KR20170081573A - 집적된 개별 인덕터를 구비하는 전력 변환 장치 - Google Patents

집적된 개별 인덕터를 구비하는 전력 변환 장치 Download PDF

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잔 닐슨
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Abstract

스위칭 레귤레이터는 인덕터 하우징, 보드, 및 하나 이상의 전기적 부품을 포함할 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터와 하나 이상의 와이어를 수용할 수 있다. 보드는 하나 이상의 보드 트레이스와 하나 이상의 솔더 패드를 포함할 수 있다. 전기적 부품은 하나 이상의 칩, 캐패시터, 전압원, 및/또는 다른 전기적 부품을 포함할 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터 하우징과 보드 사이에 공간을 생성하도록 보드에 부착될 수 있다. 공간은 인덕터 하우징의 아래와 보드 상부에 형성될 수 있다. 하나 이상의 전기적 부품은 보드에 부착될 수 있다. 하나 이상의 전기적 부품은 공간 내에 배치될 수 있다.

Description

집적된 개별 인덕터를 구비하는 전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE WITH INTEGRATED DISCRETE INDUCTOR}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 제62/274,554호(출원일: 2016년 1월 4일, 발명의 명칭: "POWER CONVERSION DEVICE WITH INTEGRATED DISCRETE INDUCTOR")의 유익을 주장한다. 상기 기초 출원의 전문은 참고로 본 명세서에 편입된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 반도체 장치의 기술분야에 관한 것으로, 특히 집적된 개별 인덕터(integrated discrete inductor)를 구비하는 전력 변환 장치(power conversion device)에 관한 것이다.
DC 투 DC(DC to DC) 컨버터와 같은 전압 레귤레이터(voltage regulator)는 전자 시스템을 위한 안정된 전압원을 공급하기 위해 사용된다. 효율적인 DC 투 DC 컨버터는 특히 저전압 장치에 필요하다. DC 투 DC 컨버터의 한 형태는 스위칭 전압 레귤레이터(switching voltage regulator)이다. 스위칭 전압 레귤레이터는 부하(load)를 가지고 입력 DC 전압원을 교대로 커플링(coupling) 및 디커플링(decoupling)하여 출력 전압을 생성한다. 커플링 및 디커플링 동작은 스위치에 의해 수행될 수 있는 반면, 캐패시터 및 인덕터를 포함하는 저역 통과 필터(low pass filter)는 스위치의 출력을 필터링하여 DC 출력 전압을 제공할 수 있다.
도 1은 DC-DC 하향 변환(down conversion)을 수행할 수 있는 버크(buck) 타입 스위칭 레귤레이터의 일 구현 예를 보여준다. 도 1을 참조하면, 회로(100)는 전압원(103), 스위칭 레귤레이터(102) 및 부하(113)를 포함한다. 스위칭 레귤레이터(102)는 입력 단자(114)를 통해 전압원(103)에 결합된다. 스위칭 레귤레이터(102)는 또한 출력 단자(112)를 통해 전류를 끌어들이는 다른 전자 회로일 수 있는 부하(113)에 결합된다. 스위칭 레귤레이터(102)는 입력 단자(114)를 중간 단자LX 노드(109)에 교대로 커플링 및 디커플링하기 위한 파워 스위치 역할을 하는 스위칭 회로(116)를 포함한다. 스위칭 회로(116)는 제1 트랜지스터(107)와 제2 트랜지스터(108)를 포함한다. 전형적으로 두 트랜지스터들(107, 108)은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로 구현될 수 있다. 트랜지스터(107)는 입력 단자(114)에 접속된 드레인, 중간 단자(109)에 접속된 소스, 그리고 제어 라인(105)에 접속된 게이트를 구비한다. 트랜지스터(108)는 중간 단자 LX 노드(109)에 접속된 드레인, 저전압 전위(115)(즉, 접지)에 접속된 소스, 그리고 제어 라인(106)에 접속된 게이트를 구비한다.
스위칭 레귤레이터(102)는 제어 라인들(105, 106)을 통해 스위칭 회로(116)의 동작을 제어하는 제어기(104)를 포함한다. 스위칭 레귤레이터(102)는 또한 중간 단자(109)와 출력 단자(112) 사이에 접속된 인덕터(110)를 포함하는 출력 필터(117)와, 부하(113)와 병렬 접속된 캐패시터(111)를 포함한다. 제어기(104)는 제1 트랜지스터(107)가 인에이블되고 제2 트랜지스터(108)가 디스에이블되어 중간 단자(109)를 입력 전압과 실질적으로 동일한 전압으로 가져오는 제1 전도 구간과, 제1 트랜지스터(107)가 디스에이블되고 제2 트랜지스터(108)가 인에이블되어 중간 단자(109)를 저전압 전위(115)와 실질적으로 동일한 전압으로 가져오는 제2 전도 구간 사이를 스위칭 회로(116)가 교번하게 한다. 이는, 중간 단자를 동작시킬 수 있는 LX 노드(109)에서 실질적으로 입력 전압과 전압 전위(115)와 동일한 전압 사이를 토클(toggle)하는 직사각형 파형을 초래한다. 중간 단자(109)는 출력 필터(117)를 통해 출력 단자(112)에 결합된다. 출력 필터(117)는 중간 단자(109)에서의 직사각형 파형을 출력 단자(112)에서 실질적으로 DC 전압으로 변환한다. 단자(112)에서의 출력 DC 전압의 크기는 중간 단자(109)에서의 직사각형 파형의 듀티 싸이클(duty cycle)에 의존한다.
BCD(바이폴라-CMOS-DMOS) 기술의 사용이 확대됨에 따라, 단일 제어기 칩 상에 고정밀 피드백 회로(도 1에 도시되지 않음)뿐만 아니라 제어기(104), 스위칭 회로(116)를 통합하는 것이 일반적이다. 제어기 칩은 LX 노드(109)에 대응하는 하나의 출력 포트(output port)를 가질 수 있다. 제어기 칩은 스위칭 레귤레이터(102)를 형성하기 위해 LX 노드(109)에 대응하는 출력 포트에서 개별 인덕터(예를 들어, 인덕터(110))에 연결될 수 있다. 외부 인덕터는 스위칭 레귤레이터(102)의 출력 단자(예를 들어, 출력 단자(112))를 형성하기 위해 다른 개별 부품들(예를 들어, 캐패시터(111))에 연결될 수 있다.
도 2는 도 1의 스위칭 레귤레이터(102)를 형성하기 위해 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 제어기 칩 및 개별 부품들을 배치하는 방법을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템(200)은, 예를 들어, 도 1의 제어기(104)와 스위칭 회로(116)를 포함할 수 있는 제어기 칩(202)을 포함한다. 시스템(200)은 또한 도 1의 캐패시터(111)와 인덕터(110)를 포함한다. 도 2는 또한 도 1의 LX 노드(109), vout(112), vin(114) 및 GND(115)가 되도록 배열된 다수의 보드 트레이스(board trace) 및 솔더 패드(solder pad)를 도시한다. 시스템(200)은 또한 vin(114)에 연결되어 상기 노드에서의 스위칭 노이즈를 더욱 감소시키는 바이 패스 캐패시터로 동작하는 캐패시터(203)(도 1에는 도시되지 않음)를 포함한다. 도 2에 도시되 바와 같이, 제어기 칩(202)은 캐패시터들(111, 203)에 인접하여 배치된다. 캐패시터들(111, 203)은 또한 인덕터(110)와 인접하여 배치된다.
도 2에서의 부품들의 배열은 구현하기 쉽지만 몇 가지 단점이 있다. 첫째, 전술한 부품들 각각이 기판 표면상의 다른 영역을 점유하기 때문에, 그러한 배열은 상당한 기판 공간을 차지한다. 둘째, 부품들 사이를 연결하기 위해 상대적으로 긴 보드 트레이스가 필요하므로, 일부 중요한 노드에서 커다란 기생 캐패시턴스(parastic capacitance)가 발생한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, LX 노드(109)의 길이는 3㎝ 정도이다. 노드 LX(109)는 제1 및 제2 트랜지스터(107, 108)에 의해 인덕터(110) 및 캐패시터(111)의 충전 또는 방전을 위한 중간 노드이므로, LX 노드(109)의 길이 및 관련 기생 캐패시턴스를 감소시키는 것은 스위칭 손실을 감소시키고, 전력 변환기의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 보드 공간을 줄이기 위해, 도 1의 스위칭 레귤레이터(102)를 형성하기 위한 부품 배열의 접근을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(300)는 예를 들어 도 1의 제어기(104) 및 스위칭 회로(116)를 포함할 수 있는 제어기 칩(302)을 포함한다. 스위칭 레귤레이터(300)는 또한 인덕터 하우징(304) 내에 수용된 인덕터(110)를 포함한다. 인덕터 하우징(304)은 솔더 패드(308a)에서 보드(306)에 솔더링된 와이어(309a)와 함께 내부 와이어(309a 내지 309b)를 또한 수용한다. 제어기 칩(302)은 또한 제어기 칩(302)의 내부 부품들(예를 들어, 스위칭 회로(116) 및 LX 노드(109))에 전기적 접속을 제공하는 제어기 패드(307a 및 307b)를 포함한다. 스위칭 레귤레이터(300)가 차지하는 공간을 줄이기 위해, 제어기 칩(302)은 인덕터 하우징(304)의 상부에 배치된다. 본드 와이어(310a)는 제어기 패드(307a)와 솔더 패드(308a) 사이의 전기적 접속을 제공하도록 구성되어, 인덕터(110)와 제어기 칩(302) 사이의 전기적 접속(예를 들어, LX 노드(109))을 제공한다. 본드 와이어(310b)는 보드 상에서 제어기 패드(307b)와 솔더 패드(308b) 사이의 전기적 접속을 제공하도록 구성된다. 솔더 패드(308b)는 제어기 칩(302)이 보드(306) 상에서 다른 부품들과 전기적으로 접속되게 한다.
도 3에 도시된 배치는 제어기 칩(202) 및 인덕터 하우징(304)을 배치하는 데 필요한 보드 공간을 감소시키지만, 본드 와이어들(310a, 310b)은 여전히 비교적 길며 상당한 양의 기생 캐패시턴스 및 저항에 기여할 수 있다.
도 4는 도 3의 단점을 해결하기 위한 부품 배치의 접근을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(400)는 예를 들어 도 1의 제어기(104) 및 스위칭 회로(116)를 포함할 수 있는 제어기 칩(402)을 포함한다. 제어기 칩(402)은 플립-칩(flip-chip) 소자일 수 있으며, 예를 들어, 제어기 칩(402) 내에 배치된 제어기(104) 및 스위칭 회로(116)에 전기적 접속을 제공하도록 구성된 단자 역할을 할 수 있는 솔더 볼들(408a-b)을 포함할 수 있다. 스위칭 레귤레이터(400)는 또한 인덕터 하우징(404) 내에 수용된 인덕터(110)를 포함할 수 있다. 인덕터 하우징(404)은 내부 와이어(409a)를 통해 인덕터(110)에 전기적 접속을 제공하도록 구성된 솔더 패드(410)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 인덕터(110)는 솔더 볼(408a)과 솔더 패드(410)를 통해 제어기 칩(402)에 전기적으로 접속된다. 인덕터 하우징(404)은 보드(406) 상에 배치된다. 스위칭 레귤레이터(400)가 차지하는 공간을 줄이기 위해, 제어기 칩(402)은 인덕터 하우징(404)의 상부에 배치된다.
제어기 칩(402)과 인덕터 하우징(404) 사이의 전기적 접속이 솔더 볼 및 패드에 의해 제공되는 도 4의 배치로 인해, (LX 노드(109)에 대한 것을 포함하여) 이들 전기적 접속과 관련된 기생 캐패시턴스가 감소할 수 있다. 그러나, 도 4의 배치에는 여전히 큰 단점들이 있다. 첫째, 솔더 패드 및 솔더 볼들은 인덕터와 제어기사이의 양호한 전기적 접속(예를 들어, LX 노드)을 제공하지만, 이들은 환경에 노출되며 그 전기적 접속에 노이즈가 결합될 수 있다. 노이즈는 스위칭 레귤레이터(400)의 전압 출력에 영향을 미칠 수 있다. 둘째, 인덕터 하우징(404)에 의해 보드(406)와 분리된 제어기(402)로 인해, 도 4의 배치는 vin(114), GND(115), vout(112) 등과 같이 제어기(402)를 위한 다른 전기적 접속들을 열화시킬 수 있다. 긴 본드 와이어는 여전히 이러한 전기적 접속을 제공하기 위해 여전히 필요하지만, 그러한 접속에 상당한 양의 기생 캐패시턴스 및 저항을 기여할 수 있다.
따라서, 도 4의 배치는 제어기와 인덕터 사이의 전기적 접속을 향상시키지만, 제어기를 위한 나머지 전기적 접속을 열화시킬 수 있고, 스위칭 레귤레이터(400)의 성능은 여전히 손상될 수 있다.
그러므로, 보드 면적 요구를 줄일 뿐만 아니라, 모든 부품들에 대한 양호한 전기적 접속 및 양호한 절연을 제공하여 레귤레이터를 더 소형화할 수 있고 휴대 전화와 같은 소형 폼 팩터(form factor)의 장치에 보다 쉽게 장착될 수 있는, 스위칭 레귤레이터의 부품들을 배치하는 기술이 필요하다.
스위칭 레귤레이터는 인덕터 하우징, 보드, 및 하나 이상의 전기적 부품을 포함할 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터와 하나 이상의 와이어를 수용할 수 있다. 보드는 하나 이상의 보드 트레이스와 하나 이상의 솔더 패드를 포함할 수 있다. 상기 전기적 부품은 하나 이상의 칩, 캐패시터, 전압원 및/또는 다른 전기적 부품을 포함할 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터 하우징과 보드 사이에 공간을 생성하기 위해 상기 보드에 부착될 수 있다. 상기 공간은 인덕터 하우징 아래와 보드 위에 생성될 수 있다. 하나 이상의 전기적 부품은 보드에 부착될 수 있다. 하나 이상의 전기적 부품은 상기 공간 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 스위칭 레귤레이터는 칩을 포함할 수 있다. 상기 칩은 플립 칩을 포함할 수 있다. 상기 칩은 제1 단자를 포함할 수 있다. 상기 칩은 보드에 부착되어 상기 공간 내에 배치될 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터에 전기적으로 결합된 제1 와이어를 수용할 수 있다. 보드는 제1 보드 트레이스를 포함할 수 있다. 제1 보드 트레이스는 제1 단자를 제1 와이어와 전기적으로 결합할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 인덕터는 칩 상부에 배치될 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 보드는 제1 보드 트레이스를 통해 전기적으로 결합된 제1 솔더 패드와 제2 솔더 패드를 포함할 수 있다. 제1 솔더 패드는 제1 와이어에 솔더링되고, 제2 솔더 패드는 제1 단자에 솔더링될 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 보드는 표면을 갖는 그루브(groove)를 포함할 수 있다. 칩과 인덕터 하우징은 그루브의 표면에 부착될 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 인덕터 하우징은 비-도전성 접착제를 사용하여 칩 상에 실장될 수 있다. 비-도전성 접착제는 비-도전성 다이-어태치-필름(die-attach-film)을 포함할 수 있다.
몇몇 구현 예에서, 스위칭 레귤레이터는 캐패시터를 포함할 수 있다. 캐패시터는 제2 단자를 포함할 수 있다. 캐패시터는 보드에 부착되어 상기 공간 내에 배치될 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터에 전기적으로 결합된 제2 와이어를 수용할 수 있다. 보드는 제2 보드 트레이스를 포함할 수 있다. 제2 보드 트레이스는 제2 단자를 제2 와이어와 전기적으로 결합할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 보드는 제2 보드 트레이스를 통해 전기적으로 결합된 제3 솔더 패드와 제4 솔더 패드를 포함할 수 있다. 제3 솔더 패드는 제2 와이어에 솔더링되고, 제4 솔더 패드는 제2 단자에 솔더링될 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 캐패시터는 그루브의 표면에 부착될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 스위칭 레귤레이터는 칩과 전압원을 포함할 수 있다. 칩은 플립 칩을 포함할 수 있다. 칩은 제1 단자를 포함할 수 있다. 전압원과 인덕터 하우징은 보드의 제1 표면에 부착될 수 있다. 전압원은 상기 공간 내에 배치될 수 있다. 칩은 보드의 제2 표면에 부착될 수 있다. 칩은 상기 공간 내에 배치되지 않을 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터에 전기적으로 결합된 제1 와이어를 수용할 수 있다. 보드는 제1 보드 트레이스를 포함할 수 있다. 제1 보드 트레이스는 제1 단자를 제1 와이어와 전기적으로 결합할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 보드는 제1 보드 트레이스를 통해 전기적으로 결합된 제1 솔더 패드와 제2 솔더 패드를 포함할 수 있다. 제1 솔더 패드는 제1 와이어에 솔더링되고, 제2 솔더 패드는 제1 단자에 솔더링될 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 보드는 제2 표면을 포함하는 그루브를 포함할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 인덕터 하우징은 비-도전성 접착제를 사용하여 전압원 상에 실장될 수 있다. 비-도전성 접착제는 비-도전성 다이-어태치-필름을 포함할 수 있다.
몇몇 구현 예에서, 스위칭 레귤레이터는 캐패시터를 포함할 수 있다. 캐패시터는 제2 단자를 포함할 수 있다. 캐패시터는 보드의 제2 표면에 부착될 수 있다. 캐패시터는 상기 공간 내에 배치되지 않을 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터에 전기적으로 결합된 제2 와이어를 수용할 수 있다. 보드는 제2 보드 트레이스를 포함할 수 있다. 제2 보드 트레이스는 제2 단자를 제2 와이어와 전기적으로 결합할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 보드는 제2 보드 트레이스를 통해 전기적으로 결합된 제3 솔더 패드와 제4 솔더 패드를 포함할 수 있다. 제3 솔더 패드는 제2 와이어에 솔더링될 수 있고, 제4 솔더 패드는 제2 단자에 솔더링될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 스위칭 레귤레이터는 인덕터 하우징과 보드를 포함할 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터, 인덕터에 결합된 제1 와이어, 및 인덕터에 결합된 제2 와이어를 포함할 수 있다. 보드는 제1 보드 트레이스와 제2 보드 트레이스를 포함할 수 있다. 제1 보드 트레이스는 제1 와이어에 결합되게 구성될 수 있고, 상기 제2 보드 트레이스는 제2 와이어에 결합되게 구성될 수 있다. 인덕터 하우징은 인덕터 하우징과 보드 사이에 공간을 생성하기 위해 상기 보드에 부착되도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 전기적 부품이 상기 공간 내에 배치될 수 있다.
여기에 개시된 시스템 및/또는 방법의 이들 및 다른 목적, 특징 및 특성은, 구조의 관련 요소의 동작 및 기능의 방법 및 제조의 부품 및 경제의 조합뿐만 아니라, 첨부된 도면을 참조하여 다음의 설명 및 첨부된 청구 범위를 고려하면 더욱 명백해질 것이며, 이들 모두는 이 명세서의 일부를 형성하며, 동일한 부호는 다양한 도면에서 대응하는 부분을 나타낸다. 그러나, 도면은 단지 예시 및 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위의 정의를 의도하지 않는다는 것이 명백히 이해될 것이다.
도 1은 버크 스위칭 레귤레이터의 블록도;
도 2는 버크 스위칭 레귤레이터의 부품들의 배치를 도시하는 인쇄회로기판(PCB) 레이아웃;
도 3은 버크 스위칭 레귤레이터의 부품들의 다른 배치를 도시한 개략도;
도 4는 버크 스위칭 레귤레이터의 부품들의 다른 배치를 도시한 개략도;
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터를 도시한 개략도;
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터를 도시한 개략도;
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터를 도시한 개략도;
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터를 도시한 개략도; 및
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터의 부품들의 배치를 도시한 인쇄회로기판(PCB) 레이아웃.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터(500)를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(500)는, 예를 들어, 도 1의 제어기(104)와 스위칭 회로(116)를 포함할 수 있는 제어기 칩(502)을 포함한다. 스위칭 레귤레이터(500)는 또한 인덕터 하우징(504) 내에 수용되고 보드(506) 상부로 돌출되어 인덕터 아래에 공간(507)을 생성하는 인덕터(110)를 포함한다. 제어기(502)와 스위칭 레귤레이터(500)의 다른 부품들(예를 들어, 캐패시터(111))은 인덕터(110) 아래의 공간(507) 내에 배치되어 보드(506)에 부착될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제어기 칩(502)과 보드(506)의 접착을 강화하기 위하여, 인덕터 하우징(504)은 비-도전성 다이-어태치-필름(DAF) 또는 다른 비-도전성 접착제를 이용하여 제어기 칩(502) 상에 실장될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 인덕터 하우징(504)은 또한 내부 와이어(509a, 509b)를 수용하고, 보드(506)는 또한 보드 트레이스들(510a 내지 510b)과 솔더 패드들(512a 내지 512b)을 포함한다. 제어기 칩(502)은 플립 칩 소자일 수 있고, 제어기 칩(502)의 단자로서 구성되며 솔더 패드(512)에 솔더링될 수 있는 솔더 볼(508a)을 포함한다. 제어기 칩(502)은 또한 다른 전기적 접속(예를 들어, GND(115))을 형성하기 위하여 보드(506)(도 5에는 도시되지 않음)의 다른 솔더 패드에 솔더링되도록 구성된 솔더 볼(508b)(도 5에는 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 내부 와이어(509a)는 또한 솔더 패드(512a)에 솔더링될 수 있다. 솔더 패드들(512a 내지 512b) 사이의 전기적 접속을 제공하는 보드 트레이스(510a)로 인해, 인덕터(110)와 제어기 칩(502) 사이의 전기적 접속(예를 들어, LX 노드(109))이 형성될 수 있다. 또한, 솔더 패드(512c)에 솔더링된 캐패시터(111)와 솔더 패드(512d)에 솔더링된 내부 와이어(509b), 그리고 솔더 패드들(512c 내지 512d) 사이의 전기적 접속을 제공하는 보드 트레이스(510b)로 인해, 인덕터(110)와 캐패시터(111) 사이에 전기적 접속(예를 들어, vout(112)) 또한 형성될 수 있다.
도 5에 따른 배치로, 인덕터(110)와 제어기 칩(502)은 나란히 배치되는 대신에 수직으로 적층될 수 있어서, 이러한 부품들을 배치하는 데 필요한 보드 공간이 줄어들 수 있다. 또한, 인덕터(110)와 제어기 칩(502)이 전기적 접촉 지점(예를 들어, 솔더 패드(512b 내지 512c) 및 솔더 볼(508a 내지 508b))을 제외하고는 전기적으로 절연되고 대부분의 전기적 접속들(예를 들어, 내부 와이어들(509a 내지 509b), 보드 트레이스들(510a 내지 510b)) 또한 환경으로부터 절연되기 때문에, 인덕터(110)와 제어기 칩(502) 사이의 전기적 접속에 결합되는 잡음의 양은 감소할 수 있다. 또한, 인덕터(110)와 제어기 칩(502) 사이에 좋은 전기적 접속을 형성하기 위해 내부 와이어들(509a 내지 509b)과 보드 트레이스들(510a 내지 510b)이 매우 짧게 만들어질 수 있다. 이는 내부 와이어(509a 내지 509b)의 길이가 공간(507)의 두께에 의해 주로 결정되기 때문에 일반적으로 제어기 칩 또는 캐패시터의 두께를 수용하기 위해 수 밀리미터 정도이기 때문이다. 솔더 볼(508a 내지 508b)이 내부 와이어들(509a 내지 509b)로부터 짧은 거리에 있는 경우, 이 경우 제어기 칩(502)과 캐패시터(111)가 인덕터(110) 아래에 배치될 때, 보드 트레이스들(510a 내지 510b) 또한 매우 짧게 만들어질 수 있다. 마지막으로, 제어기 칩이 보드로부터 돌출된 스위칭 레귤레이터(400)와 달리, 스위칭 레귤레이터(500)에서 제어기 칩은 보드에 부착되어, 보드(506) 내에 내장된 다른 보드 트레이스들(도 5에는 도시되지 않음)을 통해 다른 부품들과 좋은 전기적 접속(예를 들어 입력 파워서플라이, 그라운드, 등)을 가질 수 있다. 마찬가지로, 인덕터(110)는 보드 트레이스들을 통해서 다른 부품들과 접속될 수 있다. 그 결과, 도 5에 따른 배치로 인해 부품들은 적은 보드 공간을 점유할 뿐만 아니라, 보드 트레이스들을 통해 부품들 사이에 양호한 절연과 양호한 전기적 접속이 제공될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터(600)를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(600)는 제어기 칩(502), 캐패시터(111) 및 인덕터 하우징(504)이 실장되어 있는 보드(606)가 그루브(608)를 포함하는 것을 제외하면 스위칭 레귤레이터(500)의 구성 요소 대부분을 포함한다. 솔더 패드들(512a 내지 512d)은 그루브(608)의 그루브 표면(620) 상에 배치될 수 있고, 보드 트레이스들(510a 내지 510b) 또한 그루브 표면(620) 아래에 배치될 수 있다. 제어기 칩(502), 캐패시터(111) 및 인덕터 하우징(504)은 그루브 표면(620) 상에 실장될 수 있고 솔더 패드들(512a 내지 512d)에 솔더링될 수 있다.
보드 공간 요구를 감소시키고 부품들 사이의 양호한 전기적 접속과 절연을 제공하는 것 외에도, 도 6에 도시된 바와 같은 배치는 또한, 스위칭 레귤레이터(500)에 비해 스위칭 레귤레이터(600)의 수직 높이를 감소시킨다. 그 결과, 스위칭 레귤레이터(600)는 스위칭 레귤레이터(500)보다 더욱 소형화될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터(700)를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(700)는 제어기 칩(502), 캐패시터(111) 및 인덕터 하우징(504) 내에 수용되고 보드(706) 위로 돌출되어 인덕터 아래에 공간(507)을 생성하는 인덕터(110)를 포함한다. 공간(507)은, 예를 들어, 스위칭 레귤레이터(700)에 입력 전압을 제공하는 도 1의 전압원(103)을 수용하기 위해 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 인덕터 하우징(504)은 보드 표면(707a) 상에 배치되는 반면, 제어기 칩(502) 및 캐패시터(111)는 보드 표면(707a)에 대향하는 보드 표면(707b) 상에 배치된다. 보드(706)는 보드 표면(707a) 상에 솔더 패드들(712a 및 712d)을, 그리고 보드 표면(707b) 상에 솔더 패드들(712b 및 712c)을 더 구비한다. 솔더 패드들(712a 및 712b)은 보드 트레이스(710a)를 통해 전기적으로 접속되고, 솔더 패드들(712c 및 712d)은 보드 트레이스(710b)를 통해 전기적으로 접속된다. 내부 와이어들(509a 및 509b)은 솔더 패드들(712a 및 712d)에 솔더링되고, 반면 제어기 칩(502)의 솔더 볼(508a)뿐만 아니라 캐패시터(111)는 솔더 패드들(712b 및 712c)에 솔더링되어 LX 노드(109)와 vout(112)을 위한 전기적 접속을 형성할 수 있다.
도 7에 따른 배치로, 인덕터(110) 및 제어기 칩(502)이 나란히 배치되는 대신에 수직으로 적층될 수 있어 이들 부품들을 배치하는 데 필요한 보드 공간을 줄일 수 있다. 더욱이, 보드(706)의 두 대향 면들 사이에 구성 요소들을 분산함으로써, 보드 공간 요구는 더욱 감소할 수 있고, 스위칭 레귤레이터(700)는, 예를 들어, 도 5 및 도 6의 스위칭 레귤레이터들(500 및 600)보다 훨씬 더 소형화될 수 있다. 이는, 동시에 스위칭 레귤레이터(500 및 600)에 의해 제공되는 이점을 유지하면서, 노이즈 커플링을 감소시키기 위해 제어기 칩과 인덕터에 대한 양호한 절연성을 제공하고, 부품들 간의 양호한 전기적 접속을 제공하는 것을 포함한다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터(800)를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 스위칭 레귤레이터(800)는, 제어기 칩(502), 캐패시터(111) 및 인덕터 하우징(504)이 실장된 보드(806)가 그루브(808)를 포함하는 것을 제외하면, 스위칭 레귤레이터(700)의 부품들의 대부분을 포함한다. 솔더 패드들(712b 및 712c)은 그루브(808)의 그루브 표면(820) 상에 배치될 수 있다. 제어기 칩(502)과 캐패시터(111)는 그루브 표면(620) 상에 실장되고 솔더 패드들(712b 및 712c)에 솔더링될 수 있다.
보드 공간 요구를 줄이고 부품들 간의 양호한 전기적 접속을 제공할 뿐만 아니라, 또한, 도 8에 도시된 바와 같은 배치는 스위칭 레귤레이터(700)에 비해 스위칭 레귤레이터(800)의 수직 높이도 감소시킨다. 그 결과, 스위칭 레귤레이터(800)는 스위칭 레귤레이터(700)보다 더욱 소형화될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 스위칭 레귤레이터(예를 들어, 도 5의 스위칭 레귤레이터(500))의 부품들의 배치를 도시한 인쇄회로기판(PCB) 레이아웃(900)이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제어기 칩(502)은 (인덕터(110)를 수용하는) 인덕터 하우징(504) 아래에 배치된다. 그 결과, LX 노드(109)와 같은 제어기 칩(502)과 인덕터(110) 사이의 접속은 (1㎝ 미만, 도 2에 도시된 것과 같은 3㎝와 비교하여) 매우 짧게 형성될 수 있고, 양호한 전기적 접속 및 절연을 제공하면서 PCB에 내장된 보드 트레이스에 의해 제공될 수 있다. 또한, 제어기 칩(502)의 솔더 볼(508b)은 다른 전기적 접속들(예를 들어, GND (115))을 위한 보드 트레이스들에 솔더링될 수 있고, 따라서 제어기 칩(502)에 관련된 모든 노드들을 위해 양호한 전기적 접속을 제공할 수 있다. 캐패시터(111)(도 9에는 도시되지 않음) 또한 인덕터 하우징(504)(및 인덕터(110)) 아래에 배치될 수 있으므로, vout(112)과 같은 다른 전기적 접속이 매우 짧게 형성될 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "실시예", "몇몇 실시예들", "일 실시예", "다른 실시예", "일 예", "특정 예" 또는 "몇몇 예들"은 실시예 또는 예와 관련하여 기재된 특정한 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예 또는 예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서의 "몇몇 실시예에서", "일 실시예에서", "실시예에서", "다른 예에서", "일 예에서", "특정 예에서", 또는 "몇몇 예에서"와 같은 문구의 사용은 반드시 본 명세서의 동일한 실시예 또는 예를 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 재료, 또는 특성은 하나 이상의 실시예 또는 예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
실시예의 설명은 단지 예시적인 것이며 제한되는 것은 아니다. 도면을 참조하여 여기에 기재된 실시예들은 설명적이고, 예시적이며, 본 발명을 일반적으로 이해하는 데 사용된다. 실시예는 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 동일한 요소 또는 유사한 요소 및 동일하거나 유사한 기능을 갖는 요소는 상세한 설명 전반에 걸쳐 동일한 참조 번호로 표시된다. 이와 관련하여, "상부", "하부", "전방", "후방", "선두", "후행" 등과 같은 방향 용어(directional terminology)는 기술된 도형의 방향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성 요소들은 다수의 상이한 방향으로 배치될 수 있기 때문에, 방향 용어는 설명의 목적으로 사용되며 결코 제한적이지 않다.
비록 설명적인 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 당업자는 상기 실시예들이 본 발명을 제한하는 것으로 해석될 수 없고, 상기 실시예들에 변경, 대안 및 수정이 본 발명의 실시예들에서 벗어나지 않고 본 발명의 사상, 원리 및 범위로부터 벗어나지 않고 가능함을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 스위칭 레귤레이터로서,
    인덕터 하우징에 수용된 인덕터;
    상기 인덕터에 전기적으로 결합되고 상기 인덕터 하우징에 수용된 제1 와이어;
    제1 단자를 포함하는 칩; 및
    상기 제1 단자를 상기 제1 와이어와 전기적으로 결합하는 제1 보드 트레이스(board trace)를 포함하는 보드를 포함하되,
    상기 칩과 인덕터 하우징은 상기 보드에 부착되고;
    상기 인덕터 하우징의 상기 보드에의 부착은 상기 인덕터 하우징과 상기 보드 사이에 공간을 생성하며;
    상기 칩은 상기 공간 내에 배치되는, 스위칭 레귤레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인덕터는 상기 칩 상부에 배치되는, 스위칭 레귤레이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 보드는 상기 제1 보드 트레이스를 통해 전기적으로 결합된 제1 솔더 패드와 제2 솔더 패드를 더 포함하고, 상기 제1 솔더 패드는 상기 인덕터 하우징에 수용된 상기 제1 와이어에 솔더링되고, 상기 제2 솔더 패드는 상기 제1 단자에 솔더링되는, 스위칭 레귤레이터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보드는 표면을 포함하는 그루브를 더 포함하고; 상기 칩 및 상기 인덕터 하우징은 상기 그루브의 상기 표면에 부착된, 스위칭 레귤레이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터에 전기적으로 결합되고 상기 인덕터 하우징에 수용된 제2 와이어와,
    제2 단자를 포함하는 캐패시터를 더 포함하되,
    상기 보드는 제2 보드 트레이스를 더 포함하고, 상기 제2 보드 트레이스는 상기 제2 단자를 상기 제2 와이어와 전기적으로 결합하고,
    상기 캐패시터는 상기 보드에 부착되며,
    상기 캐패시터는 상기 공간 내에 배치되는, 스위칭 레귤레이터.
  6. 제4항에 있어서, 상기 보드는 상기 제2 보드 트레이스를 통해 전기적으로 결합된 제3 솔더 패드와 제4 솔더 패드를 더 포함하고, 상기 제3 솔더 패드는 상기 인덕터 하우징에 수용된 제2 와이어에 솔더링되고, 상기 제4 솔더 패드는 상기 제2 단자에 솔더링되는, 스위칭 레귤레이터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 인덕터 하우징은 비-도전성 접착제를 사용하여 상기 칩 상에 실장되는, 스위칭 레귤레이터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 비-도전성 접착제는 비-도전성 다이-어태치-필름(die-attach-film)을 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 칩은 플립 칩을 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
  10. 스위칭 레귤레이터로서,
    인덕터 하우징에 수용된 인덕터;
    상기 인덕터에 전기적으로 결합되고 상기 인덕터 하우징에 수용된 제1 와이어;
    제1 단자를 포함하는 칩;
    전압원(voltage source); 및
    상기 제1 단자를 상기 제1 와이어와 전기적으로 결합하는 제1 보드 트레이스를 포함하는 보드를 포함하되,
    상기 전압원과 상기 인덕터 하우징은 상기 보드의 제1 표면에 부착되고;
    상기 칩은 상기 보드의 제2 표면에 부착되고;
    상기 인덕터 하우징의 상기 보드의 제1 표면에의 부착은 상기 인덕터 하우징과 상기 보드 사이에 공간을 생성하며;
    상기 전압원은 상기 공간 내에 배치되는, 스위칭 레귤레이터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 보드는 상기 제1 보드 트레이스를 통해 전기적으로 결합된 제1 솔더 패드와 제2 솔더 패드를 더 포함하고, 상기 제1 솔더 패드는 상기 인덕터 하우징에 수용된 상기 제1 와이어에 솔더링되고, 상기 제2 솔더 패드는 상기 제1 단자에 솔더링되는, 스위칭 레귤레이터.
  12. 제10항에 있어서, 상기 보드는 제2 표면을 포함하는 그루브를 더 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 인덕터에 전기적으로 결합되고 상기 인덕터 하우징에 수용된 제2 와이어; 및
    제2 단자를 포함하는 캐패시터를 더 포함하되,
    상기 보드는 상기 제2 단자를 상기 제2 와이어와 전기적으로 결합하는 제2 보드 트레이스를 더 포함하고,
    상기 캐패시터는 상기 보드의 상기 제2 표면에 부착되는, 스위칭 레귤레이터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 보드는 상기 제2 보드 트레이스를 통해 전기적으로 결합된 제3 솔더 패드와 제4 솔더 패드를 더 포함하고, 상기 제3 솔더 패드는 상기 인덕터 하우징에 수용된 제2 와이어에 솔더링되고, 상기 제4 솔더 패드는 상기 제2 단자에 솔더링되는, 스위칭 레귤레이터.
  15. 제10항에 있어서, 상기 인덕터 하우징은 비-도전성 접착제를 사용하여 상기 전압원 상에 실장되는, 스위칭 레귤레이터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 비-도전성 접착제는 비-도전성 다이-어태치-필름(die-attach-film)을 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
  17. 제10항에 있어서, 상기 칩은 플립 칩을 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
  18. 스위칭 레귤레이터로서,
    인덕터, 상기 인덕터에 결합된 제1 와이어, 및 상기 인덕터에 결합된 제2 와이어를 포함하는 인덕터 하우징; 및
    제1 보드 트레이스 및 제2 보드 트레이스를 포함하고, 상기 제1 보드 트레이스는 상기 제1 와이어에 결합되도록 구성되고 상기 제2 보드 트레이스는 상기 제2 와이어에 결합되도록 구성되는 보드를 포함하되,
    상기 인덕터 하우징은 상기 인덕터 하우징과 상기 보드 사이에서 하나 이상의 전기적 부품을 위한 공간을 생성하도록 상기 보드에 부착되게 구성된, 스위칭 레귤레이터.
  19. 제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 전기적 부품은 칩과 캐패시터를 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
  20. 제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 전기적 부품은 전압원을 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
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