电源变换器模块的制作方法

本揭露的实施例是有关于一种电源变换器模块。

背景技术：

电压调节器将输入电压变换成不同的输出电压。典型应用的实例是由电池供电的电子装置，例如便携式计算机。在此种实例中，需要电压调节器以从常常波动的输入电压源—电池—向负载提供预定且恒定的输出电压。

根据例如电源调节器组件相对于被供电系统的组件的排列方式等若干因素，已知的电源调节装置具有不足，例如耦合效应及加热效应、输出阶段处的寄生电容、内连及集成限制等。

背景技术

本发明的一实施例揭露一种电源变换器模块，包括：衬底；接地端子；输入电压端子，被配置成接收原始输入电压；内连端子，被配置成向负载提供经调节的输出电压；电感器，配置在所述衬底上且具有连接到所述内连端子的电感器输出；以及电压调节器，位于所述电感器之上，使得所述电感器定位于所述电压调节器与所述衬底之间，所述电压调节器连接到所述接地端子及所述输入电压端子，所述电感器接收所述电压调节器的输出。

本发明的一实施例揭露一种模块化电源系统，包括：接地端子；输入电压端子，被配置成接收原始输入电压；内连端子；多个电源模块，所述电源模块中的每一者包括：电压调节器，连接到所述接地端子及所述输入电压端子；电感器，接收所述电压调节器的输出，所述电感器具有连接到所述内连端子的电感器输出；且其中所述电源模块中的每一者的特征是输出预定电流电平。

本发明的一实施例揭露一种向系统提供电源的方法，包括：提供多个电源模块，所述电源模块中的每一者被配置成输出预定电流电平且包括：输入电压端子及接地端子，所述输入电压端子被配置成接收原始输入电压；电压调节器，连接到所述接地端子及所述输入电压端子；电感器，具有连接到内连端子的电感器输出；其中所述电源模块中的每一者的特征是输出预定电流电平；确定要被供电的所述系统的电源要求；确定为满足所确定的所述电源要求而需要的所述电源模块的数目；将所述数目的所述电源模块内连在一起；以及将内连在一起的所述电源模块连接到要被供电的所述系统。

附图说明

结合附图阅读以下详细说明，会最佳地理解本公开的各个方面。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。

图1是说明根据一些实施例的模块化电源系统的一些方面的方块图。

图2是说明根据一些实施例的模块化电源系统的另一些方面的方块图。

图3是说明根据一些实施例的模块化电源系统的另一些方面的方块图。

图4是说明根据一些实施例，图1到图3中所示的模块化电源系统的电压调节器的一些方面的方块图。

图5是说明根据一些实施例的模块化电源系统的另一些方面的俯视图。

图6是说明根据一些实施例的模块化电源系统的另一些方面的剖视图。

图7是说明根据一些实施例的模块化电源系统的另一些方面的俯视图。

图8是说明根据一些实施例的模块化电源系统的多个内连电源模块的方块图。

图9是说明根据一些实施例的单相电源模块的方块图。

图10是说明根据一些实施例的单端型(single-ended)并排(side-by-side)电源模块系统的方块图。

图11是说明根据一些实施例的单端型端对端(end-to-end)电源模块系统的方块图。

图12是说明根据一些实施例的双端型(double-ended)并排电源模块系统的方块图。

图13是说明根据一些实施例的双端型端对端电源模块系统的方块图。

图14是说明根据一些实施例的模块化电源方法的一些方面的工艺流程图。

具体实施方式

以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下阐述组件及排列的具体实例以简化本公开内容。当然，这些仅为实例且不旨在进行限制。举例来说，以下说明中将第一特征形成在第二特征“上方”或第二特征“上”可包括其中第一特征及第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征、进而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。另外，本公开内容可能在各种实例中重复使用参考编号及/或字母。这种重复使用是出于简洁及清晰的目的，而不是自身表示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

另外，在本文中为便于说明，可使用例如“在…下面(beneath)”、“在…之下(below)”、“下方的(lower)”、“在…之上(above)”、“上方的(upper)”等空间相对关系用语来阐述图中所示的一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对关系用语旨在除图中所绘示的取向以外还包括装置在使用或操作中的不同取向。所述装置可具有其他取向(旋转90度或其他取向)，且本文中所用的空间相对关系描述语可同样相应地进行解释。

电源管理是各种集成电路应用中的必要功能。典型的集成电路可包括由在半导体管芯上形成的大量内连组件形成的多种系统，且此多种集成系统之间的电源要求可能有很大差别。

使用电源变换器为负载提供期望的电源。例如：降压变换器(buckconverter)可将输入电压变换成较低的输出电压。同步降压变换器包括在输入电压源上串联耦合的一对开关。一个开关耦合到电压源，而另一个开关接地。通常包括电感器及电容器的输出滤波器连接到由所述一对开关形成的结(junction)，用于向负载提供输出电压。控制器驱动开关以将输出滤波器连接到电压供应器或接地，从而将输出电压保持在预定电平上。

根据例如电源调节器组件相对于被供电系统的组件的排列方式等若干因素，已知的电源调节装置具有不足，例如耦合效应及加热效应、输出阶段处的寄生电容、内连及集成限制等。

图1说明根据所公开实例的模块化电源变换系统的一些方面。电源变换系统10包括：一个或多个预特征化(pre-characterized)的电源模块100，连接到由电源模块100供电的系统102。控制器104(其在一些实例中可为电源模块100的组件)从被供电系统102接收反馈并控制电源模块100，以输出期望的电源特性。

被供电系统102可为其中在共用衬底上集成有各种系统组件的系统芯片(systemonachip，soc)。在其他实例中，被供电系统102是系统级封装(systeminapackage，sip)，其中系统102的不同部分是在许多衬底上制作而成并组装成一个封装。在一些实施方式中，电源模块100全部在共用衬底上制作而成，且可与系统102集成作为soc或sip的一部分。

图2及图3说明系统10的实例的另一些方面。在图2及图3所说明的实施例中，电源模块100各自包括：接地端子110；输入电压端子112，被配置成接收原始输入电压vdd-raw；以及内连端子140，向负载提供经调节的输出电压vreg，所述负载在所说明的实例中为被供电系统102。电源模块100另外包括连接到接地端子110及输入电压端子112的电源转换台(powerstage)或电压调节器120、以及具有连接到内连端子140的电感器输出的电感器130。在所说明的实例中，接地端子110是全局接地端子，因为电压调节器120的接地与系统102可被一起全局性地短路。在一些实例中，电压调节器120及系统102的接地插头可根据特定的soc或sip结构被分离。

电压调节器120可包括例如降压变换器。示例性降压变换器的一些方面示出在图4中。图4所示的示例性电压调节器120包括在输入电压端子112与接地端子110之间串联耦合的第一开关121及第二开关122(或上部开关121及下部开关122)，其中高侧开关121耦合以接收输入电压vdd-raw且低侧开关122接地。在一些实施例中，高侧开关121包括pmos晶体管，而低侧开关包括nmos晶体管。

输出滤波器124连接到由上部开关121及下部开关122形成的结，以将输出电压vreg提供到系统102。控制器104驱动开关以将输出滤波器124连接到输入电压vdd-raw或接地，从而将输出电压vreg保持在预定电平上。更具体来说，控制器104驱动脉宽调变(pulsewidthmodulated，pwm)信号以实现期望的输出电压电平，从而改变pwm信号的工作周期以操作开关121及122，从而将输出连接到输入电压源以及从输入电压源断开输出。

滤波器124包括电感器130以及电容器150。在图2及图3所示的实例中，电容器位于电源模块100外部，且可被形成为系统102的组件或位于系统102外部。在其他实施方式中，电容器150可与电源模块100集成。

在一些实例中，共用控制器104或其一些部分包括在电源模块100中，而在其他实例中，控制器104位于电源模块100外部。例如，对于多相电源模块(并联连接的多个降压变换器)来说，每一相位的定时是偏移的。在此种实施方式中，将控制器104的至少一个共用部分集成作为电源模块100的一部分可为可取的。对于具体的单相电压调节器实施方式来说，一个控制器104可控制单个电压调节器120。

在一些实施例中，电压调节器120、电感器130以及控制器104排列在共用衬底106上。此外，图2说明其中电源模块100的组件排列在共用衬底106上的示例性系统10a，而被供电系统102与此分离且可为sip装置。在图3中，电源模块100与系统102都设置在共用衬底106上，且系统10b可因此为soc装置。

如结合图4所述，输出滤波器124通常包括电感器130及电容器150。在某些实例中，电感器被包括作为电源模块100的组件，而电容器150与电源模块100分离地形成以靠近被供电系统102。在一些已知的电源系统中，电感器130与系统102集成。此种排列方式可在电压调节器120及/或被供电系统102上导致不期望的效应，例如由电感器的磁效应产生的非预期耦合及加热、由电感器导致的有限的内连空间、降低的效率等。必须针对每一设计系统补偿此类效应。

在本文中所公开的一些实例中，电压调节器120与电感器130被一起设置为模块100，且在一些实施方式中，电压调节器120与电感器130形成在共用衬底上。此容许模块100具有在电压调节器120及被供电系统102上避免此类不期望的效应的特征。此外，电源模块100可被构造成输出已知的预定功率电平，例如0.5安培/模块100。因此，多个模块100可并联地内连以提供系统102的负载要求。

图5是说明电源模块100的布局的一些方面的俯视图，且图6是说明电源模块100的布局的一些方面的剖面端视图。在图5及图6所示的实例中，电压调节器120的高侧开关121及低侧开关122直接位于电感器130的顶侧160的正上方(与电感器130的底侧161相对)。其中电压调节器120及电感器130堆叠在衬底106上的此种“堆叠”排列方式有利于具有更大的功率密度。此外，除了其他方面以外，将电感器130及电压调节器120的组件定位成与系统102及电容器150分离还有利于减小与系统102的磁性耦合。如图6所示，电压调节器120的高侧开关121及低侧开关122进一步邻近电感器130的横向侧164及165定位，而电压输入端子112及接地端子110位于横向侧164及165处邻近电感器130的底侧161。这样一来，所说明实例的电压端子112及接地端子110在电感器130区外部与电感器130交错，此减小寄生损失。

此外，所说明的模块100包括两个电感器130及电压调节器120。所说明的电感器130包括缠绕有导电绕组134的磁芯132。在一些实施例中，图5所示的两个电感器130可具有共用芯132，其中绕组134彼此的相位差异为180°，如由标记有vcoil0及vcoil180的箭头136所指示。因此，来自电感器输出的电流由箭头138示出为到达位于电感器130的端侧162及163的内连端子140(提供经调节的输出电压vreg)。

图7示出其中电源模块100包括若干电压调节器120及电感器130的另一实例。如图5及图6所示，用于将输出电压vreg提供到负载(例如，系统102)的内连端子140设置在电感器130的端侧162及163处。输入电压端子112及接地端子110定位在电感器130的横向侧164及165上。在一些实例中，所有的电压调节器120及电感器130都设置在共用衬底上，且电源模块100被预特征化，以使对被供电系统102的干扰最小化并输出预定电流电平。

图8是概念性地说明多个内连电源模块100的排列方式的方块图。每一电源模块100连接到输入端子112以接收原始输入电压vdd-raw，且也连接到内连端子140以向被供电系统102输出经调节的电压vreg，被供电系统102如先前所述可被配置成soc或sip。在所说明的实例中，滤波器电容器150与电源模块100分立。如先前所提及，每一电源模块100被配置成输出由被供电系统102的要求所确定的电流电平。通过将多个电源模块并联连接在一起，可达到要被供电的系统102所需的总电流电平。

在一些实例中，所有的电源模块100被设置在共用衬底上。在其他实施方式中，电源模块100排列在个别衬底上。在任一情形中，电源模块100被预特征化，以使对被供电系统102的干扰最小化并输出预定电流电平。因此，可将若干电源模块100内连以实现期望的电流输出及电源特性。

图9到图13说明各种电源模块排列方式的实例。电源模块100可包括不同的构造以提供满足soc或sip实际尺寸及被供电系统102的需求的有弹性且紧凑的电源系统。例如，图9示出简单的单相电源模块系统11，其包括控制器104及具有电压调节器120及电感器130的单个电源模块100。图10说明n相(n是正整数)单端型并排电源模块系统12，其包括共用控制器104及n个电源模块100。电源模块100以并排方式排列在衬底106上，其中控制器104位于电源系统12的一端处。图11说明n相单端型端对端电源模块系统13，其包括共用控制器104及n/2个电源模块100。每一电源模块100包括如结合图5所述以端对端方式排列的两个电压调节器120及电感器130。图12说明n相双端型并排电源模块系统14，其包括共用控制器104及位于控制器104任一侧上的n个电源模块100。每一电源模块100以并排方式排列在衬底106上。图13说明n相双端型端对端电源模块系统15，其包括共用控制器104及位于控制器104任一侧上的n/2个电源模块100。每一电源模块100包括如结合图5所述以端对端方式排列的两个电压调节器120及电感器130。

图14是说明根据本公开的另一些方面的模块化电源方法200的实例的流程图。在方块210中，提供多个电源模块，例如本文中所述的电源模块100。因此，每一电源模块100被配置成输出预定电流电平，并包括连接到接地端子110及输入电压端子112的电压调节器120。电源模块100还包括电感器130，电感器130具有连接到内连端子的电感器输出。每一电源模块100的特征是输出预定电流电平。在方块212中，确定要被供电的系统的电源要求，且在方块214中，确定为满足所确定的所述电源要求而需要的所述电源模块的数目。在方块216中，将所确定数目的所述电源模块内连在一起，且在方块218中，将内连在一起的所述电源模块连接到要被供电的系统。

所公开的实施例包括一种电源变换器模块，所述电源变换器模块包括：衬底；接地端子；输入电压端子，被配置成接收原始输入电压；以及内连端子，被配置成向负载(例如，要被供电的soc或sip系统)提供经调节的输出电压。电压调节器配置在所述衬底上且连接到所述接地端子及所述输入电压端子。电感器也配置在所述衬底上且具有连接到所述内连端子的电感器输出。在一些实施例中，所述电压调节器包括连接到所述输入电压端子的第一开关及连接到所述接地端子的第二开关；所述电感器包括彼此相对的顶侧与底侧；且所述第一开关、所述第二开关及所述电感器输出直接定位于所述电感器的所述顶侧正上方。在一些实施例中，所述电感器包括彼此相对的第一横向侧与第二横向侧；且所述第一开关及所述第二开关分别邻近所述第一横向侧及所述第二横向侧定位。在一些实施例中，所述电感器包括彼此相对的第一端侧与第二端侧；以及所述内连端子邻近所述第一端侧定位。在一些实施例中，所述输入电压端子邻近所述第一横向侧及所述底侧定位；以及所述接地端子邻近所述第二横向侧及所述底侧定位。在一些实施例中，所述电压调节器包括连接到所述输入电压端子的第一开关及连接到所述接地端子的第二开关；所述电感器包括彼此相对的顶侧与底侧、彼此相对的第一横向侧与第二横向侧以及彼此相对的第一端侧与第二端侧；所述第一开关及所述第二开关直接定位于所述顶侧正上方；所述第一开关及所述第二开关分别邻近所述第一横向侧及所述第二横向侧；所述内连端子邻近所述第一端侧定位；所述输入电压端子邻近所述第一横向侧及所述底侧定位；且所述接地端子邻近所述第二横向侧及所述底侧定位。在一些实施例中，多个所述电压调节器，配置在所述衬底上，所述多个电压调节器中的每一者连接到所述接地端子及所述输入电压端子；以及多个所述电感器，配置在所述衬底上，所述电感器输出中的每一者连接到所述内连端子。在一些实施例中，所述电感器包括磁芯。在一些实施例中，所述电感器包括第一电感器及第二电感器，其中所述第一电感器包括缠绕有第一导电绕组的磁芯，且其中所述第二电感器包括缠绕有第二导电绕组的所述磁芯，所述第二导电绕组与所述第一导电绕组的相位差异为180°。

根据另一些所公开的实施例，一种模块化电源系统包括：接地端子；输入电压端子，被配置成接收原始输入电压；以及内连端子。多个电源模块中的每一者具有：电压调节器，连接到所述接地端子及所述输入电压端子；以及电感器，具有连接到所述内连端子的电感器输出。所述电源模块中的每一者的特征是输出预定电流电平。在一些实施例中，所述电感器中的每一者包括第一电感器及第二电感器，其中所述第一电感器包括缠绕有第一导电绕组的磁芯，且其中所述第二电感器包括缠绕有第二导电绕组的所述磁芯，所述第二导电绕组与所述第一导电绕组的相位差异为180°。在一些实施例中，所述电源模块中的每一者形成在共用衬底上。在一些实施例中，所述电源模块中的每一者形成在各自的衬底上。在一些实施例中，预定数目的所述电源模块并联连接来实现期望的输出电流电平。在一些实施例中，所述电压调节器中的每一者包括连接到所述输入电压端子的第一开关及连接到所述接地端子的第二开关；所述电感器中的每一者包括彼此相对的顶侧与底侧；且所述电源模块中的每一者的所述第一开关、所述第二开关直接定位在各自的所述电感器的所述顶侧正上方。

根据再一些所公开的实施例，一种模块化电源方法包括：提供多个电源模块，所述电源模块中的每一者被配置成输出预定电流电平。所述电源模块中的每一者具有电压调节器且连接到接地端子及输入电压端子。所述电源模块中的每一者还具有电感器，所述电感器具有连接到内连端子的电感器输出。所述电源模块中的每一者的特征是输出预定电流电平。确定要被供电的系统的电源要求，并进一步确定为满足所确定的所述电源要求而需要的所述电源模块的数目。然后将所确定数目的所述电源模块内连在一起，并将内连在一起的所述电源模块连接到要被供电的所述系统。在一些实施例中，所述电源模块中的每一者形成在共用衬底上。在一些实施例中，所述电源模块中的每一者形成在各自的衬底上。在一些实施例中，所述电源模块及要被供电的所述系统形成在共用衬底上。在一些实施例中，所述电源模块与要被供电的所述系统形成在各自的衬底上。

以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本发明的各个方面。所属领域中的技术人员应知，其可容易地使用本发明作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的及/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本发明的精神及范围，而且他们可在不背离本发明的精神及范围的条件下对其作出各种改变、代替、及变更。

[符号的说明]

10：电源变换系统

10a、10b：系统

11：单相电源模块系统

12：单端型并排电源模块系统/电源系统

13：n相单端型端对端电源模块系统

14：n相双端型并排电源模块系统

15：n相双端型端对端电源模块系统

100：电源模块

102：系统/被供电系统

104：控制器

106：衬底

110：接地端子

112：输入电压端子

120：电压调节器

121：第一开关/上部开关/高侧开关

122：第二开关/下部开关/低侧开关

124：输出滤波器

130：电感器

132：磁芯/共用芯

134：导电绕组

136：箭头

138：箭头

140：内连端子

150：电容器

160：电感器的顶侧

161：电感器的底侧

162：电感器的端侧

163：电感器的端侧

164：电感器的横向侧

165：电感器的横向侧

200：模块化电源方法

210、212、214、216、218：方块

vdd-raw：原始输入电压

vreg：经调节的输出电压