CN1988345A - 包括安装在分离电路板上的控制器和功率组件的功率变换器 - Google Patents

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Abstract

在至少一些实施例中，功率变换器(50)包括适于安装在第一电路板(60)上的控制逻辑(56)以及适于电耦合到该控制逻辑(56)并且适于安装在第二电路板(62)上的功率组件。第一电路板(60)机械地附着到第二电路板(62)。在其他实施例中，一个系统包括系统板、附着到该系统板上的模块以及功率变换器(50)，该功率变换器包括电耦合到功率组件的控制器。该控制器被安装在该模块上，并且该功率组件被安装在该系统板上。

Description

包括安装在分离电路板上的控制器和功率组件的功率变换器
背景技术
功率变换器被用于包括计算机的多种应用。通常，功率变换器把输入电压变换到处于不同电压电平的输出电压。例如，功率变换器可以把12伏直流(VDC)电压变换到3.3VDC输出电压。
功率变换器通常包括低压控制电路和更高功率电路。所述功率电路包括一个或多个组件(例如晶体管)，一部分或所有的电输出电流流过这些组件。结果，该功率电路变得比控制电路更热甚至摸起来烫手，因此可以获益于热控制机制以便排出所产生的热量。从电子设备散热可能存在问题，尤其在某些情况下更是如此。例如，便携式电子设备(比如膝上型计算机)被设计得小而紧凑，因此只有很小的空闲空间用于使空气在各电子设备上流动。此外，由于膝上型计算机中的噪声和尺寸限制，风扇(如果有风扇的话)通常很小，并且通常不能使足够体积的空气流动。结果，将便携式电子设备(比如膝上型计算机)维持在热良性状态可能存在问题。因此，冷却功率变换器和功率电路可能很困难。
系统设计者面对的另一个问题是对电路板设计(例如另一个电路板)进行改变。如果一个电路板供应商设计了该板的某一部分(比如控制器芯片)，并且在设计并测试了该板之后改变到与为该初始部分设计的该板引脚不相容的另一部分，则有可能导致上述设计改变问题。改变到这种引脚不相容的部分的决定可能出于多种原因。例如，初始部分的销售商可能不再供应该部分，从而迫使板制造商转到替换部分。无论出于什么原因，不同的引脚不相容的一部分将与已经为另一部分设计的电路板相结合地使用；各部分中的改变导致必须对电路板的设计进行改变。例如，在计算机中的母板的情况下，这种设计改变可能是大规模的并且昂贵的。
附图说明
为了详细说明本发明的典型实施例，现在将参考附图，其中：
图1示出了功率变换器的一个典型电路实施例；
图2和3说明了可以分别安装功率变换器电路的不同部分的一种典型方式；
图4A示出了功率变换器的控制部分的顶视图；
图4B示出了图4A的功率变换器的平面局部剖视图，其被安装在功率变换器的功率部分上；
图5A示出了功率变换器的控制部分的替换顶视图；
图5B示出了图5A的功率变换器的平面局部剖视图，其被安装在功率变换器的功率部分上；
图6A示出了功率变换器的控制部分的另一个替换顶视图；以及
图6B示出了图6A的功率变换器的平面局部剖视图，其被安装在功率变换器的功率部分上。
在下面的说明书和权利要求书中使用了一些术语以用来指代特定的系统组件。如本领域技术人员将理解的那样，计算机公司可能用不同的名称指代一个组件。本文献不打算对名称不同但是功能相同的组件进行区别。在下面的讨论和权利要求书中，以开放式定义使用术语“包括”和“包含”，其因此应该被解释为意味着包括但不限于。此外，术语“耦合”旨在表示间接或直接的电连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以是通过直接的电连接，或者通过经由其它设备和连接的间接电连接。术语“系统”是指两个或更多部件的集合。术语“系统”可以被用来指代一个计算机系统或者计算机系统的一部分。
具体实施方式
下面的讨论针对本发明的不同实施例。虽然这些实施例中的一个或多个可能是优选的，但是所公开的实施例不应该被解释为(或者被使用来)对公开内容(包括权利要求书)的范围进行限制。此外，本领域技术人员将会理解，下面的描述具有广泛的应用，并且对于任何实施例的讨论只是为了举例说明该实施例，而不打算表示公开内容(包括权利要求书)的范围局限于该实施例。
图1示出了功率变换器50的一个典型电路实施例。如图所示，功率变换器50包括至少两部分：控制部分52和功率部分54。如图所示，所述控制和功率部分电耦合在一起。控制部分52包括控制逻辑，该控制逻辑包括控制器56以及一个或多个分立无源组件。图1的实施例的无源组件包括：电容C1、C2、C3和C4，二极管Z1，以及电阻R1、R2和R3。功率部分54包括：功率晶体管Q1和Q2，电感L1，电容COUT，以及电阻RLOAD。一般地，功率部分54包括至少一个功率组件并且在一些实施例中(比如图1所示的实施例)包括多个功率组件，该功率部分还包括其它适当组件。功率组件是指电流通过它流向负载的组件。图1所示的功率变换器50可以应用于如计算机系统的系统中，这样，变换器50为该系统中的一个或多个负载(没有具体示出)提供功率。
控制器56包括脉宽调制器(PWM)控制芯片，例如由MAXIM提供的MAX1999EEI控制器。控制器56通常被用于接收输入DC电压(VIN)并且产生输出恒定的电压电平(VOUT)，其在至少一些实施例中小于输入电压。例如，VIN可以是+12VDC，而VOUT可以是+3.3VDC。控制器56可以被实施为双重控制器，其能够提供两个可能不同的输出电压(例如+1.5VDC和+3.3VDC)。一般地，控制器56可以被实施为提供任何适当数量的输出电压。
图1中描述的控制器56具有多个输入和输出。该控制器的输入和输出被列在下面的表I中，并且给出对于每个信号的简单说明。图1中示出了与控制器56有关但是没有被用在图1的实施例中的其它信号。这种信号被包括在表I中。
表I.控制器56的输入/输出
  信号名称     I/O     说明
  V+     I     电池电压感应连接
  VDD/VL     I/O     电源输入/5V LDO
  DH     O     高侧门驱动器
  DL     O     低侧门驱动器
  LX     O     电感连接
  OUT     I     输出电压感应
  FB     I     反馈输入
  REF     O     参考电压输出
  AGND，GND     I     模拟和功率接地
  ON     I     输出
  SKIP   I     脉冲跳跃控制输入
  PGOOD   O     功率良好的开漏输出
如图1所示，所使用的电路拓扑是一个同步降压变换器，其中串联连接在DC输入源(VIN)和地之间的两个功率晶体管Q1和Q2(也被分别称为上、下晶体管)在一个开关周期内被交替接通和关断。控制器56产生高、低控制信号(DH和DL)，其相应地导致晶体管Q1和Q2关于彼此异相地接通和关断。也就是说，当Q1接通时，Q2关断，并且反之亦然。晶体管接通和关断的占空比由控制器56实行，以便获得期望的VOUT电压电平。作为晶体管Q1和Q2的振荡和协调动作的结果，在两个晶体管互连的节点(节点57)处的电压包括开关波形。这样，节点57被称为开关节点。开关节点57提供开关波形给低通滤波器，该低通滤波器包括电感L1和电容COUT，其把开关电压平均到期望的DC输出电压(VOUT)。控制器56基于在该控制器的OUT和FB输入端处接收的信号连续地调节与晶体管Q1和Q2相关联的占空比。在功率变换器50的控制部分52中示出的各个电容、电阻和二极管允许控制器56正确地操作。例如，电阻R2和R3形成用于FB输入端的分压器网络。
根据本发明的一个典型实施例，包含控制逻辑的控制部分52和包含至少一个功率组件的功率部分54被制造在两个单独的电路板或模块上。在计算机系统的情境中，例如功率部分54被提供在计算机的母板上，并且控制部分52被提供在可以机械地并且电气地附着到该母板的子板。图2和3说明了包括功率变换器50的图1的组件的典型布局划分。图2示出了第一电路板60，控制部分52的各组件被安装于其上。提供导电端子65以允许控制部分52的控制逻辑和功率部分54的一个或多个功率组件之间的连接。图3示出了第二电路板62的至少一部分，各功率部分组件被安装于其上。提供端子67以允许功率部分54的各组件和控制部分52的一个或多个组件之间的电连接。
如上面提到的那样，在一些实施例中，第二电路板62可以包括计算机母板。通过在计算机母板上提供功率部分54，通常能够使用计算机的热调节机制(例如风扇)更加有效地冷却这些组件，其中这些组件往往变得比计算机中的各种其它组件(比如在控制部分52中的那些组件)更热。通过在单独的板(例如子板)上提供控制部分52，由控制部分电路的改变(例如改变到不同的控制器56)所必然导致的任何板设计改变仅仅必然导致子板的改变，而不是母板。对于子板的设计改变通常比对于计算机母板的改变更少并且更便宜。
图4A示出了功率变换器的控制部分52的顶部布局视图。如图所示，该控制部分包括安装在第一电路板60上的控制器56和各种无源组件64。无源组件64包括图1和2中示出的控制部分52的任何或所有电阻、电容和二极管。第一电路板60可以包括通过一个或多个导电铜接头72安装到母板62(图4B)上的子板。铜接头72环绕板60的边缘，并且与导电焊盘65电接触。通过使用焊料74，铜接头72(因此导电焊盘)65被电连接到母板62上的相应导电焊盘67。尽管没有明确表示在图4B中，各功率部分组件被安装在母板62上。
图5A和5B示出了一种替换结构，其中包含控制部分52的子板60通过导电插头引脚被附着到包含功率部分54的母板62上。子板60包含多个形成在其中的通孔80，插头引脚82通过它们被插入并被焊接，从而将控制部分52的一个或多个组件电连接到功率部分54的一个或多个组件。通过将第一电路板60(子板)与第二电路板(母板62)配对，第一电路板60可以从第二电路板的表面63上升高。通过这种方式，如图所示，电组件69(比如与控制有关的组件)可以被安装在第一电路板60的下表面61上。电组件69可以包括如图1中所示的构成控制部分52的一个或多个组件。通过在子板60的两个表面上都安装控制部分组件，该子板的表面积可以制造得比只在单个表面上安装组件的子板更小。
图6A和6B说明了另一个实施例，其中子板60通过焊接引线83被安装在母板62上。引线83焊接到子板60的导电焊盘和母板62的相应导电焊盘67。
上述讨论是为了说明本发明的原理和各实施例。在完全理解上述公开内容之后，对于本领域技术人员来说，许多变型和修改将是显而易见的。所附权利要求书应被视为包括所有这样的变型和修改。

Claims (9)

1.一种适于给负载提供功率的功率变换器(50)，包括：
适于安装在第一电路板(60)上的控制逻辑(56)；以及
适于电耦合到该控制逻辑(56)并且适于安装在第二电路板(62)上的功率组件，
其中，至少一些所述功率通过所述功率组件(L1)流向所述负载；
其中，所述第一电路板(60)机械地附着到第二电路板(62)上。
2.权利要求1的功率变换器(50)，其中，所述控制逻辑(56)包括脉宽调制器(PWM)控制器以及多个耦合到该PWM控制器的无源组件(C1，C2，C4，R1，R2)。
3.权利要求1的功率变换器(50)，进一步包括多个适于电耦合到所述控制逻辑(56)并且适于安装在第二电路板(62)上的功率组件。
4.权利要求1的功率变换器(50)，其中，所述功率组件包括从由功率晶体管、电感(L1)和功率电容构成的组中选择的组件。
5.权利要求1的功率变换器(50)，其中，所述功率组件适于至少部分地被第一电路板(60)覆盖。
6.权利要求1的功率变换器(50)，其中，第二电路板(62)包括用在计算机系统中的母板，并且第一电路板(60)包括子板。
7.权利要求1的功率变换器(50)，其中第一电路板(60)通过导电插头引脚(82)机械地并且电气地附着到所述第二电路板(62)上。
8.权利要求1的功率变换器(50)，其中，第一电路板(60)通过环绕第一电路板(60)的边缘的导电接头(72)机械地并且电气地附着到所述第二电路板(62)上。
9.权利要求1的功率变换器(50)，其中，第一电路板(60)通过焊接引线(83)机械地并且电气地附着到所述第二电路板(62)上，其中所述焊接引线(83)被焊接在第一和第二电路板(60，62)的导电焊盘上。
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