TWI792263B - 耦合電感器電路、用於操作降壓平面變壓器之方法、以及平面變壓器封裝 - Google Patents

耦合電感器電路、用於操作降壓平面變壓器之方法、以及平面變壓器封裝 Download PDF

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Abstract

一種具空間效益之平面變壓器，包括一耦合電感器電路，該耦合電感 器電路具有一金屬鐵芯；一第一平面繞組，其傳導線圈之電氣路徑環繞該金屬鐵芯之第一繞線柱；及一第二平面繞組，其係經由該金屬鐵芯而磁性耦合於該第一繞組。該第二平面繞組可具有多個部分，其中之一部分可包括一第一子部分及一第二子部分，兩者各包含一圍繞該第一繞線柱之單一U形平面傳導跡線。該第一子部分之佈局與該第二子部分呈反向佈局。

Description

耦合電感器電路、用於操作降壓平面變壓器之方法、以及平 面變壓器封裝
本發明提供用於直流對直流電壓轉換器或調節器之耦合電感器電路技術。
直流對直流切換調節器可利用高頻切換方式，為電子裝置產生所需之輸出電壓。於某些應用中，以低壓電子零件接納相對高壓供電之需求，帶來了必須將供電降低至一相對低壓的挑戰。而將較低之輸入供應電壓轉換為較高之供應電壓的升壓應用中，也遇到相似的挑戰。
多層平面變壓器可具有一多匝第一平面繞組及一單匝第二繞組，兩者皆實施於基板之多個層體上。第一與第二平面繞組可例如經由鐵芯而磁性耦合。第二繞組之個別平面跡線可經電性並聯耦接，以實現例如變壓器之高效佈局，其提供改善之功率密度。
本段旨在概述本發明之主體，其目的並非提供本發明之完整詳盡解說。本發明之詳細資訊如以下之詳細說明所提供。
100:平面變壓器系統
101:平面變壓器
102:輸出電感器
103:輸出電感器
104:輸出電感器
105:輸出電感器
106:第一繞組
107:控制器
108:鐵芯
110:閘極驅動器
111:第二繞組之部分
112:第二繞組之部分
320:範例佈局
321:子部分
322:子部分
380:第一開關
381:第二開關
382:第一電感器
383:第二電感器
400:平面變壓器
531:第一傳導部分
532:第二傳導部分
533:第三傳導部分
534:第四傳導部分
535:第五傳導部分
541:第一節點
542:第二組通孔
543:第三組通孔
544:第四組通孔
545:第五組通孔
546:第六組通孔
551:第一佈局
552:第二佈局
553:第三佈局
554:第四佈局
555:第五佈局
660:子部分/佈局
661:第一傳導部分
662:第二傳導部分
663:傳導區域
664:傳導區域
670:子部分/佈局
671:第一組通孔
672:第二組通孔
880:傳導跡線
881:開關
882:電感器
883:鐵芯
900:平面變壓器系統
901:平面變壓器
902:輸出電感器
903:輸出電感器
904:控制器
905:鐵芯
906:第一繞組
907:第二繞組
908:第二繞組
910:閘極驅動器
911:繞組區段
912:繞組區段
913:繞組區段
914:繞組區段
1105:鐵芯
1090:緊密佈局
1100:平面變壓器
1191:子部分
1192:子部分
1193:子部分
1194:子部分
1200:降壓方法
1201:步驟
1203:步驟
1205:步驟
1207:步驟
A:節點/汲極
B:節點/汲極
C:節點/汲極
D:節點/汲極
E:分接頭
F:分接頭
I:電流
I1:電流
L:過濾電感器
M5:開關
M6:開關
M7:開關
M8:開關
Q1:開關
Q2:開關
Q3:開關
Q4:開關
S:開關
V1:電壓
VA:電壓
VB:電壓
VC:電壓
VD:電壓
VIN:輸入電壓
-VIN:供應電壓之第一極性
+VIN:供應電壓之第二極性
VOUT:輸出電壓
PH1:相位訊號/相位1/相位1控制訊號
PH2:相位訊號/相位2/相位2控制訊號
附圖未必按照比例描繪，且於各圖中，相似之數值可指稱類似之組件。具有不同後綴字母之數字可能代表相似組件之不同實例。附圖旨在提供說明範例，而非以任何方式限制本文所描述之各種實施例。
圖1依據本發明概要繪示平面變壓器系統之範例。
圖2為圖1平面變壓器系統之操作之訊號波型圖。
圖3依據本發明概要繪示第二繞組之子部分之傳導跡線之範例佈局。
圖4為本發明範例平面變壓器之堆疊配置示意圖。
圖5A至圖5E概略說明圖4之範例平面變壓器400之五層體中，各層體內第一繞組之傳導部分之佈局。
圖6A及圖6B概略說明圖4之範例平面變壓器400之第二繞組之子部分之佈局660、670。
圖7A及圖7B為本發明之範例平面變壓器之實際樣本之各種視圖。
圖8繪示範例平面變壓器之中心抽頭配置中具有第二繞組一部分之一層體之一傳導跡線。
圖9依據本發明概要繪示具有中心抽頭配置之平面變壓器系統電路範例。
圖10概要繪示圖9之範例電路之第二繞組之緊密佈局範例。
圖11概要繪示平面變壓器用於提供多重電壓輸出之部分。
圖12依據本發明概要繪示用於操作平面變壓器範例之降壓方法之操作流程圖。
磁性耦合之平面變壓器、平面電感器，或稱為耦合電感器電路，可利用U形或馬蹄鐵形平面傳導跡線以形成一變壓器繞組之單匝。由多層平面繞組構成之組體可形成包含濾波用輸出電感器之緊密變壓器電路。
圖1概要繪示依據本發明之範例平面變壓器系統100。平面變壓器系統100可包括一平面變壓器101、一第一組開關(Q1-Q4)，一第二組開關(M5-M8)、輸出電感器102、103、104、105及一控制器107。第一組開關(Q1-Q4)或第二組開關(M5-M8)中之一或多個開關可隨選配備一閘極驅動器110。平面變壓器101可包括一鐵芯108、一第一繞組106及具有兩部分111、112之一第二繞組。第一繞組106可包括一定匝數，且通常可包括超過一匝。第二繞組之每一部分111、112各具有單匝。
第一繞組106可為平面變壓器之一次繞組或平面變壓器之二次繞組。除非另有註明，否則第一繞組106稱為一次繞組。第一組開關(Q1-Q4)可受控於控制器107，且可操作而使週期性或定期性將一次繞組106與電壓供應節點連接或斷接，並建立跨越第一繞組106之循環性一次電壓及通過第一繞組106之循環一次電流。第二繞組之部分111、112可經由鐵芯108而磁性耦合於第一繞組106。鐵芯108可包括空芯、金屬芯或其他能夠提供通量連結之材質。
控制器107可控制第一組開關(Q1-Q4)及第二組開關(M5-M8)以例如提供不同於輸入電壓(VIN)之輸出電壓(VOUT)。於圖示之平面變壓器系統100中，輸出電壓(VOUT)可低於輸入電壓(VIN)，但本發明不以此為限。 當平面變壓器101操作為降壓變壓器時，控制器107可控制第一組開關(Q1-Q4)對於跨第一繞組106之輸入電壓(VIN)進行極性之擺動或交替。當平面變壓器101操作為降壓變壓器時，控制器107可操作或同步第二組開關(M5-M8)，以自繞組區段或第二繞組之部分提取電力。第二組開關(M5-M8)可經由如圖3說明中所述之兩個相位訊號(PH1、PH2)進行控制。輸出電感器102、103、104、105可過濾或平滑週期電壓，並切換在第二繞組上產生之突波，藉此例如提供一相對恆定之輸出電壓。於某些範例中，輸出電感器102、103、104、105可包括但不限於，磁芯電感器、晶芯電感器等等。
圖2概要繪示圖1平面變壓器系統100之操作範例訊號波型圖。圖中包括用於控制降壓變壓器第二繞組之開關(M5-M8)之相位1(PH1)信號及相位2(PH2)訊號之邏輯準位、跨第一繞組之電壓(V1)、第一繞組中之電流(I1)、第二繞組節點(A、B、C、D)上之電壓(VA、VB、VC、VD)及輸出電壓(VOUT)。
一般而言，變壓器是以三種相位之一進行操作，而擷取因應施加於或隔離自第一繞組之供應電壓而於過渡期間由第一繞組所感生之輸出電壓。當供應電壓(VIN)施加於或隔離自第一繞組時，通過第一繞組之電流(I1)之變化可跨各第二繞組區段而感生電壓。藉由切換第二繞組區段之連接以擷取第一繞組之電流極性變化時所產生之電壓，可於輸出電感器獲得經降壓之直流電壓。此訊號圖中，假設一高邏輯使各開關，或稱電晶體，處於低阻抗狀態(例如「導通」)，且一低邏輯使各開關處於高阻抗狀態(例如「關斷」)。但亦可使用以其他方式回應邏輯指令之開關或電晶體。
於圖2中，在t0，第一繞組電路處於第一狀態，或稱飛輪狀態，且第二繞組電路之所有開關(M5-M8)均為「導通」(例如，PH1=PH2=「高」)，因此第二繞組之各節點(A、B、C、D)均連接至地端。第一繞組處於「飛輪」狀態時，第一繞組中之電流可持續流動，直到因電路損失而告終為止。輸出電感器(例如，圖1之102、103)中之任何電流可放電至輸出端子，或對輸出電壓節點(VOUT)充電。
於t1，第一繞組電路變換為第二狀態，且一供應電壓以第一極性(-VIN)施加於第一繞組。施加供應電壓(VIN)可引起第一繞組之電流(I1)變化，且可跨第二繞組之繞組區段而感生電壓。例如，當供應電壓(-VIN)施加於第一繞組時，與相位2控制訊號(PH2)關聯之開關(圖1之M6、M8)「關斷」。第一繞組之電流(I1)變化可在與相位2控制訊號(PH2)相關聯之開關(圖1之M6、M8)之汲極(B、D)產生電壓。平面第一與第二繞組之磁性耦合可使得第二繞組區段之感生電壓(VB、VD)與施加於第一繞組之供應電壓(VIN)之銳利脈衝形狀相符。於t1，相位2訊號(PH2)為低，且關聯之開關(M6、M8)為「關斷」。對於第一繞組106(即在此降壓應用中之一次繞組)而言，跨越其繞組端子(例如VIN)之電壓出現完全改變。跨各第二繞組相連繞組區段之電壓可由下式計得：
Figure 110113212-A0305-02-0008-1
 其中，N為一次繞組對各個別二次繞組之匝數比。假設平面變壓器系統之輸出端子處有一負載，則輸出電感器102、103中之電流會因穿過其中之正向電壓而增加。
於t2，控制器使第一繞組過渡回第一狀態，即飛輪狀態，且第二繞組電路之全部開關(M5-M8)皆為「導通」(例如，PH1=PH2=「高」)，因此，將第二繞組之各節點耦接至地端。如上所述，由於第一繞組電感抵抗了電流變化，因此第一繞組中之所有電流持續流動。在飛輪狀態期間，電流可能因電路中之損失而略微下降。輸出電感器(例如圖1之102、103)中之任何電流放電至輸出端子，或對輸出電壓節點(VOUT)充電。
於t3，第一繞組電路進入第三狀態，且供應電壓(VIN)以第二極性(+VIN)施加於第一繞組。施加供應電壓(VIN)可使第一繞組之電流(I1)產生變化，並於第二繞組區段感生電壓。例如，當供應電壓(+VIN)施加於第一繞組時，與相位1控制訊號(PH1)相關聯之開關(M5，M7)「關斷」。第一繞組之電流(I1)變化可於與相位1控制訊號(PH1)相關聯之開關(圖3之M5、M7)之汲極(A、C)產生電壓。平面第一與第二繞組之磁性耦合可使得第二繞組區段之感生電壓(VA、VC)與施加於第一繞組之供應電壓(VIN)之銳利脈衝形狀相符。於t3，相位1訊號(PH1)為低，且關聯之開關(M5、M7)為「關斷」。對於第一繞組106(即在此降壓應用中之一次繞組)而言，跨越其繞組端子之電壓出現完全改變。跨各第二繞組之相連繞組區段之電壓可由下式計得：
Figure 110113212-A0305-02-0009-2
 其中N為一次繞組對各個別二次繞組之匝數比。假設平面變壓器系統之輸出端子處有一負載，則輸出電感器102、103中之電流會因穿過其中之正向電壓而增加。
圖3依據本發明概要繪示第二繞組之子部分傳導跡線之範例佈局320。例如，圖3描繪可形成上述第二繞組之一部分(例如圖1之111、112)之兩個單匝平面子部分321、322。於某些範例中，範例佈局320可包括鐵芯108、第二繞組之第一部分之第一子部分321、第二繞組之第二部分之第一子部分322、第一與第二電感器382、383及第一與第二開關380、381。佈局320中，兩個子部分321、322具有幾乎相同之佈局，但彼此相對轉向180度。單匝子部分321、322佈局之轉向、鏡射或互補性質使得電感器382、383及開關380、381能夠緊密設置，從而消除或盡量減少單匝子部分321、322傳導部分間之額外走線。藉由減少走線，本發明相較於平面變壓器之習知佈局可有效減少各子部分之功率損失。此外，當電流(I)感生於各子部分322、321時，電流(I)可沿相同方向圍繞鐵芯108之繞線柱，從而強化第二繞組與第一繞組間之磁性耦合。雖然一對子部分即能夠包括所有用於耦接至開關及電感器之節點，且可提供基本之升壓或降壓功能，但加設第二對子部分可在不增加(或微幅增加)電路所佔面積之情況下達到增大輸出電流之效。
圖4依據本發明描繪範例平面變壓器400之堆疊配置。於圖示範例中，平面變壓器400之第一繞組與第二繞組間之匝數比可為6：1，但本發明不限於此。平面變壓器400可包括單一繞線柱鐵芯，但本發明不限於此。此堆疊可具有九層，其中五層提供第一繞組中六匝之走線，四層用於第二繞組之子部分中兩對(第二繞組A、第二繞組B)之走線。
圖5A至圖5E概要繪示圖4之範例平面變壓器400之五層體中，每一層體內第一繞組傳導部分之佈局。圖5A範例平面變壓器之第一繞組之一部分中 之第一佈局551，其中包括一第一傳導部分531，其經走線而提供第一繞組之單匝。第一傳導部分531可具有一第一節點541或第一組通孔，用以耦接至一電壓源，或負載，且具有第二組通孔542，用以耦接至第一繞組之第二層。於某些範例中，第一節點541可對應於第一組開關(例如，圖1之Q1-Q4)之中間節點之第一節點。圖5B概要繪示圖4之範例平面變壓器400中第一繞組之一部分之第二佈局552。第二佈局552可包括第一繞組之第二傳導部分532，其係經走線而提供第一繞組之單匝或更多。第二傳導部分532之第一端可通過第二組通孔542而與第一繞組之第一傳導部分531電性連接。第二傳導部分532之第二端可耦接於一第三組通孔543。
圖5C概要繪示圖4之範例平面變壓器400中第一繞組一部分之第三佈局553。第三佈局553可包括第一繞組之第三傳導部分533，其經走線而提供第一繞組之單匝或更多。第三傳導部分533之第一端可經由第三組通孔543而與第一繞組之第二傳導部分532電性連接。第三傳導部分533之第二端可耦接於第四組通孔544。
圖5D概要繪示圖4之範例平面變壓器400中第一繞組一部分之第四佈局554。第四佈局554可包括第一繞組之第四傳導部分534，其經走線而提供第一繞組之單匝。第四傳導部分534之第一端可經由第四組通孔544而與第一繞組之第三傳導部分533電性連接。第四傳導部分534之第二端可耦接於第五組通孔545。
圖5E概要繪示圖4範例平面變壓器第一繞組部分之第五佈局555。第五佈局555可包括第一繞組之第五傳導部分535，其經走線而在第一繞組周圍形成一匝半。第五傳導部分535之第一端可經由第五組通孔545而與第一繞組之第四傳導部分534電性連接。第五傳導部分535之第二端可耦接於第六組通 孔546。於某些範例中，第六組通孔546可為第一繞組之一第二節點之至少一部分，且可對應於第一組開關之多個中間節點(例如，圖1之Q1-Q4)之一第二節點。
關於圖4之範例平面變壓器400，九層之編號由上向下漸增，第一繞組之第一佈局551用於第四層，第一繞組之第二佈局552於第二層，第一繞組之第三佈局553可用於第七層，第一繞組之第四佈局554可用於第九層，且第一繞組之第五佈局555可用於第五層。在圖示範例中，係以第一繞組之五種佈局(551-555)之串聯連接在鐵芯108中央繞線柱周圍形成六匝。應知第一繞組之部分亦可採用其他具有相同或不同匝數之配置，而不脫離本發明之範疇。
圖6A及圖6B概要描繪圖4之範例平面變壓器400之第二繞組子部分之佈局660、670。圖6A概要繪示第二繞組之第一子部分之範例佈局660。佈局660可包括鐵芯108及經走線而形成第二繞組單匝之第一傳導部分661。單匝平面導體可實質環繞空缺，其具有通往空缺之小型開口以分離導體之兩端。例如，單匝平面導體可呈「馬蹄鐵」形狀，或其他最貼近中央空缺但具有裂口之U字形狀，以免完全封閉中央空缺。某些單匝平面導體可具有「彎鉤形狀」。佈局660亦可包括第一及第二組通孔671、672。第一組通孔671可用於將第一子部分與第二並聯第一子部分、一或多個輸出電感器、一或多個開關或其組合連接，以形成圖4範例平面變壓器400之兩部分(111、112)中之一者。於某些範例中，佈局660可用於圖4範例平面變壓器400之九層中之兩層。
圖6B概要繪示第二繞組第二子部分之範例佈局670。佈局670可包括鐵芯108及經走線而形成第二繞組單匝之第二傳導部分662。所述單匝可呈「馬蹄鐵」或「U形」。第二傳導部分662之方向可與第一傳導部分661互補，或可大 致鏡射或反射第一傳導部分之方向。一般而言，第一與第二傳導部分661、662之方向彼此相反，使得一傳導部分之末端之方向與另一傳導部分之對應末端之方向相反，以利第二繞組其他組件之緊密佈置。於另一範例中，當第二傳導部分662堆疊於對應第一子部分(例如，佈局660)以例如支撐整體緊密平面變壓器時，第二傳導部分662係相對於對應第一子部分旋轉180度。佈局670亦可包括第一及第二組通孔671、672。第二組通孔672可用於將第二子部分與第二並聯第二子部分、一或多個電感器、一或多個開關或其組合連接，以形成圖4之範例平面變壓器400中兩部分(111、112)之一者。第一組通孔671可與第二繞組之第二傳導部分662隔離，且可用於耦接第二繞組之第二部分之組件。於某些範例中，第二繞組之各部分可包括更多或更少數量之平面傳導部分(例如661、662)，以利將第二繞組更緊密耦接於第一繞組。
關於圖4之範例平面變壓器400，九層之編號由上向下漸增，第二繞組之第一子部分之範例佈局660用於第一層及第八層，且第二繞組之第二子部分之範例佈局670用於第三層及第六層。於圖示範例中，第二繞組之第一部分可由第一層與第八層並聯形成，第二繞組之第二部分可由第三層與第六層並聯形成。應知第二繞組之子部分亦可採用其他配置而不脫離本發明之範疇。於某些範例中，各傳導部分661、662可包括額外傳導區域663、664，以利第二繞組與第一繞組之耦接。
圖7A及圖7B提供本發明範例之平面變壓器封裝之實際樣本之各種視圖。圖7A為範例平面變壓器之頂視圖，其中顯示多層基板、鐵芯、四個耦接至第二繞組之電感器、控制器及其他控制組件，例如第二組開關之驅動器。圖7B為範例平面變壓器封裝之底視圖，其中顯示多層基板、鐵芯、第二組開關及額外輔助控制組件。在一範例中，本發明平面變壓器之可功率密度可大於每 公升50千瓦(kW/L)。此一功率密度係由上述第二繞組子部分之互補方向所提供。在一範例中，功率密度大於50kW/L之平面變壓器可自54伏特供應電壓提供140安培之3.3伏特輸出電壓。此一範例之整體尺寸可為24.5mm(長) x 24mm(寬) x 15mm。
圖8描繪範例平面變壓器之中心抽頭配置中具有第二繞組之一部分之一層體之一傳導跡線880。於某些範例中，傳導跡線880可具有接近第二繞組之單匝之問號形狀或彎鉤形狀。上述形狀可使例如開關881及電感器882等關聯於第二繞組部分之控制組件以緊密之佈置環設於鐵芯883周圍。
圖9依據本發明概要繪示具有中心抽頭配置之範例平面變壓器系統900電路。平面變壓器系統900可包括一平面變壓器901、一第一組開關(Q1-Q4)、一第二組開關(M5-M8)、輸出電感器902、903及一控制器904。於某些範例中，第一組開關及第二組開關中之一或多個開關可配備有閘極驅動器910。平面變壓器901可包括鐵芯905、第一繞組906及一或多個第二繞組907、908。第一繞組906可包括一定匝數且通常可包括超過一匝。各第二繞組907、908可包括一定數量之繞組區段911、912、913、914。各繞組區段911、912、913、914可形成第二繞組907、908之單匝。如本文所用，繞組區段包括第二繞組之一匝之一次傳導部分，且並不包含第二繞組之輔助部件，例如出線端子、保險絲、開關等等。
第一繞組可為平面變壓器之一次繞組或平面變壓器之二次繞組。於圖9中，除非另有註明，否則第一繞組906稱為一次繞組。第一組開關(Q1-Q4)受控於控制器904，其操作是將一次繞組906週期性或定期性與電壓供應軌連接並斷接，並建立跨第一繞組906之循環性一次電壓及通過第一繞組906之循環性一次電流。第二繞組907、908可經由鐵芯905而磁性耦合於第一繞組 906。鐵芯905可為空芯或具有氣隙之磁鐵芯，或為任何能夠提供通量連結之材質或結構。
控制器904可控制第一組開關(Q1-Q4)及第二組開關(M5-M8)以提供不同於輸入電壓(VIN)之輸出電壓(VOUT)。於圖示平面變壓器系統900中，輸出電壓(VOUT)低於輸入電壓(VIN)，但本發明不以此為限。當平面變壓器901操作為降壓變壓器時，控制器904可控制第一組開關(Q1-Q4)，在通過第一繞組906時擺動或交替輸入電壓(VIN)之極性。當平面變壓器901操作為降壓變壓器時，控制器904可操作或同步第二組開關(M5-M8)，藉此自第二繞組之繞組區段提取電力。第二組開關可利用兩個相位訊號(PH1、PH2)加以控制。於某些範例中，各第二繞組907、908可在相連繞組區段(911/912及913/914)之間包括一或多個分接頭(E、F)。於某些範例中，藉由在繞組區段間設置分接頭(E、F)，可使輸出電壓(VOUT)包含輸入電壓(VIN)之升壓或降壓乘法器。此外，相較於習知方法，及更近期之平面技術，相連繞組區段(911/912及913/914)間之分接頭(E、F)可減少所需開關，因此有助於降低複雜度或平面變壓器設計整體成本。此外，藉由繞組區段間之分接頭(E、F)，亦可使用較低電感之輸出電感器902、903平滑輸出電壓(VOUT)。由於輸出電感器902、903之電感較低，因此產生之電路實施可利用其他平面變壓器組件寄生電感以平滑輸出電壓(VOUT)中之輸出漣波。輸出電感器902、903可耦接在對應分接頭(E、F)與平面變壓器系統900輸出電壓端子之間。於某些範例中，輸出電感器902、903可包括空芯電感器。
圖10概要繪示圖9之範例電路之第二繞組之範例緊密佈局1090，其包括輸出電感器902、903及第二組開關(M5-M8)。於某些範例中，第二繞組之各部分之傳導跡線或繞組區段911、912、913、914之個別傳導跡線可位於 中心抽頭平面變壓器基板上之多個層體。與第二繞組特定繞組區段關聯之傳導跡線可並聯耦接，以例如處理較高電流。在此情況下，基板之額外層體僅略為增加變壓器之垂直維度，而不會擴大變壓器之平面佔用面積。
圖11概要繪示平面變壓器1100之範例部分，其係配置為，例如，提供多重電壓輸出。範例部分之鐵芯1105包括多個繞線柱，第二繞組之子部分1191、1192、1193、1194分別圍繞各繞線柱。平面變壓器1100之部分亦顯示過濾電感器(L)及開關(S)之緊密佈局，用於電性耦接上述之第二繞組之子部分，藉此確保各子部分上之電流(I)以相同方向圍繞鐵芯1105之個別繞線柱。利用上述技術，平面變壓器1100能夠自具有極小高度之多層基板封裝產生更大電流輸出能力，提供多重輸出電壓或單一輸出電壓。
圖12依據本發明概要繪示用於操作一平面變壓器範例之降壓方法1200之操作流程圖。於1201，可於平面變壓器之第一平面繞組施加具有交替極性之供應電壓。第一平面繞組之多匝圍繞金屬鐵芯之繞線柱，藉此在平面變壓器第二平面繞組中感生電流。於1203，因應供應電壓之第一極性，第二繞組中第一單匝之第一節點可經由第一第二繞組開關而耦接至地端。第二繞組之地端連接可為第二繞組上感生電壓提供參考電位。於1205，因應供應電壓之第一極性，第一單匝之第二節點可經由第二開關而與地端隔離。隔離第二節點可使電流感生於第二繞組中，藉此提供平面變壓器之輸出電壓。於1207，可在耦接於第一單匝之第一電感器之第一節點提供輸出電壓。第一電感器可在第一單匝之第二節點直接串聯耦接第一單匝。用於降壓配置之第一電感器可過濾輸出電壓。於某些範例中，儲存於輸出電感器中之電流有助於在第一平面繞組上供應電壓之交替極性切換時開關平滑輸出電壓位準。
於某些範例中，單匝可包括多條並聯傳導跡線。上述傳導跡線可 經由多層基板堆疊以提供具有高度空間效益之平面變壓器。此外，藉由將部分傳導跡線轉向180度，可達提升變壓器功率密度卻不致大幅增加平面變壓器佔用面積之效。於某些範例中，操作一平面變壓器範例之降壓方法包括因應交替極性之第二極性，經由第二開關，將第二繞組之第二單匝之第一節點耦接至地端；因應交替極性之第二極性，經由第一開關，將第二單匝之第二節點與地端隔離；在第二電感器之第一節點提供輸出電壓，其中，第二電感器是在第二單匝之第二節點直接串聯耦接在第二單匝。於某些範例中，操作一平面變壓器範例之降壓方法包括因應交替極性之第一極性，經由第三開關，將第二繞組之第三單匝之第一節點耦接至地端；因應交替極性之第一極性，經由第四開關，將第三單匝之第二節點與地端隔離；提供輸出電壓包括在第一電感器之第一節點及第三電感器提供輸出電壓，第三電感器是在第三單匝之第二節點直接串聯耦接至第三單匝。於某些範例中，操作一平面變壓器範例之降壓方法包括因應交替極性之第二極性，經由第四開關，將第二繞組之第四單匝之第一節點耦接至地端；因應交替極性之第二極性，經由第三開關，將第四單匝之第二節點與地端隔離；提供輸出電壓包括在第二電感器之第一節點及第四電感器提供輸出電壓，第四電感器是在第四單匝之第二節點直接串聯耦接至第四單匝。
以上詳細說明包括對於附圖之參照，附圖亦屬於詳細說明之一部分。圖中以範例方式顯示可用於實施本發明之具體實施例。此等實施例在此亦稱為「範例」。此等範例可包括圖中所示及文中所述以外之元件。然而，本發明亦應包含僅具有所示及所繪元件之範例。此外，本發明亦包含使用所示及所繪元件任何組合或置換之範例(或其一或多種態樣)，不論是關於在此所描繪敘述之一特定範例(或其一或多種態樣)，或關於其他範例(或其一或多種態樣)。
若本文與任何參照文件出現使用不一致，應以本文之用法為準。
於本文中，「一」之用法如同一般專利文件中之用法，可包括一或多於一，不受任何「至少一」或「一或多」之其他實例或使用所影響。本文中之用與「或」係用於非排他性之指稱，因此，除非另有說明，否則「A或B」包括「A但非B」、「B但非A」及「A及B」。本文中，「包括」及「在其中」等語之用法分別等於「包含」及「其中」等語之普通英文等效表述。並且，於以下請求項中，「包括」及「包含」等語為開放性質，亦即，包括此等用語所導引元件以外元件之系統、器件、物品、組成、配方或程序仍應屬於本發明請求項之範疇。此外，於以下之請求項中，「第一」、「第二」及「第三」等等用語僅為標示之目的，並非用於表示對於所稱對象之數值要求。
在此所述之方法範例可至少部分以機器或電腦加以實施。某些範例可包括電腦可讀媒體或機器可讀媒體，其係採用指令編碼，可經操作而使電子器件以執行以上範例描述之方法。此等方法之實施可包括代碼，例如微碼、組合語言碼、高階語言碼或類似者。此類代碼可包括電腦可讀指令，用以執行各種方法。所述代碼可構成電腦程式產品之部分。再者，於一範例中，所述代碼在執行時或在其他時刻可以有形方式儲存於一或多個揮發性、非暫態或非揮發性有形電腦可讀媒介。此等有形電腦可讀媒介之範例包括但不限於硬碟、可拆式磁碟、可移除光碟(例如資料光碟及數位影音光碟)、磁匣、記憶體卡或隨身碟，隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)等等。
以上敘述之目的在於說明而非限制。例如，上述範例(或其一或多種態樣)可彼此結合運用。熟悉此技藝人士經閱讀以上說明後應可用其他實施例。摘要係符合37 C.F.R.§1.72(b)之要求，使讀者能夠快速明瞭本發明之技術性質，其提交目的並非用於解讀或限制請求項之範圍或意涵。並且，在以上 詳細說明中，或已將各種特徵分組說明以利描述，但此舉並非表示未經主張之發明特為任何請求項之必要條件。實則是發明主體可不需具備特定所述實施例中之所有特徵。因此，以下請求項在此如同範例或實施例併入詳細說明中，其中各項本身即代表一單獨實施例，且此等實施例可彼此相互結合而成為各種組合或置換。
100:平面變壓器系統
101:平面變壓器
102:輸出電感器
103:輸出電感器
104:輸出電感器
105:輸出電感器
106:第一繞組
107:控制器
108:鐵芯
110:閘極驅動器
111:部分
112:部分
A:節點/汲極
B:節點/汲極
C:節點/汲極
D:節點/汲極
I1:電流
M5:開關
M6:開關
M7:開關
M8:開關
Q1:開關
Q2:開關
Q3:開關
Q4:開關
V1:電壓
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
PH1:相位1
PH2:相位2

Claims (16)

  1. 一種耦合電感器電路，其係包含；一鐵芯；一第一平面繞組，包含一傳導線圈，該傳導線圈具有一電氣路徑，該電氣路徑環繞該鐵芯之一第一繞線柱；以及一第二平面繞組，經由該鐵芯而磁性耦合於該第一平面繞組，該第二平面繞組具有複數個區段；其中，該等區段包括：一第一區段，包含圍繞該第一繞線柱之一第一U形平面傳導跡線；以及一第二區段，包含圍繞該第一繞線柱之一第二U形平面傳導跡線；以及其中，該第一區段之一佈局與該第二區段之一佈局相反；其中，對該第一平面繞組施加一交替極性之一供應電壓以於一第二平面繞組中感生一電流；其中，因應該第一平面繞組之該交替極性之一第一極性，該第一區段之一第一節點經由一第一開關耦接至一地端，該第一區段之一第二節點經由一第二開關與該地端隔離，一第一電感器之一第一節點提供一輸出電壓，其中，該第一電感器是在該第一區段之該第二節點直接串聯耦接至該第一區段；其中，因應該第一平面繞組之該交替極性之一第二極性，該第二區段之 一第一節點經由該第二開關耦接至該地端，該第二區段之一第二節點經由該第一開關與該地端隔離，一第二電感器之一第一節點提供該輸出電壓，其中，該第二電感器是在該第二區段之該第二節點直接串聯耦接在該第二區段。
  2. 如請求項1之耦合電感器電路，包括一第一組開關，該第一組開關配置為以該交替極性對該第一平面繞組施加該供應電壓。
  3. 如請求項2之耦合電感器電路，包括一控制器，該控制器用於控制該第一組開關、該第一開關及該第二開關。
  4. 如請求項1至3中任一者之耦合電感器電路，包括一多層基板，該多層基板包括可形成該第一平面繞組之至少二層體，該等至少二層體包括：一第一層體，包括一第一傳導跡線，用於形成該第一平面繞組之一第一部分；以及一第二層體，包括一第二傳導跡線，用於形成該第一平面繞組之一第二部分。
  5. 如請求項4之耦合電感器電路，其中，該第一層體之該第一傳導跡線形成該第一平面繞組之多於一單匝。
  6. 如請求項1之耦合電感器電路，其中，該第一電感器之該第一節點係直接耦接至該第二電感器之該第一節點，以提供該耦合電感器電路之一第一出線端子。
  7. 如請求項6之耦合電感器電路，其中，該第一出線端子用於提供該輸出電壓，且該第一平面繞組用於接收該供應電壓；以及 其中，該輸出電壓可提供該供應電壓之一降壓後版本。
  8. 如請求項1之耦合電感器電路，其中，該耦合電感器電路用於以一大於50千瓦/公升之功率密度操作。
  9. 一種用於操作一降壓平面變壓器之方法：對一第一繞組施加一交替極性之一供應電壓以於一第二繞組中感生一電流，其中，該第一繞組具有圍繞一鐵芯之一繞線柱之多匝；因應該交替極性之一第一極性，經由一第一開關，將該第二繞組之一第一單匝之一第一節點耦接至一地端；因應該交替極性之該第一極性，經由一第二開關，將該第一單匝之一第二節點與該地端隔離；在一第一電感器之一第一節點提供一輸出電壓，其中，該第一電感器是在該第一單匝之該第二節點直接串聯耦接至該第一單匝；因應該交替極性之一第二極性，經由該第二開關，將該第二繞組之一第二單匝之一第一節點耦接至該地端；因應該交替極性之該第二極性，經由該第一開關，將該第二單匝之一第二節點與該地端隔離；以及在一第二電感器之一第一節點提供該輸出電壓，其中，該第二電感器是在該第二單匝之該第二節點直接串聯耦接在該第二單匝。
  10. 如請求項9之用於操作一降壓平面變壓器之方法，包括：因應該交替極性之該第一極性，經由一第三開關，將該第二繞組之一第三單匝之一第一節點耦接至該地端； 因應該交替極性之該第一極性，經由一第四開關，將該第三單匝之一第二節點與該地端隔離；以及其中，提供該輸出電壓包括在該第一電感器之該第一節點及一第三電感器提供該輸出電壓，該第三電感器是在該第三單匝之該第二節點直接串聯耦接至該第三單匝。
  11. 如請求項10之用於操作一降壓平面變壓器之方法，其中，該第一電感器之該第一節點係耦接於該第三電感器之該第一節點，以提供該輸出電壓。
  12. 如請求項9或10之用於操作一降壓平面變壓器之方法，包括：因應該交替極性之該第二極性，經由該第四開關，將該第二繞組之一第四單匝之一第一節點耦接至該地端；因應該交替極性之該第二極性，經由該第三開關，將該第四單匝之一第二節點與該地端隔離；以及其中，提供該輸出電壓包括在該第二電感器之該第一節點及一第四電感器提供該輸出電壓，該第四電感器是在該第四單匝之該第二節點直接串聯耦接至該第四單匝。
  13. 一種平面變壓器封裝，其係包含：一金屬鐵芯，具有一第一繞線柱；一第一繞組，圍繞該第一繞線柱，該第一繞組以多匝圍繞該第一繞線柱；一第二繞組，圍繞該第一繞線柱，該第二繞組以一第一單匝及一第二單匝圍繞該第一繞線柱； 一多層基板，其中，該第一繞線柱穿過該多層基板之各層體，該多層基板包含：第一複數層，形成圍繞該第一繞線柱之該第一繞組；該多層基板之第二複數層，形成該第二繞組，該等第二複數層之各層體包括由一平面傳導材料製成且圍繞該第一繞線柱之一單匝，且該等第二複數層中之該些單匝包括該第一單匝及該第二單匝；其中，該等第二複數層之一第一層體及一第二層體包括該平面傳導材料之一第一佈局；以及其中，在該多層基板內，該第一層體之該第一佈局與該第二層體之該第一佈局互補；其中，對該第一繞組施加一交替極性之一供應電壓以於一第二繞組中感生一電流；其中，因應該第一繞組之該交替極性之一第一極性，該第一單匝之一第一節點經由一第一繞組開關耦接至一地端，該第一單匝之一第二節點經由一第二繞組開關與該地端隔離，一第一電感器之一第一節點提供一輸出電壓，其中，該第一電感器是在該第一單匝之該第二節點直接串聯耦接至該第一單匝；其中，因應該第一繞組之該交替極性之一第二極性，該第二單匝之一第一節點經由該第二繞組開關耦接至該地端，該第二單匝之一第二節點經由該第一繞組開關與該地端隔離，一第二電感器之一第一節點提供該輸出電壓，其中，該第二電感器是在該第二單匝之該第二節點直接串聯耦接在該第二單 匝。
  14. 如請求項13之平面變壓器封裝，其中該第一電感器及該第二電感器安裝於該多層基板之一第一主要外表面，且該第一電感器及該第二電感器各自係耦接至該等第二複數層之對應之該平面傳導材料。
  15. 如請求項14之平面變壓器封裝，其中該第一繞組開關及該第二繞組開關，安裝於該多層基板之一第二主要外表面，其中，該第二主要外表面與該第一主要外表面對立；以及其中，該第一繞組開關及該第二繞組開關中之一個別繞組開關係直接耦接至該第二繞組。
  16. 如請求項13之平面變壓器封裝，其中，該金屬鐵芯包括一額外繞線柱；以及其中，該多層基板包括：一額外第一繞組，圍繞該額外繞線柱；以及一額外第二繞組，圍繞該額外繞線柱。
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