，这可有效提高散热能力。

图18示出了根据本发明一实施例的处理器系统180。与图17的处理器系统170相比，处理器系统180采用了顶部冷却系统1804。顶部冷却系统1804包括热管散热器。热管散热器，即顶部冷却系统1804包括容器1804-1和管道1804-2。如图18所示，管道1804-2的两端弯曲。电源模块1702置于顶部冷却系统1804下方。当顶部冷却系统1804和负载1703之间的距离固定时，电源模块1702越低则可以越靠近负载1703。应当理解，负载1703和电源模块1702间的距离决定了电流路径，从而决定了功率损失。包含电感模块140的电源模块1702的高度远低于传统的电源模块。因此，在图18的实施例中，高度较低的电源模块的位置距离负载1703更近，缩短了电流路径、减少了功率损失。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种电源模块，包括：

至少一个电感模块，其中每个电感模块都具有一个磁芯和两个穿过磁芯的绕组；

印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)顶板，位于至少一个电感模块之上；以及

至少一对功率器件芯片，位于PCB顶板之上，其中每一对功率器件芯片位于对应电感模块上方的PCB顶板之上，以及其中每个功率器件芯片的至少一个引脚通过PCB顶板连接至相应电感模块的对应绕组；其中

每个电感模块都被多个金属片包裹，所述多个金属片配置为电源引脚和信号引脚，连接PCB顶板和电感模块所在的电路板。

2.如权利要求1所述的电源模块，其中在一个电感模块中，每个绕组都具有第一端和第二端，其中所述第一端引出至电感模块的顶部，所述第二端引出至电感模块的底部，其中电感模块的顶部被PCB顶板覆盖。

3.如权利要求1所述的电源模块，其中信号引脚分布在电感模块的第一侧面和第二侧面，其中第一侧面和第二侧面为相对面且平行于电感模块的绕组的长度方向。

4.如权利要求3所述的电源模块，其中在每个电感模块中，位于电感模块第一侧面的信号引脚连接到靠近第一侧面的功率器件芯片上，以及位于电感模块第二侧面的信号引脚连接到靠近第二侧面的功率器件芯片上。

5.如权利要求1所述的电源模块，其中每个电感模块从电感模块的下表面到电感模块的上表面的测量高度最大为3mm。

6.如权利要求1所述的电源模块，其中至少一个电源引脚配置为接收电源模块的输入电压。

7.如权利要求1所述的电源模块，其中至少一个电源引脚配置为接收电源模块的参考地电压。

8.如权利要求1所述的电源模块，其中至少一个电源引脚被配置为接收电源电压以给功率器件芯片供电。

9.一种处理器系统，包括如权利要求1-8任一项所述的电源模块，还包括：

主板；

负载，位于主板之上；以及

顶部冷却系统，位于负载和电源模块上方；

其中，所述电源模块位于主板之上靠近负载的位置，用于给负载供电。

10.一种电感模块，包括：

磁芯，具有至少一个通道；

至少一个绕组，分别穿过磁芯的至少一个相应通道；

多个金属片，覆盖于磁芯上，其中每个金属片都呈“C”型且包裹磁芯的部分侧面，并具有第一端和第二端，其中弯折的第一端覆盖在磁芯的部分顶部，以及弯折的第二端覆盖在磁芯的部分底部，其中所述金属片配置为电源引脚和信号引脚。

11.如权利要求10所述的电感模块，其中每个绕组都具有第一端引出至电感模块的顶部，以及第二端引出至电感模块的底部。

12.如权利要求10所述的电感模块，其中信号引脚分布在电感模块的第一侧面和第二侧面，其中第一侧面和第二侧面为相对面且平行于电感模块的绕组的长度方向。

13.如权利要求10所述的电感模块，其中从电感模块的下表面到电感模块的上表面的测量高度最大为3mm。

14.如权利要求10所述的电感模块，其中至少一个电源引脚配置为接收配置所述电感模块的电源模块的输入电压。

15.如权利要求10所述的电感模块，其中至少一个电源引脚配置为接收配置所述电感模块的电源模块的参考地电压。

16.如权利要求10所述的电感模块，其中至少一个电源引脚配置为接收电源电压，以给配置所述电感模块的电源模块的功率器件芯片供电。