WO2022053085A1

WO2022053085A1 - 多相交错降压电源和电子设备

Info

Publication number: WO2022053085A1
Application number: PCT/CN2021/130075
Authority: WO
Inventors: 李硕; 陈娜
Original assignee: 北京比特大陆科技有限公司
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2022-03-17
Also published as: CN112148081B; CN112148081A

Abstract

一种多相交错降压电源（100）和电子设备（10）。多相交错降压电源（100），用于为IC器件（200）供电，多相交错降压电源（100）包括多相支路供电模块（120），多相支路供电模块（120）设置在IC器件（200）所在主板的远离IC器件（200）的底面上。多相交错降压电源（100）和电子设备（10），能够缩短甚至消除了冗长的布线距离，从而减小损耗，提升效率，还便于IC器件（200）的管脚设计。设置多相支路供电模块（120）远离IC器件（200）还可以最大程度的不影响电源的动态性能，同时可以在一定程度上减少PCB的层数和减小PCB板使用面积，降低PCB板的成本。

Description

多相交错降压电源和电子设备

本申请要求于2020年9月11日提交中国专利局、申请号为202010954793.6、发明名称为“多相交错降压电源和电子设备”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其是涉及一种多相交错降压电源和电子设备。

背景技术

在计算机服务器等主板上给CPU/GPU/ASIC(central processing unit，中央处理器/Graphics Processing Unit，图形处理器/Appl ication Specific IntegratedCircuit，专用集成电路)等高性能半导体IC(integratedcircuit,集成电路)器件供电的POL(point of load,负载点电源)基本都是采用多相交错降压电源电路，随着IC芯片制作工艺技术的迭代升级和应用场景的需求提升，单颗芯片的核电压越来越低，电流越来越高，尺寸越来越大，导致线损在损耗中的占比越来越高。

目前较为流行的多相交错降压电源电路布局方案是同一板面上、IC的单侧一字排开放置。如图1所示，为现有技术中常见的的多相交错压降电源的侧视图。在现有技术中，多相交错压降电源的布局方案是，将多相交错压降电源100’与IC器件200’设置在同一板面上且单侧一字排开放置，其中IC器件的散热器300’用于帮助IC器件200’ 散热。如图2所示，为现有技术中常见的的多相交错压降电源的布局方案示意图。将多相交错降压电源100’，设置在主板400’的一侧，多相交错降压电源100’中包括多相支路供电模块120’，部分多相支路供电模块120’在图中省略未画出，IC器件200’包括IC器件的金属封装壳201’与IC器件的晶硅片核心202’。供电模式为单侧供电，会影响IC器件200’的管脚设计，输出回流路径加长。大电流工况下，线损骤升，只能通过增加的层数解决，这样就会大幅增加PCB的成本，也会影响电源的动态性能。IC器件200’的封装边界电源管脚点的电位是不同的。例如，b点电位会明显高于c点电位，所以为了满足最低电位点处的核心单元正常工作，只能调高电源的输出电压，但会导致了IC器件200’的功耗无谓增高。且在大尺寸芯片或芯片大电流、电源相数较多的情况下，位于电源边缘位置的相支路的输出端与IC器件200’之间的距离远大于处于中心轴位置的相支路与IC器件200’之间的距离，例如，a0与IC器件200’之间的距离远大于a与IC器件200’之间的距离，这会引起各相电流不均衡。

技术问题

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

技术解决方案

为了达到上述目的，本发明第一方面实施例的多相交错降压电源，用于为IC器件供电，所述多相交错降压电源包括多相支路供电模块，多相支路供电模块设置在所述IC器件所在主板的远离所述IC器件的底面上。

根据本发明实施例的多相交错压降电源，将多相支路供电模块设置在IC器件所在主板的远离IC器件的底面上，相较于供电模块与IC器件同侧设置，两者设置在主板两面，可以便于IC器件的管脚设计。设置多相支路供电模块与IC器件在主板的两侧，也能将校对电源动态性能的影响，利于供电模块与IC器件的布线，减少PCB板层数的浪费，以及设置在主板两面，可以减小PCB板使用面积，降低PCB的成本。

在本发明的一些实施例中，在所述底面上，多相支路供电模块以所述IC器件在所述底面上的投影区域为中心等分圆周设置。通过将多相支路供电模块进行圆周设置，可以使布局匀称紧凑，减小各相支路输出端和IC器件中心的距离，缩短输出回流路径。圆周式布局也可以引起电流均匀分布，可以降低压降减少损耗。

在本发明的一些实施例中，所述主板上设置所述IC器件的一面上围绕所述IC器件设置有IC器件信号平面；多相支路供电模块设置在所述IC器件信号平面在所述底面上的投影区域内。

在本发明的一些实施例中，所述IC器件信号平面在所述底面上的投影区域为矩形；在所述IC器件信号平面在所述底面上的投影区域的内切圆内，以所述IC器件在所述底面上的投影区域为中心等分圆周形成与多相支路供电模块数量对应的多个所述扇形区域；多相支路供电模块对应设置在多个所述扇形区域内。

在本发明的一些实施例中，在所述主板的底面上围绕所述IC器件在所述底面上的投影区域，对应每个扇形区域内设置有所述IC器件的电源功率地平面；每相支路供电模块对应设置在电源功率地平面上。

在本发明的一些实施例中，所述电源功率地平面为三角形，相邻的每两个电源功率地平面的斜边相对设置。通过将电源功率地平面设置为三角形且将斜边相对设置，可以有效利用PCB板的空间，布局对称且紧凑，有利于电流均匀分布，且能有效减小压降，利于IC器件的工作都电压稳定。

在本发明的一些实施例中，所述电源功率模块的外侧设置有直流母线平面；每相支路供电模块的地平面呈放射状设置，并连接所述IC器件在所述底面上的投影区域与所述直流母线平面。通过将每相支路供电模块的地平面进行放射状设置，有利于电流均匀分布，且利于IC器件的管脚设计。

在本发明的一些实施例中，所述直流母线平面为具有缺口的环形，所述直流母线平面具有第一引出端；在所述主板的底面上还设置有控制信号平面，所述控制信号平面与所述直流母线平面分离开，所述控制信号平面的一端延伸至所述直流母线平面的缺口处，所述控制信号平面的另一端为第二引出端。

在本发明的一些实施例中，每相支路供电模块包括：输出电容单元，所述输出电容单元设置在所述电源功率地平面与所述IC器件在所述底面上的投影区域的衔接处；输入电容单元，所述输入电容单元设置在所述电源功率地平面与所述直流母线平面的衔接处；电感单元，所述电感单元靠近所述输出电容单元设置；功率开关单元，所述功率开关单元靠近所述电感单元设置。

为实现上述目的，本发明第二方面实施例在于提出一种电子设备，包括：主板和IC器件；所述的多相交错降压电源；其中，所述IC器件和所述多相交错降压电源设置在所述主板的不同面上。

有益效果

根据本发明实施例的电子设备，通过将IC器件和多相交错降压电源设置在主板的不同面上，能最大程度的不影响电源的动态性能。能在一定程度上减少PCB的层数，可以用很少的层数实现IC器件的周围空间的电源功率平面，能在一定程度上减少PCB的层数，也能减小PCB板使用面积，降低PCB的成本。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术中常见的的多相交错压降电源的侧视图；

图2是现有技术中常见的的多相交错压降电源的布局方案示意图；

图3是本发明一个实施例的多相交错压降电源的侧视图；

图4是一种八相支路供电模块的IC器件信号平面布置的示意图；

图5是一种八相支路供电模块的IC器件信号平面的底面投影区域的示意图；

图6是一种八相支路供电模块中直流母线平面与控制信号平面布置的示意图；

图7是一种八相支路供电模块布置的示意图；

图8是本发明实施例的一种电子设备的侧视图图。

附图标记：

现有技术：

多相交错压降电源100’、多相支路供电模块120’、IC器件200’、IC器件的金属封装壳201’、IC器件的晶硅片核心202’、IC器件的散热器300’、主板400’；

本发明：

多相交错降压电源100、多相支路供电模块120、输入电容单元121、功率开关单元122、电感单元123、输出电容单元124、IC器件200、金属封装壳201、晶硅片核心202、IC器件在底面上的投影区域200a、IC器件的金属封装壳在底面上的投影区域201a、IC器件的散热器300、主板400、第一扇形区域401、第二扇形区域402、第三扇形区域403、第四扇形区域404、第五扇形区域405、第六扇形区域406、第七扇形区域407、第八扇形区域408、电源功率地平面500、衔接点501、衔接点502、直流母线503、控制信号平面504、IC器件信号平面505、IC器件信号平面在底面上的投影区域505a、电子设备10。

本发明的最佳实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示处，其中自始至终相同或类似的元件标号表示相同或类似的元件具有相同或类似的功能的元件，参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，下面详细描述本发明的实施例。

下面结合附图描述本发明实施例的多相交错降压电源和电子设备。

图3是本发明一个实施例的多相交错压降电源的侧视图。如图3所示，多相交错降压电源100可以用于为IC器件200供电，多相交错降压电源100包括多相支路供电模块120，多相支路供电模块120设置在IC器件200所在的主板400的远离IC器件200的底面上，即将IC器件200和多相支路供电模块120分设在主板400的两侧。其中，IC器件的散热器300用于帮助IC器件200散热。

本发明实施例的多相交错降压电源100，与现有技术例如图1所示相比，将多相支路供电模块120设置在IC器件所在主板的远离IC器件的底面上，即设置在主板两侧，便于IC器件的管脚设计，以及，设置多相支路供电模块远离IC器件可以降低对电源的动态性能的影响。利于供电模块与IC器件的布线，减少PCB板层数的浪费，减小PCB板使用面积，从而达到以极低成本的方式优化解决现有技术中所存在的问题的目的.

图4是一种八相支路供电模块的IC器件信号平面布置的示意图。

在本发明的实施例中，多相支路供电模块可以为四相或六相或八相等，以八相支路供电模块为例，如图4所示，在主板400上设置IC器件200的一面上围绕IC器件200设置IC器件信号平面505，其中，在实施例中如图4所示，IC器件200包括金属封装壳201和晶硅片核心202，IC器件的散热器300用于帮助IC器件200散热。

图5是一种八相支路供电模块的IC器件信号平面的底面投影区域布置的示意图。

在本发明的实施例中，在主板400的远离IC器件200的底面上，多相支路供电模块120以IC器件在底面上的投影区域为中心等分圆周设置，相较于设置在单面、一字排开，能够缩短甚至消除了冗长的布线距离，减小损耗，提升效率。其中，在实施例中，多相支路供电模块120可以设置在IC器件信号平面505在底面上的投影区域200a内。

以八相支路供电模块为例，如图5所示，将八相支路供电模块以IC器件在底面上的投影区域200a为中心进行等分圆周设置，通过将多相支路供电模块设置在底面上，能减小各相支路输出端和IC器件中心的距离，缩短输出回流路径，降低IC器件的功耗。通过将多相支路供电模块进行圆周设置，可以解决现有技术中单侧供电的缺点，且布局匀称紧凑可以提升对PCB板的利用率。圆周式布局也可以使得电流均匀分布，可以降低压降减少损耗。

在本发明的实施例中，如图5所示，IC器件信号平面505在底面上的投影区域505a可以为矩形，例如，可以将IC器件信号平面在底面上的投影区域505a设置为正方形，且设置正方形的内切圆。还可以将多相支路供电模块在内切圆内进行圆周式布局，圆周式布局也可以引起电流均匀分布，可以降低压降减少损耗。

在实施例中，在IC器件信号平面在底面上的投影区域200a的内切圆内，可以以IC器件在底面上的投影区域为中心等分圆周形成与多相支路供电模块120的数量对应的多个扇形区域，例如，如5所示，以八相支路供电模块为例，可以以IC器件在底面上的投影区域为中心，将内切圆等分为八个相等的扇形区域，例如可以分别设置八个扇形区域为第一扇形区域401、第二扇形区域402、第三扇形区域403、第四扇形区域404、第五扇形区域405、第六扇形区域406、第七扇形区域407和第八扇形区域408，且八相支路供电模块可以分别对应设置在八个扇形区域内。

在本发明的实施例中，如图5所示，以八相支路供电模块为例，在主板400的底面上围绕IC器件200在底面上的投影区域200a，可以在对应的八个扇形区域内设置IC器件的电源功率地平面500。每相支路供电模块对应设置在电源功率地平面500上。

其中，在实施例中，如图5所示，电源功率地平面500可以设置为三角形，相邻的每两个电源功率地平面500的斜边相对设置，实现更加合理的布局，节省占用主板400的空间。

本发明实施例的多相交错降压电源100，将电源功率地平面500设置为三角形，并且将相邻的每两个电源功率地平面500的斜边相对设置，这种设置方式可以有效利用主板的空间，布局对称且紧凑，有利于电流的均匀分布，能有效减小IC器件的压降，利于IC器件的工作电压稳定。

图6是一种八相支路供电模块中直流母线平面与控制信号平面布置的示意图。

在本发明的实施例中，如图6所示，以八相支路供电模块为例，在主板400的底面上，在电源功率地平面500的外侧设置直流母线平面503，例如，可以以IC器件在底面上的投影区域200a为中心，将多相支路供电模块120的每一相的地平面分别对应设置在被等分的内切圆的八个相等的扇形区域内，并且使其中多相支路供电模块120的地平面呈放射状设置，有利于电流均匀分布，且能有效减小压降，并可以从IC器件在底面上的投影区域200a连接至外围的直流母线平面503上。

其中，在实施例中，如图6所示，可以将直流母线平面503设置为具有缺口的环形，例如，如图6所示，可以将缺口设置在第七扇形区域407和第八扇形区域408之间，直流母线平面503具有第一引出端01，例如将第一引出端01设置在靠近第三扇形区域403和第四扇形区域404的直流母线平面的交汇处，位于主板400的底面的上侧。则第七扇形区域407、第八扇形区域408、第一扇形区域401、第二扇形区域402和第三扇形区域403中的各相支路供电模块与直流母线平面503左侧部分的环形电连接，第四扇形区域404、第五扇形区域405和第六扇形区域406中的各相支路供电模块与直流母线平面503 右侧部分环形电连接，直流母线平面503呈环形分布可以缩短输出回流路径，降低IC器件的功耗。将直流母线平面503的环形下部设置缺口，能够节省空间，避免浪费也便于各相支路供电模块进行充放电。

在本发明的实施例中，如图6所示，在主板400的底面上设置有控制信号平面504，例如，可以将控制信号平面的一端02延伸至直流母线平面503的缺口处，在控制信号平面504可以与直流母线平面503分离开的同时，还可以有效利用主板400的空间，这样布局比较紧凑，可以提升PCB板的利用率。设置控制信号平面504的另一端为第二引出端03，例如，将控制信号平面504的第二引出端03设置在第四扇形区域404、第五扇形区域405的下侧，且位于主板400的底面的下侧，这样设置可以使控制信号平面504与直流母线平面503的第一引出端01距离较远，实现控制信号平面504可以与直流母线平面503之间的信号传输互不干扰，并且方便布线。

在本发明的实施例中，如图6和图7所示，每相支路供电模块120可以至少包括输出电容单元124、输入电容单元121、电感单元123和功率开关单元122等。如图6所示，以八相支路供电模块为例，其中，输出电容单元124可以设置在电源功率地平面500与IC器件在底面上的投影区域的衔接处502，能有效解决现有技术中的IC器件的封装边界电源管脚点的电位是不同而导致了IC器件功耗增高的问题，可以降低IC器件的功耗。输入电容单元121可以设置在电源功率地平面500与直流母线平面503的衔接处501，还能有效解决现有技术中，位于电源边缘位置的相支路的输出端与IC器件之间的距离远大于处于中心轴位置的相支路与IC器件之间的距离引起的各相电流不均衡的问题，可以缩短甚至消除多项交错降压电源的输出端到IC器件端的布线距离，以达到降低压降减少损耗的目的。

在一些实施例中，如图7所示是一种八相支路供电模块的示意图，以八相支路供电模块为例，将八相支路供电模块120中各个模块的的输出电容单元124在主板400的底面上，以IC器件在底面上的投影区域200a为中心进行环形排布，电感单元123可以设置为靠近输出电容单元124，功率开关单元122可以设置靠近电感单元123，例如，可以设置一相供电模块与一侧的另一相供电模块的输入电容单元121的相互靠近，而输出电容单元124、电感单元123和功率开关单元122相互远离，还可以设置与另一侧的另一项供电模块输出电容单元124、电感单元123和功率开关单元122相互靠近，输入电容单元121的相互远离，以此形式交错设置，利于多相交错降压电源为IC器件供电过程中电流均衡分布，其中，部分多相支路供电模块120在图中省略未画出。

本发明实施例的多相交错降压电源100，八相支路供电模块120可以分别对应设置在等分圆周形成的八个扇形区域内，通过将多相支路供电模块设置在底面上，能减小各相支路输出端和IC器件中心的距离，通过将多相支路供电模块进行圆周设置，可以解决现有技术中单侧供电的缺点，且布局匀称紧凑可以提升对PCB板的利用率，圆周式布局也可以引起电流均匀分布，可以降低压降减少损耗。

图8是本发明实施例的一种电子设备的侧视图。

如图8所示，本发明实施例的电子设备10至少可以包括主板400、IC器件200和多相交错降压电源100，其中，IC器件200和多相交错降压电源100可以设置在主板400的不同面上，例如可以将IC器件200设置在主板400的一面上，将多相交错压降电源100设置在主板400的远离IC器件200的底面上，其中，IC器件的散热器300用于帮助IC器件200散热。

在实施例中，电子设备10可以包括计算机、大型服务器或者专用集成电路等。通过控制器信号平面500与IC器件信号平面的完全分离，能最大程度的不影响电源的动态性能。IC器件的功率级别以及IC器件的管脚定义种类和数量不同，需要的PCB板的层数也不同，主板400的一面可以全部用于IC信号平面使用，能在一定程度上减少PCB的层数，可以用很少的层数实现IC器件的周围空间的电源功率平面，至少只需要两层，也能减小PCB板使用面积，降低PCB的成本。

总的来说，本发明实施例的多相交错降压电源100和电子设备10，通过将多相支路供电模块120设置在底面上，能减小各相支路输出端和IC器件200中心的距离，缩短输出回流路径，降低IC器件200的功耗。通过将多相支路供电模块进行圆周设置，可以解决现有技术中单侧供电的缺点，且布局匀称紧凑可以提升对PCB板的利用率。圆周式布局也可以引起电流均匀分布，可以降低压降减少损耗。可以用很少的层数实现IC器件200的周围空间的电源功率平面，降低PCB的成本。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

一种多相交错降压电源，其特征在于，用于为IC器件供电，所述多相交错降压电源包括多相支路供电模块，多相支路供电模块设置在所述IC器件所在主板的远离所述IC器件的底面上。
根据权利要求1所述的多相交错降压电源，其特征在于，在所述底面上，多相支路供电模块以所述IC器件在所述底面上的投影区域为中心等分圆周设置。
根据权利要求2所述的多相交错降压电源，其特征在于，

所述主板上设置所述IC器件的一面上围绕所述IC器件设置有IC器件信号平面；

多相支路供电模块设置在所述IC器件信号平面在所述底面上的投影区域内。
根据权利要求3所述的多相交错降压电源，其特征在于，

所述IC器件信号平面在所述底面上的投影区域为矩形；

在所述IC器件信号平面在所述底面上的投影区域的内切圆内，以所述IC器件在所述底面上的投影区域为中心等分圆周形成与多相支路供电模块数量对应的多个所述扇形区域；

多相支路供电模块对应设置在多个所述扇形区域内。
根据权利要求3所述的多相交错降压电源，其特征在于，

在所述主板的底面上围绕所述IC器件在所述底面上的投影区域，对应每个扇形区域内设置有所述IC器件的电源功率地平面；

每相支路供电模块对应设置在电源功率地平面上。
根据权利要求5所述的多相交错降压电源，其特征在于，所述电源功率地平面为三角形，相邻的每两个电源功率地平面的斜边相对设置。
根据权利要求6所述的多相交错降压电源，其特征在于，

所述电源功率地平面的外侧设置有直流母线平面；

每相支路供电模块的地平面呈放射状设置，并连接所述IC器件在所述底面上的投影区域与所述直流母线平面。
根据权利要求7所述的多相交错降压电源，其特征在于，

所述直流母线平面为具有缺口的环形，所述直流母线平面具有第一引出端；

在所述主板的底面上还设置有控制信号平面，所述控制信号平面与所述直流母线平面分离开，所述控制信号平面的一端延伸至所述直流母线平面的缺口处，所述控制信号平面的另一端为第二引出端。
根据权利要求8所述的多相交错降压电源，其特征在于，每相支路供电模块包括：

输出电容单元，所述输出电容单元设置在所述电源功率地平面与所述IC器件在所述底面上的投影区域的衔接处；

输入电容单元，所述输入电容单元设置在所述电源功率地平面与所述直流母线平面的衔接处；

电感单元，所述电感单元靠近所述输出电容单元设置；

功率开关单元，所述功率开关单元靠近所述电感单元设置。
一种电子设备，其特征在于，包括：

主板和IC器件；

权利要求1-9任一项所述的多相交错降压电源；

其中，所述IC器件和所述多相交错降压电源设置在所述主板的不同面上。