功率转换器的制作方法

本发明涉及电子装置，特别是功率转换器。

背景技术：

随着对计算和电信系统的需求不断增加，传统或现有功率转换器的性能远低于业界的预期。具有改进性能的新型功率转换器将有助于推进技术，满足工业应用的需求。

技术实现要素：

一个示例性实施例是用于功率转换的组件。该组件包括：电路板；功率转换电路，其安装在电路板上；电感线圈，其包括绕组和两个端部；磁芯，其被电感线圈的绕组围绕；以及磁性混合物，其包封电路板、功率转换电路、电感线圈和磁芯。电感线圈的绕组堆叠在功率转换电路上方，并且两个端部连接到功率转换电路。

另一个示例性实施例是功率转换器。该功率转换器包括：电感线圈，其平行于电路板的表面和在电路板上的所有电子部件上方堆叠；磁芯，其被电感线圈围绕；以及磁性混合物，其包封电路板上的电感线圈和磁芯。电感线圈、磁性混合物和磁芯形成电感器。

另一示例性实施例是集成电感器，其包括电感线圈、磁芯和用于包封的磁性混合物。电感线圈包括多个绕圈，所述绕圈沿着轴卷绕和堆叠在一起。磁芯在沿着轴的电感线圈的中心。磁性混合物包封电感线圈和磁芯以形成磁性组合体。磁性混合物包括至少两种不同尺寸的磁性颗粒和粘合材料。

本文讨论了其他示例性实施例。

附图说明

图1是根据示例性实施例的功率转换器的分解图。

图2是根据示例性实施例的组装的功率转换器的透视图。

图3是根据示例性实施例的图2中的功率转换器沿着线a-a的截面图。

图4a示出了根据示例性实施例的电感线圈的透视图。

图4b示出了根据示例性实施例的图4a中的电感线圈的俯视图。

图4c示出了根据示例性实施例的电感线圈的透视图。

图4d示出了根据示例性实施例的图4c中的电感线圈的俯视图。

图4e示出了根据示例性实施例的电感线圈。

图4f示出了根据示例性实施例的电感线圈的透视图。

图5a示出了根据示例性实施例的磁性混合物。

图5b示出了根据示例性实施例的磁性混合物。

图5c示出了根据示例性实施例的磁性混合物。

图6示出了根据示例性实施例的磁性材料的特性曲线。

图7a示出了基准封装内的温度分布。

图7b示出了根据示例性实施例的功率转换器封装内的温度分布。

图8示出了根据示例性实施例的功率转换器的效率和输出电流之间的关系。

图9示出了根据示例性实施例的具有或不具有磁芯的功率转换器的效率和输出电流之间的关系。

具体实施方式

如本文和权利要求中所用，除非另有说明，否则“耦合”或“连接”是指通过一个或多个电气装置直接或间接地电耦合或连接。

如本文所用，“负载点转换器”是用于直接向负载提供功率的非隔离dc/dc类型的功率模块的示例。

如本文所用，“功率密度”是指每单位体积的功率量。

如本文所用，“软磁体”是指易于磁化和去磁化的软磁材料。它们通常具有小于1000am^-1的内禀矫顽力。它们主要用于增强和/或引导由电流产生的通量。通常用作软磁材料的品质因数的主要参数是相对磁导率μr，其中μr＝b/μ0h，b是磁场，h是磁场强度，而μ0是磁常数，它是材料响应于所施加的磁场的容易程度的量度。推荐在示例性实施例中使用的软磁材料是：铁氧体、铁镍钼粉末、玻璃态合金磁性材料、fe、si、al粉末等。

在电信设备、数据中心、医疗、军事等应用中，负载点转换器是直接向诸如cpu、gpu、fpga等负载提供功率的关键部件。示例性实施例考虑电子效率、功率密度、磁功率损耗和热导率，以改善负载点转换器的性能，以提供小型、高效、轻质形状因素的板载功率转换器。

功率转换器中的主要功率损耗源是晶体管和电感器，每个晶体管和电感器导致大约45％的功率损耗。损耗能量转换成热量，导致源和周围区域的温度升高的不利影响。在功率转换器中包括更多转换装置可以减少功率损耗。然而，作为功率转换器模块中最大的部件之一，电感器占据了印刷电路板(pcb)的大部分表面区域，这限制了pcb布局的设计的灵活性和选择。

示例性实施例提供用于功率转换器的新颖3d封装结构和封装方法，以改善功率转换器的功率密度和效率。示例性实施例计划了一种非常规方式来设计、布置和包封功率转换器内的电感器，其中封装厚度的增加最小，但性能显著提高。

示例性实施例提供了一种具有电感线圈的功率转换器，该电感线圈堆叠在安装在基板上的所有部件上方，从而释放更多空间以容纳填满功率转换器的尺寸的电感线圈的大绕组，以在基板上容纳更多转换装置，以将磁芯预先植入磁芯内，并且以使用磁性混合物包封电感线圈，形成磁性组合体。作为示例，与其中存在两个转换装置的基准设计相比，示例性实施例能够具有三个转换装置，因此与基准设计相比，示例性实施例的功率转换器的功率密度可以提高50％。通过形成磁性组合体，为绕组提供了较短的磁路。磁性混合物的高热导率和大绕组可以将热阻和功率损耗降低30％。通过预先植入磁芯，电感器的电感得到改善。通过根据不同的设计要求调整预先植入的磁芯的尺寸和形状，可以获得电感器的优化电感。

示例性实施例示出了一种集成功率电子封装，其与现有功率转换器相比，在类似封装成本下具有更高功率密度和更高效率。集成功率电子封装包括功率转换电路，其与传统功率转换器的相同尺寸的封装相比，包括更多部件，例如更多功率管理控制器ic(集成电路)、转换ic，以及其他无源部件。本发明的示例性实施例克服了组合电感线圈、磁芯和由至少一种磁性材料和粘合材料的混合物构成的包封以在pcb上的转换电路上方形成电感器组合的困难，从而提供改进的电感器电感控制、磁性材料的温度效应和功率转换器模块的热性能。

可以单独或组合地实践以下示例性实施例以提供集成电感器、功率转换器和/或用于转换功率的组件。

图1示出了根据示例性实施例的功率转换器100的分解图。

在图1中，功率转换器100包括电路板101、电子部件110、电感线圈103、磁芯104和磁性混合物105。电子部件110安装在包括ic102的电路板101上。当使用功率转换器100时，电感线圈103位于电路板101和其上的所有电子部件110上方，磁芯104被电感线圈103围绕，磁性混合物105包封电路板101上的电子部件110、电感线圈103和磁芯104。

在一个示例性实施例中，磁性混合物105包括至少一种磁性材料和粘合材料。例如，粘合材料是环氧树脂。

在一个示例性实施例中，磁性混合物105包括至少两种不同尺寸的磁性颗粒。

在一个示例性实施例，电子部件110包括至少一个功率管理控制器装置和至少一个转换装置。

在一个示例性实施例中，磁芯104是软磁体。磁芯104用作电感控制的调谐器，因为磁性混合物105的磁导率低于纯磁铁，即，可以通过根据设计要求封闭不同尺寸和不同形状的磁芯来实现不同的电感。

在一个示例性实施例中，电感线圈103、磁芯104和磁性混合物105形成电感器。电感线圈103具有连接到电子部件110的两个端部。

图2示出了根据示例性实施例的组装的功率转换器200的透视图。图3示出了图2中的功率转换器沿a-a线的横截面视图。

在图2和图3中，电感线圈103位于连接在电路板101上的电子部件110上方。磁芯104被电感线圈103围绕。电子部件110、电感线圈103和磁芯104由电路板101上的磁性混合物105包封。

在一个示例性实施例中，电子部件110包括转换装置和驱动器106、控制器107，以及电容器、电阻器和传感器108。

在一个示例性实施例中，电子部件110可以包括一个、两个、四个或更多个转换装置。

在一个示例性实施例中，控制器107包括功率管理控制器。

在一个示例性实施例中，电感线圈103平行于电路板101的表面和在电路板101上的电子部件110上方堆叠。

图4a至图4f示出了电感线圈的示例性实施例，该电感线圈被安装在功率转换器的电路板上的所有或部分电子部件上方，以完全占据功率转换器的尺寸。

图4a示出了具有轴向厚度的电感线圈402的透视图。图4b示出了电感线圈402的俯视图，该电感线圈402是矩形扁平线圈，即卷绕成扁平矩形形状的线圈包括多个相邻的卷绕圈。图4c示出了具有轴向厚度的电感线圈404的透视图。图4d示出了电感线圈404的俯视图，该电感线圈404是圆形扁平线圈，即卷绕成扁平圆形形状的线圈包括多个相邻的卷绕圈。图4e示出了具有可折叠的曲线形绕组的电感线圈406。图4f示出了电感线圈408，其包括沿轴线彼此叠置的多个相同的圆形绕圈。作为示例，电感线圈408的圆形绕圈紧密堆积，使得使用电感线圈408的功率转换器的尺寸可以最小化。电感线圈402、404、406和408中的每一个具有两个端部，其将与电路板上的其他电子部件耦合，并且电感线圈402、404、406和408中的每一个围绕一个用于容纳磁芯的空间。此外，电感线圈402、404、406和408中的每一个大小足以填充组件的尺寸，即电感线圈402、404、406和408可以尽可能地大，并且由组件的边界所限制。

由于电感线圈的3d堆叠布置节省了电路板上的平面空间，示例性实施例可以通过包括更多转换装置(例如功率转换器中的mosfet开关)来实现更小的传导和转换损耗。例如，输入电压为5v，输出电压为1.8v，输出电流为20a时，具有两个mosfet开关的功率转换器的总转换损耗约为1.8w，而具有四个mosfet开关的功率转换器的总转换损耗降至小于1.1w。损耗减少约40％。

电感线圈的3d堆叠布置还能够实现与板载电感器相比更大的电感器绕组和绕组中更粗的线，使得示例性实施例可以实现较小的磁功率损耗。作为示例，电感线圈的电阻rdc由下式计算：

其中ρcu是绕组中的线的电阻率，lthw是线的长度，以及aw是线的横截面积。根据等式(1)，当aw增加，则rdc减小，意味着通过使用较粗的线(例如扁平铜线)，在电感器的电阻上浪费较少的能量。而且，电感器中的芯损耗p芯随着磁芯中的峰值磁通密度而增加，并且磁芯中的峰值磁通密度与磁芯的等效面积ae成反比。因此，当ae增加，p芯减小，意味着更大的电感线圈将导致更小的磁损耗。

在一个示例性实施例，与传统功率转换器的电感器的传统设计相比，磁损耗减少约50％。

功率转换器的功率效率可以如下表示：

功率效率＝输出功率/输入功率(4)

功率损耗＝输入功率-输出功率(5)

根据等式(4)和(5)，功率损耗减小导致功率转换器的功率效率增加。

图5a至图5c示出了磁性混合物500a、500b和500c的示例性实施例。

在图5a和图5b所示的磁性混合物中，白点代表一种或多种磁性材料的颗粒，而黑点部分代表粘合材料。在图5c中，黑色片块表示由示为白色的粘合材料所粘合的磁性颗粒。图5b中的磁性颗粒比图5a中的磁性颗粒更高度地堆积，而图5c中的磁性颗粒完全堆积在功率转换器中，并具有最高的封装密度。

在一个示例性实施例中，磁性混合物包括具有相同尺寸和相同材料的球型磁性颗粒。在另一个示例性实施例中，磁性混合物包括具有两个或更多个尺寸的球型磁性颗粒以增加堆积密度。在另一个示例性实施例中，磁性混合物包括多面体磁性颗粒，其具有不同尺寸和形状并且彼此配合以实现最高的封装密度。在一个示例性实施例中，磁性颗粒由两种或更多种磁性材料制成。磁性混合物的性质如磁导率、热导率、温度效应和芯损耗与磁性颗粒的尺寸、形状和磁性材料，以及磁性材料与粘合材料的体积比有关。目的是根据设计规范将电感控制在预定的值。

在一个示例性实施例中，通过将一种或多种原始磁性材料研磨成磁粉，从而提供磁性颗粒。然后过滤磁粉以获得具有特定尺寸的磁性颗粒。之后，将过滤的磁性颗粒与某些环氧树脂以预定的体积比混合成磁性混合物。最后，通过将磁性混合物填装到包封电感线圈和磁芯的包封框中，并且例如通过加热将其固化成固态，从而形成包括磁性混合物、电感线圈和磁芯的磁性组合体。

在一个示例性实施例，磁性颗粒为微米尺度或更小。

在一个示例性实施例中，取决于不同的工艺参数，固体磁性颗粒与液体粘合材料的体积比为1∶3至3∶1。根据不同的配置，多于一种的固体磁性颗粒的体积比或重量比为1∶2至2∶1。对于超过一种的磁性颗粒，大颗粒的尺寸为150um至300um；而小颗粒的尺寸小于50um。通过使用上述组合可以实现两种颗粒的更好的混合。

图6是示出磁性材料的特性曲线的曲线图600。在图6中，x轴是温度，y轴是磁性材料的芯损耗。线601示出了一种磁性材料的特性，该磁性材料在相对低的温度(例如在温度610至630)具有低的芯损耗。线602示出了另一种磁性材料的特性，该磁性材料在相对高的温度(例如在温度630至650)具有低的芯损耗。线603表示通过组合两种材料获得的磁性混合物的特性。如图6所示，磁性混合物具有比每个单独的磁性材料宽得多的工作温度范围，即温度620至640。

在示例性实施例中，可以通过根据应用要求以不同体积比组合不同磁性材料来定制磁性混合物。

图7a和图7b是曲线图700a和700b，分别示出了基准和示例性实施例的功率转换器封装的模拟温度分布。

在700a中，两个传统的电感器以传统方式安装在电路板上。在700b中，一个3d堆叠电感线圈连接到电路板，并由磁性混合物包封。两次模拟中的热边界条件是相同的，即在两个封装的顶表面上施加50℃的恒定温度表面。由于根据定义r＝δt/p，其中p是热功率(即功率损耗)和r是热阻，因此δt＝p·r，其中δt是功率损耗p和热阻r的函数。对于700a和700b，假设p是相同的，因此δt仅由热阻r确定。由于本发明的热阻远低于(低30％)基准转换器的热阻，所以示例性实施例的模拟δt远低于基准转换器的模拟δt。

700a和700b中的两个电感器都被激活，而温度分布如图7a和图7b所示。在700a中，电路板701a中心的最高温度约为122℃，而在700b中，电路板701b中心的最高温度是低得多的大约100℃。温度分布表明，示例性实施例由于大的绕组和高热导率的磁性混合物包封而具有较小的功率损耗。

图8是示出根据示例性实施例的功率转换器的效率(％)和输出电流(a)之间的关系的曲线图800。

在图8中，曲线801从示例性实施例的功率转换器获得。曲线802是基准数据。作为示例，5v的dc电压施加到两个转换器，并且输出电压被调节到1.8v。可以看出，在所有输出电流水平下，示例性实施例中的功率转换器的效率高于基准功率转换器的效率。示例性实施例中的功率转换器的最高效率约为96％，而基准的最高效率约为93％。而且，它们之间的效率差异随着输出电流而增加。此外，基准的最大输出电流是20a，而示例性实施例的输出电流可以高达28a。

图9是示出根据示例性实施例的具有或不具有磁芯的功率转换器的效率(％)和输出电流(a)之间的关系的曲线图900。

在图9中，曲线901是从具有磁芯的示例性实施例的功率转换器获得的，而曲线902是从没有磁芯的功率转换器获得的。如曲线图900所示，磁芯的植入导致在所有输出电流(2a至28a)下的功率效率增加。

因此，完整地描述了本发明的示例性实施例。尽管描述涉及特定实施例，但是本领域技术人员将清楚，可以通过改变这些具体细节来实践本发明。因此，本发明不应被解释为限于本文阐述的实施例。

例如，尽管电感线圈的形状如上面的图4a至图4f所述，但是显然可以根据用户的偏好而使用其他形状和尺寸。