绕组模块、混合变压器、模块和用于DC-DC功率转换的电路的制作方法
在许多应用中要求功率转换，诸如ac-dc或dc-dc功率转换。230v处的ac电源可以首先被转换成更低电压（例如，48v）处的dc电源。一些应用要求甚至更低的dc电压，例如12v或大约2伏特，例如1.8v。这可以是通过使用多级dc-dc转换系统来提供的，在该多级dc-dc转换系统中，例如，48vdc供给被转换成12vdc供给，该12vdc供给进而被转换成1.8v输出电压供给。由于每一个转换步骤典型地具有小于100%的效率，因此随着转换级的数目增加，整个转换过程的效率可能进一步降低。另外，每一个转换级与提供功率转换电路的部件相关联，在一些应用中，这可能导致空间的不期望占用。
在其中要求大约1.8vdc的输出电压的一些应用（诸如，用于在数据中心中使用的功率转换）中，提供更高dc-dc降压转换比率的电路将是合期望的，例如以便将48vdc输入电压转换成1.8vdc输出电压。另外，期望提供这样的转换电路和模块，其用于提供具有更小体积和每单位体积更高额定功率的电路，每单位体积的额定功率也被称作功率密度。
技术实现要素：
在实施例中，提供了一种混合变压器的绕组模块，其包括与次级绕组串联电耦合的初级绕组。所述初级绕组包括布置在平面支撑物上的第一导电迹线，并且所述次级绕组包括布置在所述平面支撑物上的第二导电迹线。所述第一导电迹线和所述第二导电迹线被布置在叠层中。所述平面支撑物包括用于接受磁芯的孔。
在实施例中，提供了一种混合变压器，其包括绕组模块和磁芯。混合变压器的所述绕组模块包括与次级绕组串联电耦合的初级绕组。所述初级绕组包括布置在平面支撑物上的第一导电迹线，并且所述次级绕组包括布置在所述平面支撑物上的第二导电迹线。所述第一导电迹线和所述第二导电迹线被布置在叠层中。所述平面支撑物包括用于接受磁芯的孔。所述磁芯包括：中央凸出部分，其凸出到所述平面支撑物中的所述孔中；以及两个外臂，其邻近于所述平面支撑物的两个相对侧面而延伸。
在实施例中，提供了一种用于在dc-dc功率转换电路中使用的模块。所述模块包括混合变压器，所述混合变压器包括磁芯和与次级绕组串联电耦合的初级绕组。所述模块进一步包括：同步整流器，具有耦合在所述初级绕组与所述次级绕组之间的输出；以及输出电容器，与所述次级绕组的输出耦合。
在实施例中，提供了一种具有至少12:1的降压转换比率的dc-dc功率转换电路。所述dc-dc功率转换电路包括半桥电路布置、谐振电容器以及包括混合变压器的模块，所述混合变压器包括磁芯和与次级绕组串联电耦合的初级绕组。所述模块进一步包括：同步整流器，具有耦合在所述混合变压器的所述初级绕组与所述次级绕组之间的输出；以及输出电容器，与所述次级绕组的输出耦合。
本领域技术人员在阅读以下详细描述后以及在查看附图后将认识到附加特征和优势。
附图说明
附图的元件不必然相对于彼此按比例绘制。相似的参考标号标示对应的类似部分。可以组合各种所图示的实施例的特征，除非它们相互排斥。在附图中描绘并在以下描述中详述示例性实施例。
图1a图示了包括混合变压器的用于dc-dc功率转换的电路。
图1b图示了用于提供图1a的电路的部分的模块的框图。
图2图示了混合变压器的绕组布局的示意图。
图3图示了用于提供混合变压器的初级和次级绕组的堆叠结构的示意侧视图。
图4图示了提供适于在堆叠结构中使用的初级绕组的部分的层的平面图。
图5图示了12个层的平面图，该12个层可以被布置在叠层中以提供混合变压器的初级绕组和次级绕组以及磁芯。
图6图示了用于提供混合变压器的初级绕组和次级绕组的堆叠结构的示意侧视图。
图7图示了用于提供混合变压器的初级绕组和次级绕组的堆叠结构的示意图。
图8a图示了包括混合变压器、次级侧开关和输出电容器的示例性功率转换模块的顶视图。
图8b图示了包括混合变压器、次级侧开关和输出电容器的示例性功率转换模块的侧视图。
图9图示了包括并联耦合的两个混合变压器级的dc-dc转换电路。
图10图示了包括变化的宽度的导电迹线的初级绕组的示例。
图11图示了针对输出电容器在变化的频率处测量的电阻的曲线图。
具体实施方式
在以下详细描述中，对附图进行参考，这些附图形成以下详细描述的部分，并且在这些附图中作为图示而示出了其中可实践本发明的具体实施例。在这点上，参考所描述的（一个或多个）图的取向来使用诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“首”、“尾”等之类的方向术语。因为可以以多个不同取向定位实施例的部件，所以该方向术语是出于图示的目的使用的而决不进行限制。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以作出结构或逻辑改变。其以下详细描述不应在限制的意义上采取，并且本发明的范围由所附权利要求限定。
下面将解释多个示例性实施例。在该情况下，相同结构特征由图中的相同或类似参考符号标识。在本描述的上下文中，“横向”或“横向方向”应当被理解成意指一般与半导体材料或平面体或平面载体的横向伸展平行地延伸的方向或伸展。横向方向因而一般与这些表面或侧平行地延伸。与其相比而言，术语“垂直”或“垂直方向”被理解成意指一般与这些表面或侧垂直且因而与横向方向垂直地延伸的方向。垂直方向因而在半导体材料或平面载体或平面体的厚度方向上延伸。
如本说明书中所采用，当诸如层、区或衬底之类的元件被称作“在”另一元件“上”或者延伸“到”另一元件“上”时，其可以直接在该另一元件上或者直接延伸到该另一元件上，或者还可以存在居间元件。相比而言，当元件被称作“直接在”另一元件“上”或者“直接”延伸“到”另一元件“上”时，不存在居间元件。
如本说明书中所采用，当元件被称作“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到该另一元件，或者可以存在居间元件。相比而言，当元件被称作“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在居间元件。
根据本文描述的实施例之一的绕组模块、混合变压器、模块和dc-dc转换电路可以被用在下述应用中：其中，期望具有至少12比1或至少24比1的降压比率的dc-dc转换功率转换电路。其中可以使用根据本文描述的实施例之一的绕组模块、混合变压器、模块和dc-dc转换电路的一个应用领域是数据中心中的电源。
典型地，数据中心中的服务器（特别地，数据中心中的服务器的母板）可以被供给有12vdc电源，该12vdc电源如安装在服务器的母板上的处理器所要求的那样被转换成更低电压。然而，可以期望在服务器处提供48vdc电源，该48vdc电源然后在单个转换步骤中被转换成更低电压，例如2v、1.8v或1v，其对应于处理器要求以简化数据中心的冷却且改进电气转换损耗的电源。对于这些应用，可以使用本文描述的实施例以提供可尽可能接近于处理器而放置（即，安装在母板上）的紧致模块，这可以帮助提高转换效率。
图1a图示了具有至少12比1的降压转换比率的用于dc-dc功率转换的电路20。电路20包括混合变压器21，混合变压器21是通过传递电感性和电容性能量储存来在双模式中使用的。
电路20包括：输入端子22，用于接收输入电压，例如48vdc电源；输出端子23，其跨负载24而下降。负载24在电路20中被图示为简单电阻器。然而，负载24可以是要求由电路20供给的输出电压处的电源的任何应用。例如，负载可以是诸如处理器之类的ic芯片。
混合变压器21包括初级绕组25和在节点27处与初级绕组25串联电耦合的次级绕组26，特别地，初级绕组25和次级绕组可以在节点27处电连接和电阻连接。初级绕组25具有匝数n1，并且次级绕组26包括匝数n2。初级绕组25、次级绕组26还通过公共磁芯28而耦合。
电路包括第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、谐振电容器32、谐振电感器34和输出电容器35。第一开关s1、第二开关s2、谐振电容器32和谐振电感器34耦合到混合变压器21的输入侧。特别地，第一开关s1耦合在高电压输入端子22与谐振电容器32之间。谐振电容器32和谐振电感器34串联耦合在第一开关s1的输出与混合变压器21的输入（特别地，到初级绕组25的输入）之间。初级绕组25的输出电耦合到节点27和次级绕组26的输入。第二开关s2耦合在节点36与地之间，节点36被布置在第一开关s1的输出与输入电容器32之间。
第一开关s1和第二开关s2可以耦合到驱动器电路37。第三开关s3耦合在节点27与地之间，节点27处于初级绕组25与次级绕组26之间。第三开关s3可以耦合到另一驱动器电路38。第三开关s3可以是同步整流器。输出电容器35耦合在混合变压器21的输出（特别地，次级绕组26的输出）与地之间。
开关s1、s2和s3可以由诸如mosfet器件31、32和33之类的晶体管器件提供。第一mosfet器件31和第二mosfet器件32可以形成半桥电路。第二mosfet器件32的源极耦合到地，并且第二mosfet器件的漏极在节点36处耦合到第一mosfet器件31的源极。第一mosfet器件31的漏极耦合到高电压输入22。第一mosfet器件31的栅极和第二mosfet器件32的栅极由驱动器电路37驱动。第一mosfet器件31形成半桥电路的高侧开关，并且第二mosfet器件32形成半桥电路的低侧开关。
第三mosfet器件33的源极耦合到地，并且第三mosfet器件33的漏极耦合到节点27，且因而耦合到混合变压器的初级绕组25和次级绕组26。
地提供了公共端子。在一些实施例中，公共端子可以处于除地电压外的电压。
为了提供至少12比1的dc-dc降压转换比率，电路20可以被配置成如下操作。驱动器电路37被配置成在ton时间间隔期间将第一开关s1保持为接通并将第二开关s2和同步整流器开关s3保持为关断，且在toff时间间隔期间将第一开关s1保持为关断并将第二开关s2和同步整流器开关s3保持为接通。ton时间间隔和toff时间间隔是电路20的一个开关操作周期ts内的互补时间间隔。
谐振电感器34和谐振电容器32在toff时间间隔期间形成谐振电路，其中谐振电流流经初级绕组25到负载24中。混合变压器21的第一匝数比n是初级绕组25的总匝数n1加次级绕组26的匝数n2除以混合变压器的次级绕组的匝数n2，即，n=(n1+n2)/n2。ton时间间隔期间的输入电流将电感性能量存储在初级绕组25和次级绕组26中。在toff时间间隔期间，由该输入电流n倍高的电流将所存储的电感性能量传递通过次级绕组26到负载24。
混合变压器21的第二匝数比m是混合变压器的初级绕组25的匝数n1和次级绕组26的匝数n2之间的比率，即，m=n1/n2。初级绕组25中的谐振电流通过混合变压器21的第二匝数比m而放大，且通过混合变压器21的次级绕组26而被发送到负载24。占空比d是ton时间间隔与开关操作周期ts之间的比率。转换器的dc到dc电压降压转换比率取决于混合变压器的第一匝数比n和占空比d。
电路20包括两个不同开关网络，一个针对ton时间间隔并且另一个针对toff时间间隔。
在ton时间间隔期间，发生三次充电。来自输入22的源电流对谐振电容器cr充电并将电容性能量存储在其上，将电感性能量存储在混合变压器21的磁化电感中并将电容性充电电流递送到负载24。在接通时间间隔期间，初级绕组25和谐振电容器cr二者均存储来自输入源22的能量且同时将相同源电流提供给负载24。
在toff时间间隔期间，发生两次放电：先前ton时间间隔中的所存储的电感性能量的电感性放电；以及谐振电容器cr上的在ton时间间隔期间存储的能量的电容性放电。在toff时间间隔期间通过两个不同电荷传递路径将先前ton时间间隔中存储的能量释放到负载24。
在toff时间间隔期间，混合变压器21通过具有n2个匝的其次级绕组26将其先前存储的能量释放到负载24。第二开关s2由于到负载端子的直接连接而提供负载电流的部分。例如，对于n=2和d=0.5，通过根据第二匝数比m的混合变压器21的从其初级绕组25到其次级绕组26的电流倍增，负载电流的20%由来自第二开关s2的电流路径提供，并且负载电流的其他80%是通过经由混合变压器21进行的传递来提供的，其中负载电流的40%由电感性能量传递贡献并且负载电流的其他40%由电容性能量传递贡献。
因此，负载24在开关间隔的全部两个部分期间（即，在ton时间间隔和toff时间间隔期间）被供给有电流。
可以利用图1中图示的dc-dc功率转换电路20、通过适当选择混合变压器的第一匝数比n和占空比d、以高效率实现至少12:1或至少24:1的降压比率。
可以通过提供所图示的部件（诸如，作为分立器件的开关s1、s2、s3、谐振电容器32、谐振电感器34、混合变压器21、输出电容器35）中的每一个来提供图1中图示的电路20。然而，为了提供紧致电路，部件中的两个或更多个可以由单个模块提供。
在一些实施例中，提供了模块40，模块40包括混合变压器21，混合变压器21包括：磁芯28；初级绕组25和次级绕组26，由此初级绕组25与次级绕组26串联电耦合；同步整流器s3，具有耦合在混合变压器21的初级绕组25和次级绕组26之间的输出；以及输出电容器35，其与次级绕组26的输出耦合。由这种模块40提供的电路20的部分在图1中由虚线39指示。
图1b图示了模块40的示意框图，模块40包括混合变压器21、输出电容器35和以mosfet31的形式存在的同步整流器。混合变压器21包括磁芯28、初级绕组25和次级绕组26，初级绕组25和次级绕组26在节点27处串联电耦合，且磁耦合到磁芯28。mosfet31（特别地，mosfet31的漏极）耦合到初级绕组25与次级绕组26之间的节点27。
在一些实施例中，混合变压器21的初级绕组25和次级绕组26可以是使用提供初级绕组25和次级绕组26的匝的堆叠布置来制作的。特别地，匝可以由平面导电迹线提供，该平面导电迹线以垂直叠层布置在平面支撑物上。例如，垂直叠层中的多个层均可以包括导电迹线。导电迹线可以具有平面螺旋形的形式，该平面螺旋形具有多个匝，例如2个匝。平面支撑物可以包括电绝缘材料。
平面导电迹线可以电耦合以形成具有期望总匝数的绕组，例如：对于初级绕组25，n1个匝；以及对于次级绕组26，n2个匝。电绝缘材料可以位于叠层中的邻近导电迹线之间。导电迹线可以通过一个或多个导电通孔而电耦合，该一个或多个导电通孔与导电迹线垂直地延伸通过居间电绝缘材料。
初级绕组25的匝数n1和次级绕组26的匝数n2可以被选择成提供期望的降压转换比率。例如，如果n1是12并且n2是1，则提供12比1的降压转换比率。
图2图示了用于提供混合变压器的初级绕组51和次级绕组52的绕组布局50的示意图。特别地，绕组布局50适于在其中初级和次级绕组51、52由平面匝的叠层形成的布置中使用。例如，叠层的多个层可以包括在电绝缘层上支撑或夹在电绝缘层之间的导电迹线。导电迹线可以通过导电通孔而电耦合，该导电通孔延伸通过电绝缘层。导电迹线可以包括平面螺旋形，该平面螺旋形包括一个或多个匝。
在图2中图示的布置中，初级绕组51包括六个层并且次级绕组52包括六个层，从而向绕组布置50给出布置在叠层中的总共12个导电层。
从绕组布置的最上第一层53开始并向下移动通过叠层，第一层53提供次级绕组52的部分，第二层54提供初级绕组51的部分，第三层55提供次级绕组52的部分，第四层56提供初级绕组51的部分，第五层57提供次级绕组52的部分，第六层58和第七层59均提供初级绕组51的部分，第八层60提供次级绕组52的部分，第九层61提供初级绕组51的部分，第十层62提供次级绕组52的部分，第十一层63提供初级绕组51的部分，并且第十二且最下层64提供次级绕组52的部分。
布置50包括初级绕组51的两个部分，该两个部分直接彼此邻近地布置在第六层58和第七层59上叠层的中心处。在该结构的剩余部分中，次级绕组52和初级绕组51的部分交错，使得最上和最下层53、64包括次级绕组52的部分。
提供次级绕组52的部分的层53、55、57、60、62和64的导电迹线并联电耦合，且因而提供具有单个匝的次级绕组52。在绕组布置50中，到次级绕组的输入65可以被布置在第三层55与第四层56之间，并且次级绕组52的输出66可以被布置在第六层58与第七层59之间。
布置在层54、56、58、59、61和63上的初级绕组51的部分均包括两个匝，其可以由螺旋形提供，特别地，该两个匝可以基本上共面且形成平面螺旋形。初级绕组51的部分中的每一个串联耦合，以便提供具有12个匝的初级绕组51。
到初级绕组51的输入67耦合到布置在第二层54上的平面螺旋形的两个匝的最外端。第二层54上的平面螺旋形的最内端耦合到提供布置在第四层26上的初级绕组51的部分的平面螺旋形的最内端。提供布置在第四层56上的初级绕组的部分的平面螺旋形的最外端电耦合到提供布置在第六层58上的初级绕组51的部分的平面螺旋形的最外端。提供布置在第六层58上的初级绕组51的部分的平面螺旋形的内端耦合到提供布置在第七层59上的初级绕组51的部分的平面螺旋形的内端。提供布置在第七层59上的初级绕组51的部分的平面螺旋形的外端电耦合到提供布置在第九层61上的初级绕组51的部分的平面螺旋形的最外端。提供布置在第九层61上的初级绕组51的部分的平面螺旋形的内端电耦合到提供布置在第十一层63上的初级绕组的部分的平面螺旋形的内端，并且提供布置在第十一层63上的初级绕组51的部分的平面螺旋形的最外端提供初级绕组51的输出68。
图2中图示的绕组布置50可以由提供初级绕组51和次级绕组52的部分的平面导电迹线的叠层提供，初级绕组51和次级绕组52的这些部分通过居间电绝缘层而彼此电绝缘。堆叠层上的导电迹线之间的垂直电连接可以由导电通孔或穿透接触部作出，该导电通孔或穿透接触部与平面导电迹线垂直地延伸通过居间电绝缘层。
图3图示了具有堆叠结构70的绕组模块的示意侧视图，堆叠结构70用于提供混合变压器的这种初级绕组51和次级绕组52。在图3中利用与在图2中相同的参考标号指示提供初级绕组51和次级绕组52的部分的层。在图3中一般利用参考标号71指示居间电绝缘层。
提供次级绕组52的层53、55、57、60、62和64均被图示为连续金属导电层，而层54、56、58、59、61、63在图3的横截面视图中包括两个导电部分，指示布置在每一个层上的初级绕组51的两个匝。提供次级绕组52的层53、55、57、60、62和64的导电迹线可以通过在层53、55、57、60、62和64之间垂直延伸的导电通孔而并联电耦合，该导电通孔在图3的横截面视图中看不到。这些通孔可以贯穿叠层而延伸，这是由于层53、55、57、60、62和64并联电耦合。
提供初级绕组51的层54、56、58、59、61、63的导电迹线也通过垂直延伸的导电通孔而电连接，该导电通孔在图3的横截面视图中看不到。这些导电通孔被布置以在提供初级绕组51的部分的相邻层之间延伸，以便将初级绕组51的相邻部分串联电耦合。初级绕组51的导电通孔延伸通过叠层的仅部分，使得布置在各种层上的匝串联耦合，以提供从第二层54到第十一层63的单个导电层。例如，一个或多个导电通孔可以在第二层54与第四层56之间延伸，一个或多个导电通孔可以在第四层56与第六层58之间延伸，一个或多个导电通孔可以在第六层58与第七层59之间延伸，一个或多个导电通孔可以在第七层59与第九层61之间延伸，并且一个或多个导电通孔可以在第九层61与第十一层63之间延伸，以形成从第二层54到第十一层63的单个导电层并形成具有12个匝的初级绕组51。
图4图示了提供初级绕组51的部分的层（例如，图3中图示的叠层的层63）的平面图。图4图示了具有平面螺旋形73的形式的导电迹线72，平面螺旋形73具有由绝缘层71支撑的两个匝。平面螺旋形的外端74电耦合到导电焊盘75，导电焊盘75提供到平面螺旋形的输入。导电焊盘75可以电耦合到延伸到另一导电迹线的导电通孔，该另一导电迹线被布置在该图的平面上面的平面中，且还形成初级绕组51的一部分。平面螺旋形的最内端76包括一个或多个导电通孔77，该一个或多个导电通孔77向下延伸通过衬底71的厚度，且可以耦合到另一导电迹线，该另一导电迹线被布置在该图的平面下面的平面中，且还形成初级绕组的一部分。电绝缘层71还包括导电通孔78，导电通孔78与导电迹线73电隔离，且提供导电通孔的将提供次级绕组52的层53、55、57、60、62和64耦合的部分。
孔79被布置在平面螺旋形73的中心处，以用于容纳混合变压器的磁芯。
图5图示了12个层53-64的平面图，该12个层53-64可以被布置在叠层80中以提供混合变压器的初级绕组51和次级绕组52，并且图5还图示了混合变压器的磁芯。可以以绕组模块的形式提供叠层80。
层53至64中的每一个由具有表面80的电绝缘层71支撑，在表面80上布置了结构化导电层81。绝缘层71可以由如电路板（诸如，印刷电路板（pcb））的生产中使用的介电芯层或者其他电绝缘层（诸如热固性树脂，例如，如也在电路板的生产中使用的预浸料层）提供。每一个电绝缘层71可以包括孔82，孔82垂直地对准以形成贯穿叠层的厚度而延伸的单个孔。孔82可以被调整大小、成形和布置成容纳磁芯83的用于形成变压器（诸如，混合变压器，其中初级绕组的输出电连接到次级绕组的输入）的部分。导电层81围绕孔82，并通过电绝缘层的部分与孔82间隔开且电绝缘。
形成次级绕组52的层（即，叠层的层53、55、57、60、22和64）均包括单个导电匝。次级绕组52的层53、55、57、60、22和64的导电迹线81中的每一个通过导电通孔84而并联电耦合，导电通孔84贯穿叠层的厚度而延伸。通孔84还延伸通过包括初级绕组的部分的居间层54、56、58、59、61和63。然而，与提供次级绕组52的层53、55、57、60、22和64相比，位于提供初级绕组51的层54、56、58、59、61和63中的通孔84与该层的导电层81电绝缘。
如上关于图4所提及，提供初级绕组51的部分的层中的每一个包括被图案化成形成具有两个匝的平面螺旋形的导电层。该两个匝围绕孔82。为了凭借与层的平面垂直地延伸的导电通孔将层54、56、58、59、61和63电耦合并提供具有更大匝数的初级绕组51，提供初级绕组51的部分的层54、56、58、59、61和63中的每一个上的平面螺旋形的内端和外端之一可以相对于其在叠层中的最接近邻居有角度地偏移，并且平面螺旋形的内端和外端中的另一个可以相对于其在叠层中的最接近邻居垂直地且有角度地对准。特别地，有角度的偏移可以指代层的平面中的关于平面螺旋形的中心点（例如，关于平面螺旋形的中心点顺时针或逆时针）的角度。
层63包括具有围绕孔82的两个匝的平面螺旋形85。平面螺旋形85包括外端86和内端87。内端87耦合到延伸通过邻近层62的导电通孔89，且与布置在层61上的平面螺旋形91的内端90耦合，以便将层63上的平面螺旋形85与层61上的平面螺旋形91串联电耦合。
平面螺旋形91具有沿顺时针方向从内端90延伸到外端92的两个匝。平面螺旋形的内端90与平面螺旋形85的内端87有角度地且垂直地对准，而外端92相对于下面的层63上的平面螺旋形85的外端86有角度地偏移。外端92电耦合到导电通孔93，导电通孔93延伸通过邻近次级层60到布置在层59上的平面螺旋形94的外端95。外端92与布置在上面的层59上的平面螺旋形94的外端95有角度地对准，且相对于下面的层63上的平面螺旋形85的外端有角度地偏移。
平面螺旋形94也具有两个匝，该两个匝沿顺时针方向延伸且具有耦合到导电通孔97的内端96，导电通孔97延伸通过层59和58之间的电绝缘支撑层71，以便将螺旋形平面螺旋形94的内端96耦合到布置在层58上的平面螺旋形99的内端98。平面螺旋形94的内端96相对于下面的层61上的平面螺旋形91的内端90有角度地偏移。
平面螺旋形99沿顺时针方向从内端98延伸到外端100。外端100电耦合到导电通孔101，导电通孔101延伸通过邻近层57，邻近层57将次级绕组52的部分提供到布置在层56上的平面螺旋形103的外端102。
平面螺旋形103沿两个匝中的顺时针方向延伸到通过导电通孔105耦合的内端104，导电通孔105延伸通过层55到布置在层54上的平面螺旋形107的内端106。平面螺旋形102的内端104与上面的层的平面螺旋形107的内端106垂直地对准，且相对于下面的层58上的平面螺旋形的内端98有角度地偏移。平面螺旋形103的外端102与下面的层59上的平面螺旋形99的外端100垂直地对准，且相对于上面的层53的平面螺旋形107的外端108有角度地偏移。
平面螺旋形107的内端106沿针对两个匝的顺时针方向延伸到耦合到接触焊盘109的外端108。
布置在垂直叠层中的平面螺旋形85、91、94、99、103、107通过导电通孔而电耦合在一起，该导电通孔被合适地布置成将在每一个层上提供的平面螺旋形85、91、94、99、103、107的匝串联耦合。将平面螺旋形85、91、94、99、103、107的内端耦合的顺序导电通孔顺序地有角度地偏移。类似地，将平面螺旋形85、91、94、99、103、107的外端耦合的顺序导电通孔顺序地有角度地偏移。
总而言之，平面螺旋形85、91、94、99、103、107可以通过在平面螺旋形中的邻近平面螺旋形之间延伸的一个或多个导电通孔而串联耦合。例如，第一平面螺旋形的输出端可以与第二平面螺旋形的输入端垂直地对准，第二平面螺旋形在叠层中邻近于第一平面螺旋形。第二平面螺旋形的输出端可以相对于第二平面螺旋形的输入端有角度地偏移，且与第三平面螺旋形的输入端垂直地对准，第三平面螺旋形被布置在第二平面螺旋形的与第一平面螺旋形相对的侧上。
导电次级层可以被布置在第一平面螺旋形与第二平面螺旋形之间，第一平面螺旋形的输出端通过导电通孔而与第二平面螺旋形的输入端电耦合，该导电通孔延伸通过导电次级层且与导电次级层电绝缘。导电次级层通过绝缘层与第一平面螺旋形和第二平面螺旋形电绝缘。绝缘层可以包括热固性树脂，诸如环氧树脂。孔可以延伸通过导电初级层和导电次级层。
尽管在图5至7中图示的实施例中包括12个导电层并且初级绕组包括12个匝、其中在6个层上布置2个匝，但绕组布置、叠层和绕组模块不限于该特定数目的导电层、匝或者层之间的匝分布。例如，初级绕组可以包括多于12个匝，例如24个匝。每一个层可以包括少于或多于两个匝。导电层的数目可以大于或小于12。
层53-64被布置在叠层中且彼此附着以形成绕组模块。绕组模块具有孔，该孔贯穿叠层的厚度而延伸以用于容纳磁芯。
在实施例中，提供了混合变压器的绕组模块，其包括与次级绕组串联电耦合的初级绕组。这种布置还被称作抽头变压器。初级绕组包括布置在平面支撑物上的第一导电迹线，并且次级绕组包括布置在该平面支撑物上的第二导电迹线。第一导电迹线和第二导电迹线被布置在叠层中，并且该平面支撑物包括用于接受磁芯的孔。叠层沿与第一和第二导电迹线的主平面垂直的堆叠方向延伸。
初级绕组可以包括多个导电初级层，并且次级绕组可以包括多个导电次级层，导电初级层和导电次级层以堆叠布置而布置在平面支撑物上。导电初级层均可以包括具有至少一个匝的平面螺旋形。在一些实施例中，平面螺旋形具有两个匝。该两个匝可以具有不同宽度，例如，内匝可以具有比外匝更小的宽度。对于具有多于两个匝的平面螺旋形，顺序匝的宽度可以从平面螺旋形的内侧到平面螺旋形的外侧顺序地增大。
导电次级层可以通过公共导电通孔而并联耦合，该公共导电通孔与平面支撑物基本上垂直地延伸。在该实施例中，导电次级层可以提供单个匝。次级绕组可以具有小于次级层数目的匝数。在一些实施例中，导电次级层的组可以耦合在一起，以提供具有多于一个匝的次级绕组。每一个组可以提供单个匝。
电绝缘层71提供针对导电迹线和平面螺旋形的平面支撑结构。在一些实施例中，电绝缘层71具有横向伸展，使得电绝缘层71的与绕组的迹线邻近的部分可以用于支撑模块的另外部件。最上电绝缘层可以包括附加部件，诸如用于提供图1中图示的电路的同步整流器和输出电容器，并且剩余层可以形成或支撑导电再分布结构的一部分。在一些实施例中，提供耦合到地的次级绕组的导电层的部分还可以提供针对混合变压器的另外部件的接地连接。
在一些实施例中，绕组模块80被提供有磁芯以形成混合变压器。磁芯可以包括：中央凸出部分，其凸出到平面支撑物中的孔中；以及两个外臂，其邻近于平面支撑物的两个相对侧面而延伸。
在一些实施例（诸如，图5中图示的实施例）中，磁芯83包括两个部分，该两个部分中的每一个具有所谓的e形状，其中基底部分120包括两个侧臂121、122和中央部分123。中央部分123和孔82可以被调整大小、成形和布置成互锁。基底120和臂121、122的大小可以被调整大小、以及被成形、以及与中央部分123间隔开，使得可以在臂121、122内容纳电绝缘支撑层71。
由于使用堆叠结构，可以提供针对绕组模块的紧致布置，在该堆叠结构中，初级绕组和次级绕组由通过导电通孔而垂直地电耦合的平面导电层的叠层形成。如上所提及，可以通过相对于次级绕组的匝数n2适当选择初级绕组的匝数n1来设置由绕组模块提供的降压比率。
在一些实施例中，磁芯没有空气间隙或者是无间隙的。空气间隙的缺乏在减小混合变压器的体积方面是有用的。
在一些实施例中，磁芯包括磁性材料，其具有在100mhz处至少60的磁导率以及小于90kw/m3（优选地，小于60kw/m3）的芯损耗。这些性质可以用于改进混合变压器和在其中使用它的电路的转换效率。
在一些实施例中，磁性材料具有740k或更低（优选地，低于710k或更低）的玻璃转变温度tg。磁性材料可以具有熔点tm，并且玻璃转变温度与熔点之比tq/tm可以大于0.52，即，tq/tm>0.52。这些性质可以对于在磁芯中产生以非晶的形式使用的磁芯材料而言是有用的。
在一些实施例中，磁芯包括合成物，该合成物包括基质和非晶磁性粉末。非晶磁性粉末包括具有1.1至1.4的长宽比的颗粒。非晶磁性粉末可以包括
在可替换实施例中，磁芯包括铁氧体，并且模块进一步包括耦合到初级绕组的第一端的电感器，同步整流器耦合到初级绕组的与第一端相对的第二端以及次级绕组的第一端，次级绕组的第一端也耦合到初级绕组的第二端。
图6图示了混合变压器的绕组模块125的示意侧视图，绕组模块125包括具有图3中图示的绕组模块70的布置的两组12个层。通过与次级绕组的匝数n2相比增加初级绕组的匝数n1，可以提高降压比率。如将参考图7更详细地讨论的那样，12个导电层的叠层可以具有3mm的最大高度，并且24个导电层的叠层可以具有6.8mm的最大高度。
如上所提及，可以使用pcb制造技术来制作绕组模块。图7图示了包括12个导电层的绕组模块130的叠层的横截面图。在其中初级层中的每一个提供两个导电匝并且次级层一起提供一个导电匝的实施例中，可以提供12比1的降压比率。然而，绕组模块不限于该数目的导电层或匝数比n和降压比率。例如，可以提供24比1或更大的降压比率。
在一些实施例中，绕组叠层可以由可预先制作的一个或多个子叠层形成，并且子叠层接合在一起以形成绕组叠层。可以以接合在一起以形成绕组模块的子模块的形式提供子叠层。子模块可以包括子叠层之上的附加特征，诸如针对另外部件的导电再分布结构。
绕组模块130可以包括三个子模块131、132、133。第一子模块131包括芯层134，芯层134例如包括如在pcb制造中用作芯层的纤维加强介电基质。子模块131包括布置在芯层134的相对主表面上的第一导电层135和第二导电层136。子模块131包括进而布置在第一导电层135上的两层预浸料137、138以及布置在最外预浸料层138上的另一导电层139。第一子模块131包括进而布置在第二导电层136上的两个另外预浸料层140、141以及布置在最外预浸料层141上的另一导电层142。子模块132、133包括在材料的叠层方面相同的结构。子模块131、132、133通过使用布置在邻接子模块的最外导电层之间的三层预浸料143、144、145而布置在叠层中。
芯层可以包括浸渍有环氧树脂的编织玻璃纤维，且可以包括例如fr4或bt层压件（胺三嗪（bismaleimide-triazine））。预浸料表示一介电层，该介电层包括部分固化的或b阶树脂浸渍的编织玻璃纤维或者完全固化的树脂浸渍的编织玻璃纤维。树脂可以是热固性树脂，诸如环氧树脂。导电层可以包括铜。
预浸料层的成分和厚度可以取决于预浸料层在子模块内的位置和布置在子模块之间叠层中的预浸料层的位置而不同。
在一些实施例中，直接布置在芯层134上的导电层135、136可以具有比布置在预浸料层141上的导电层142更大的厚度。最外导电层可以具有不同的成分。阻焊层可以被布置在最外导电层上，且可以包括限定接触焊盘的开口。接触焊盘可以耦合到初级绕组和/或次级绕组、输出电容器等以用于形成图1中图示的电路。
导电层可以被结构化成提供具有与例如图2至图5中图示的堆叠次序相对应的堆叠次序的次级绕组52和初级绕组51的部分。在该实施例中，第一子模块131包括在图7的视图中从顶到底提供垂直叠层中的次级初级次级初级布置的导电层。第三子模块133还包括下述叠层：在该叠层中，导电层在图7的视图中从底到顶提供次级初级次级初级布置。两个子模块131、133被布置在叠层中，使得次级层提供最外表面并且初级层向着叠层的中心而布置。
第二子模块132包括在图7的视图中从顶到底提供次级初级初级次级布置的导电层的布置。在该实施例中，包括初级绕组51的部分的导电层被直接布置在中央第二子模块132上的芯层上，而在剩余两个外部子模块131、133中，布置在芯层上的导电层之一提供次级绕组的次级部分，并且布置在芯层上的另一导电层提供初级绕组的部分。
如包括在例如第一子模块131和第三子模块133中的第一子叠层和第三子叠层均可以包括可替换地沿堆叠方向布置的相等数目的导电初级层和导电次级层。如包括在第二子模块132中的第二子叠层可以包括沿堆叠方向彼此邻近地布置的两个导电初级层，其中第二子叠层被布置在第一子叠层与第三子叠层之间。
第一子叠层包括：芯层，具有第一主表面和第二主表面；导电初级层，布置在第一主表面上；第一热固性层，布置在导电初级层上；导电次级层，布置在第一热固性层上；导电次级层，布置在第二主表面上；第二热固性层，布置在导电次级层上；以及导电初级层，布置在第二热固性层上。芯层可以是例如包括加强热固性基质的介电芯层。第一和第二热固性层可以包括环氧树脂，且可以包括可b阶的热固性材料。
第三子叠层可以包括：芯层，具有第一主表面和第二主表面；导电初级层，布置在第一主表面上；第一热固性层，布置在导电初级层上；导电次级层，布置在第一热固性层上；导电次级层，布置在第二主表面上；第二热固性层，布置在导电次级层上；以及导电初级层，布置在第二热固性层上。
第二子叠层可以包括：芯层，具有第一主表面和第二主表面；导电初级层，布置在第一主表面上；第一热固性层，布置在导电初级层上；以及导电次级层，布置在第一热固性层上；导电初级层，布置在第二主表面上；第二热固性层，布置在导电初级层上；以及导电次级层，布置在第二热固性层上。
绕组模块可以进一步包括布置在第一子叠层与第二子叠层之间的至少一个另外热固性层以及布置在第二子叠层与第三子叠层之间的至少一个另外热固性层。该至少一个另外热固性层可以用于机械地接合第一、第二和第三子叠层，以在以第一、第二和第三子模块的形式提供第一、第二和第三子叠层的情况下形成叠层或绕组模块。
图8a图示了用于功率转换的示例性模块150的顶视图，并且图8b图示了用于功率转换的示例性模块150的侧视图。模块150包括图1a和1b中图示的模块40的部件和电路。
示例性模块150包括混合变压器151，混合变压器151包括绕组模块，该绕组模块带有具有匝数n1的初级绕组，该初级绕组串联电耦合到具有绕组数n2的次级绕组，以便提供至少12比1或至少24比1的dcdc转换降压比率。混合变压器151进一步包括磁芯152。磁芯152包括两个e形状的部分，该两个e形状的部分被布置在包括初级绕组和次级绕组的绕组模块的两侧中的任一侧上。顶视图图示了磁芯区之一的基底的上侧，其中e形状的臂和中央部分凸出到纸平面中。模块150还包括一个或多个次级侧mosfet器件153，其可以提供图1a中图示的电路的同步整流器或开关s3以及一个或多个分立电容器154，该一个或多个分立电容器154提供输出电容。如图8a中所图示，模块具有15mm乘18mm的横向大小，并且混合变压器151可以具有15mm×11mm的横向大小。模块150具有大约9.4mm的厚度，从而向其给出2.538cm3的体积。变压器的额定功率是75w，这向模块给出功率密度，即，29.55w每cm3的每单位体积的额定功率。
图1a中图示的电路、绕组模块、混合变压器和模块的特征可以被进一步调整以进一步改进一个或多个性质。
图9图示了具有至少12比1的降压比率的用于dc-dc功率转换的电路160。电路160包括用于接收输入电压（例如，48vdc电源）的输入端子161和耦合到负载163的输出端子162。电路160还包括半桥电路，该半桥电路包括第一开关s1和第二开关s2以及谐振电容器cr。与图1中图示的电路相比，电路160包括并联耦合的两个混合变压器级164、165。混合变压器级164、165中的每一个包括开关s3、s3'和输出电容器166、167。
第一混合变压器级164包括串联电耦合到次级绕组169的初级绕组168。同步整流器s3的输出电耦合到布置在初级绕组168的输出与到次级绕组162的输入之间的节点170。到同步整流器s3的输入耦合到地。同步整流器s3可以是mosfet器件，由此源极耦合到地并且漏极耦合到节点170。输出电容器166耦合在次级绕组169的输出与地之间。
第二混合变压器级165还包括串联电耦合到次级绕组172的初级绕组171。初级绕组171的输入耦合到第一混合变压器级164的初级绕组168的输入。同步开关s3'的输出电耦合到初级绕组171的输出与到次级绕组172的输入之间的节点173，且电耦合到第一混合变压器级164的同步开关s3的输出，且电耦合到第一混合变压器级164的初级绕组168和次级绕组162之间的节点170。第二混合变压器级165还包括输出电容器167，输出电容器167电耦合在地与第二混合变压器级165的次级绕组172的输出和第一混合变压器级164的次级绕组169的输出之间，以形成公共输出175。
第一混合变压器级164包括将初级绕组168和次级绕组169磁耦合的磁芯176。类似地，第二混合变压器级164包括将初级绕组171和次级绕组172磁耦合的磁芯177。
负载163耦合在地与两个混合变压器164、165的公共输出175之间，使得两个混合变压器级164、165并联耦合在谐振电容器cr与负载163之间。
第一混合变压器级164及其同步开关s3和电容器输出电容器166、以及第二混合变压器级165及其关联同步开关s3'和输出电容器167可以由单个模块提供。
在其中两个或更多个混合变压器级的初级和次级绕组被布置在单个支撑衬底上且由单个模块提供的实施例中，可以使用公共磁芯。该布置进一步减小了芯的体积，且因此减小了变压器的体积。
在一些实施例中，由第一混合变压器164和第二混合变压器165提供的降压比率可以不同。这可以是通过下述操作来实现的：针对第一混合变压器级164的初级绕组168和次级绕组169以及第二混合变压器级165的初级绕组171和次级绕组172提供不同第一匝数比n。
提供输入侧上的半桥的开关s1、s2和提供同步整流器的开关s3'可以是mosfet器件，且可以耦合到图9中未图示的驱动器电路。
dc-dc功率转换电路不限于包括并联耦合在输入侧上的谐振电容器与负载之间的两个混合变压器级，而是可以包括并联耦合在谐振电容器与负载之间的三个或更多个混合变压器级，每一个具有混合变压器以及关联的同步整流器和输出电容器。
两个或更多个并联混合变压器级的使用可以用于实现在一系列负载上更均匀的效率。由于非常高的电流密度（其中，次级侧电流可能高达dc输出电流的1.5倍高），主要损耗促成因素是传导损耗。通过使用混合变压器级的并联化方法，可以在关键路径中降低电流密度，并且该电流密度可能导致电阻性传导损耗减小50%的电阻性传导损耗。
每一个混合变压器级及其关联同步开关和输出合成（compost）电容器可以由分离的模块提供。然而，在一些实施例中，可以在第一支撑衬底和电连接上形成两个或更多个混合变压器级的初级和次级绕组，以将该两个或更多个混合变压器级的初级和次级绕组并联耦合，并且，可以在第二支撑衬底上提供同步开关和输出电容器。
图10图示了包括变化的宽度的导电迹线的初级绕组的示例。该导电迹线具有平面螺旋形的形式，该平面螺旋形具有在平面衬底上支撑的两个匝。
可以在选择用于导电迹线的导电材料（例如，诸如铜之类的金属）的厚度时考虑趋肤效应。如果开关频率非常高（若干100khz），则基于趋肤效应和邻近效应的绕组损耗是不可忽略不计的。对于趋肤效应，可以使用关系d＜2δ，其中d是绕组的厚度，δ是趋肤深度。
对于500khz至700khz之间的功率模块的操作开关频率，有效趋肤深度处于92μm至78μm之间。可以使用针对导电迹线的105μm厚度。导电迹线可以是铜。
可以选择绕组宽度以获得更低的dc电阻。对于具有每层两个匝的初级绕组，可以使用关系
可以使用图1a和图9中图示的电路的组合以及在没有空气间隙的情况下实现变压器设计的混合变压器的磁芯的材料的使用，以提高转换效率且同时提供高功率密度。
图11图示了针对输出电容器在变化的频率处测量的电阻的曲线图，其图示了针对不同输出电容器的esr（等效串联电阻）作为频率的函数而变化。对于包括高电流密度和高开关频率的应用，最低可能esr是合期望的，图11图示了两个频率（即，500khz和1mhz）处的比较，并图示了可以通过适当选择输出电容器来减小电阻。
使用诸如“在……下方”、“在……下面”、“下”、“在……上方”、“上”等等之类的空间相对术语以易于描述，以便解释一个元件相对于第二元件的定位。除与图中描绘的那些取向不同的取向外，这些术语还意图涵盖器件的不同取向。此外，还使用诸如“第一”、“第二”等等之类的术语以描述各种元件、区、区段等，并且这些术语也不意图进行限制。遍及该描述，相似的术语指代相似的元件。
如本文所使用，术语“具有”、“包含”、“含有”、“包括”等等是开放式术语，其指示存在所声明的元件或特征，但不排除附加元件或特征。应当理解，可以将本文描述的各种实施例的特征彼此组合，除非以其他方式具体指出。
尽管本文已经说明和描述了具体实施例，但本领域普通技术人员将领会到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用多种可替换和/或等同实现方式替代所示出和描述的具体实施例。本申请意图覆盖本文讨论的具体实施例的任何适配或变型。因此，意图在于，本发明应仅由权利要求及其等同物限制。
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