电源和集成磁性组件实现方式的制作方法

本公开涉及电源和集成磁组件实现方式。

背景技术：

1、数据中心为我们的社会提供必不可少的服务。全世界所有数据中心的能量消耗约为电能使用的全部量的2％。因此，数据中心供应商不断地寻求改进功率转换的效率，以便节省能量或者能够增加现有数据中心中的服务器的cpu/gpu/asic等功率。机器学习和人工智能需要大量的能量来执行。

2、较高的电压分布和高效的转换系统通常被实现为减少损耗并增加相应功率转换系统的总功率密度。在过去的几年中，在机架级的48vdc已经由卖方引入，使得若干不同的场景能够向诸如cpu/asic/gpu的数字负载提供高功率。这些架构例如由开放计算联盟来协调，目前ocp 3.0是支持机架内的48vdc分布的最现代的架构。

3、现代微处理器和asic需要低输入电压，通常为1vdc或甚至更低(目标是将其降低到0.4vdc)，具有可以达到1000安培或更多的高电流。在这样的应用中，存在正驱动期望的解决方案的若干属性：

4、-高功率密度：小占用面积和低高度允许将转换器靠近负载(即，asic或微处理器)放置，从而减少pdn(功率输送网络)寄生损耗，使得能够例如从有源衬底或内插器中的asic的底部或从侧面/底部(在位于cpu板自身上的情况下)给负载供电。

5、-快速瞬变响应和低输出电压纹波：asic和微处理器需要可以达到1000安培/μs的极快的电流瞬变，并且系统需要将输出电压保持在严格的调节范围内。具体地，电压下冲可能导致cpu故障。此外，需要低电压纹波(通常小于20mv)，因此需要相的并联。

6、-高效率：首先，效率是数据中心的opex的关键变元，其次，效率是当将功率级移动靠近负载以防止附加发热时的先决条件。

7、-低emi噪声：由于功率级到负载(位于有源衬底内或内插器中的cpu下方)的期望接近度，需要避免emi干扰。这通常需要零电压切换和在磁结构中不存在气隙，以避免高频数据线与功率输送路径之间的任何耦合。

8、现代处理器通常集成内部电压调节器模块(vrm)，称为完全集成的电压调节器模块(或fivr)，以减轻对外部vrm级的要求。fivr模块需要相当多的设计和技术努力(目前仅inteltm拥有该技术)。因此，针对所有无法访问fivr技术的公司，尽可能靠近负载(诸如经由asic/cpu/gpu)实现的功率转换创造价值。

9、传统的降压解决方案是在这种应用中提供经调节的功率的良好候选，因为对于给定的功率和瞬变要求，其固有的潜力是通过增加切换频率和降低降压转换器的输入电压来缩小电感器的尺寸。然而，有时经由多相方法实现的降压转换器需要额定为全输入电压的电感器和晶体管。在这种场景下，由于高功率密度要求，难以实现低电感器损耗。此外，由于dc磁通量对负载的依赖性，芯损耗是负载相关的。为了减轻高dc和ac磁通量密度，需要更大的电感，因此vrm模块通常被放置在cpu或asic侧上，其中功率输送网络(pdn)的影响是功率能力和瞬变性能的限制因素。

10、近年来，dc-dc开关电容器转换器针对高密度负载点应用是有用的。与降压转换器相比，开关电容器转换器仅需要电容器，而不需要已经证明显著增加系统的功率密度的电感器。遗憾的是，常规的开关电容器转换器具有两个主要缺点。例如，开关电容器转换器拓扑是非调节转换器并且需要许多开关以便具有高于2的比率n。为了克服这个问题，混合开关电容器(hsc)转换器是作为直接向负载供应功率的步降转换器的候选。通过组合经典的开关电容器转换器的高密度能力和由相应磁性部件提供的高步降能力，hsc转换器是这种方法的良好候选。由于hsc不提供输出调节，因此必须注意在附加的串联连接的功率级中进行调节。

11、还要注意，常规的开关电源电路有时包括诸如电感器或变压器的能量存储部件，以产生给负载供电的输出电压。例如，为了将输出电压的幅值维持在期望的范围内，控制器控制通过一个或多个电感器的电流的切换，以产生给负载供电的输出电压。

12、通常，常规的电感器是包括电线或其它导电材料的部件，该电线或其它导电材料被成形为线圈或螺旋状以增加通过相应电路路径的磁通量的量。将电线缠绕成多匝线圈是有用的，因为它增加了相应电感器部件中的相应磁通线的数量，从而增加了磁场并因此增加了相应电感器部件的总电感。

13、多个磁耦合绕组的组合被称为变压器。通常，如本领域中已知的，通过变压器的初级绕组的电流的流动引起变压器的次级绕组中的电流的流动。如先前所讨论的，对通过(诸如在常规的混合开关电容器转换器中的)电感器和/或变压器的电流的适当控制产生相应的输出电压。

技术实现思路

1、清洁能源(或绿色技术)的实现对于减少我们人类对环境的影响非常重要。通常，清洁能源包括降低能耗对环境的总体毒性的任何演进方法和材料。

2、本公开包括以下观察：诸如从绿色能量源或非绿色能量源接收的原始能量在其可以用于给诸如服务器、计算机、移动通信设备等的终端设备供电之前，通常需要被转换成适当的形式(诸如期望的ac电压、dc电压等)。不管能量是从绿色能量源还是非绿色能量源接收的，都期望最高效地使用由这样的系统提供的原始能量，以减少我们对环境的影响。本公开经由更高效的能量转换有助于减少我们的碳足迹(和绿色能量)。

3、另外，本公开包括以下观察：常规的分立/完全不同的电感器和变压器部件通常适合于平面电路应用，其中电源电路板的相应平面表面被填充有多个不同的部件，该多个不同的部件转而经由设置在该平面表面上的电路迹线彼此耦合。这种拓扑(在电源电路板中提供水平功率流)不可避免地使得难以创建紧凑、高效且高电流输出的电源电路。因此，经由绕组实现一个或多个电感器的常规电源电路有时是不期望的。

4、与常规技术相比，本公开包括新颖和改进的电感器部件、电感器组件、电路组件等。

5、更具体地，一种电源包括组件。该组件可以包括电感器和变压器。电感器和变压器可以被集成以共享设置在组件中的导磁材料的芯。该组件还可以包括非调节功率转换器级，该非调节功率转换器级包括变压器。又进一步地，该组件可以包括调节功率转换器级，该调节功率转换器级包括电感器。调节功率转换器级和非调节功率转换器级共同产生输出电压以给负载供电。

6、非调节功率转换器级可以包括开关电容器转换器；开关电容器转换器和变压器的组合可以产生输出电压；并且调节功率转换器级可以控制通过电感器的电流的流动以产生输出电压。非调节功率转换器级可以生成供应给调节功率转换器级的中间电压；调节功率转换器级可以从中间电压产生输出电压。

7、非调节功率转换器级可以接收第一输入电压并将第一输入电压转换成输出电压；并且调节功率转换器级可以接收第二输入电压并将第二输入电压转换成输出电压。

8、该组件可以包括由磁芯中的导磁材料制造的分隔部，该分隔部可操作用于传送第一磁通量和第二磁通量两者，第一磁通量经由通过变压器的绕组的第一电流的流动而生成，第二磁通量经由通过电感器的第二电流的流动而生成。组件中的分隔部的存在使电感器与变压器的绕组磁去耦。

9、变压器可以包括第一绕组和第二绕组，第一绕组磁耦合到第二绕组；电感器可以包括电感器绕组；并且组件的导磁材料可以包括第一绕组和第二绕组驻存在其中的第一通道，第一通道设置在组件中的导磁材料的第一分隔部与导磁材料的第二分隔部之间；组件的导磁材料可以包括电感器绕组驻存在其中的第二通道，第二通道设置在组件中的导磁材料的第二分隔部与组件中的导磁材料的第三分隔部之间。第一绕组和第二绕组可以围绕第一分隔部缠绕。

10、还要注意，由导磁材料制造的组件的芯可以包括顶部(由导磁材料制造)和底部(由导磁材料制造)。第一分隔部、第二分隔部和第三分隔部中的每个分隔部在组件中被设置在顶部与底部之间。导磁材料的第二分隔部的第一轴向端可以接触顶部；导磁材料的第二分隔部的第二轴向端接触底部。组件包括：i)设置在顶部与底部之间的第一间隙，第一间隙设置在延伸穿过顶部、第一分隔部和底部的第一轴向路径中；ii)设置在顶部与底部之间的第二间隙，第二间隙设置在延伸穿过顶部、第二分隔部和底部的第二轴向路径中。

11、该组件的变压器可以提供非调节功率转换器级与调节功率转换器级之间的电流隔离。

12、非调节功率转换器级的输入部可以与调节功率转换器级的输入部串联连接；并且非调节功率转换器级的输出部可以与调节功率转换器级的输出部并联连接。

13、导磁材料的芯可以包括多个分隔部的序列，该多个分隔部的序列包括沿轴线设置的第一分隔部、第二分隔部和第三分隔部，多个分隔部中的每个分隔部在芯的顶部与芯的底部之间延伸，多个分隔部中的每个分隔部由导磁材料制造；变压器可以由围绕第二分隔部缠绕的多个变压器绕组制造；第一分隔部可以被配置为传送由多个变压器绕组生成的磁通量和由电感器生成的磁通量；并且第三分隔部可以被配置为传送由多个变压器绕组生成的磁通量和由电感器生成的磁通量。

14、电感器可以包括直接耦合到变压器的绕组以产生输出电压的绕组。

15、变压器可以是自耦变压器。

16、如本文所讨论的组件可以包括由导磁材料制造的分隔部，该分隔部提供变压器与电感器之间的分离。

17、组件可以包括：i)第一通道和第二通道，电感器的绕组设置在第一通道中，变压器的绕组设置在第二通道中；和ii)由导磁材料制造的分隔部，该分隔部设置在第一通道与第二通道之间。

18、如本文所讨论的一种组件可以包括：磁导材料的芯；至少部分地由导磁材料的第一部分制造的电感器；至少部分地由导磁材料的第二部分制造的变压器，电感器与变压器的绕组磁去耦；并且其中芯包括由导磁材料制造的分隔部，该分隔部可操作用于传送由变压器的绕组生成的磁通量和由电感器生成的磁通量。

19、如本文所讨论的一种方法可以包括：接收包括电感器和变压器的多部件组件，电感器和变压器被集成以共享设置在多部件组件中的导磁材料的芯；制造电源电路组件的非调节功率转换器级以包括电感器；制造电源电路的调节功率转换器级以包括变压器；并且其中调节功率转换器级和非调节功率转换器级可操作用于将所接收的输入电压共同转换成输出电压。分隔部可操作用于将电感器的绕组与变压器的绕组磁去耦。该多部件组件可以包括由磁芯中的导磁材料制造的分隔部，该分隔部可以被配置为传送第一磁通量和第二磁通量两者，第一磁通量经由通过变压器的绕组的第一电流的流动而生成，第二磁通量经由通过电感器的第二电流的流动而生成。

20、下面更详细地公开这些和其它更具体的示例。

21、注意，在如本文所讨论的系统中实现的任何资源(诸如制造者)可以包括一个或多个计算机化设备、控制器、移动通信设备、手持或膝上型计算机等，以执行和/或支持本文公开的方法操作中的任何或全部方法操作。换言之，一个或多个计算机化设备或处理器可以被编程和/或配置为如本文所解释的那样操作，以执行如本文所描述的不同实现方式。

22、本文的另外的其它实现方式包括软件程序，该软件程序用于执行上面概括的和下面详细公开的步骤和操作。计算机程序产品可以包括非瞬态计算机可读存储介质(即，任何计算机可读硬件存储介质)，软件指令被编码在该非瞬态计算机可读存储介质上，以用于随后的执行。当在具有处理器的计算机化设备(硬件)中执行时，指令将处理器(硬件)编程为执行本文公开的操作，和/或使处理器(硬件)执行本文公开的操作。这样的布置通常被提供为软件、代码、指令和/或其他数据(例如，数据结构)，其被布置或编码在诸如光学介质(例如，cd-rom)、软盘、硬盘、记忆棒、存储器设备等的非瞬态计算机可读存储介质上，或诸如一个或多个rom、ram、prom等中的固件的其他介质上，或者这样的布置通常被提供为专用集成电路(asic)等。软件或固件或其他这样的配置可以被安装到计算机化设备上，以使计算机化设备执行本文解释的技术。

23、因而，本文的实现方式涉及支持如本文所讨论的操作的方法、系统、计算机程序产品等。

24、本公开中的一个示例包括制造者，诸如包括计算机可读存储介质和/或系统，该计算机可读存储介质和/或系统上存储有用于制造电感器设备的指令。指令在由计算机处理器硬件执行时使计算机处理器硬件(诸如一个或多个共同定位或不同地定位的处理器设备或硬件)：接收包括电感器和变压器的多部件组件，电感器和变压器被集成以共享设置在多部件组件中的导磁材料的芯；制造电源电路组件的非调节功率转换器级以包括电感器；制造电源电路的调节功率转换器级以包括变压器；并且其中调节功率转换器级和非调节功率转换器级可操作用于将所接收的输入电压共同转换成输出电压。

25、为清楚起见，已经添加了上述步骤的顺序。注意，如本文所讨论的处理步骤中的任何处理步骤可以以任何合适的顺序执行。

26、本公开的其它示例包括软件程序和/或相应的硬件，以执行上面概述的和下面详细公开的方法操作中的任何方法操作。

27、应当理解，如本文所讨论的系统、方法、装置、计算机可读存储介质上的指令等也可以严格地被体现为软件程序、固件，被体现为软件、硬件和/或固件的混合，或者仅被体现为诸如在处理器(硬件或软件)内或在操作系统内或在软件应用内的硬件。

28、还要注意，尽管如本文所讨论的实现方式适用于开关电源，但是本文公开的概念可以有利地被应用于任何其他合适的拓扑。

29、另外，应注意，尽管本文中的不同特征、技术、配置等中的每个可以在本公开的不同地方讨论，但在合适的情况下预期概念中的每个概念可以可选地彼此独立地或彼此组合地执行。因此，如本文所描述的一个或多个本发明可以以许多不同的方式体现和查看。

30、此外，应注意，本文中的实现方式的此初步讨论(
技术实现要素：
)并没有有目的地指定本公开或所要求保护的发明的每一个实现方式和/或增量式新颖方面。相反，此发明内容仅呈现一般实现方式和相对于常规技术的新颖性的对应点。对于发明的附加细节和/或可能的视角(排列)，读者可以参考如下面进一步讨论的本公开的具体实施方式部分(其是实现方式的概述)和对应的附图。