CN101479817B - 可配置多相耦合磁结构 - Google Patents

Abstract

在一些实施例中，可配置多相耦合磁结构可包括：限定了内部空间的四面壶形芯；布置在所述四面壶形芯内部空间内的一个或更多圆柱形芯，缠绕在所述一个或更多圆柱形芯周围的至少两个线圈，其中所述至少两个线圈以多相电能输送配置连接。所述线圈可以是多匝线圈。所述四面壶形芯可以是矩形形状的壶形芯。所述圆柱形芯可以是I-芯。本文也公开和声明了其他实施例。

Description

可配置多相耦合磁结构

技术领域

本发明涉及包括耦合磁结构的稳压器。更具体地说，一些本发明的实施例涉及可配置多相耦合磁结构。

背景技术

许多电子系统要求或受益于电能输送装置的使用。例如，诸如基于微处理器的系统或基于数字信号处理器的系统的电子系统会需要充足的电能供应。对尺寸较小和效率较高的电能供应的设计的需求通常更大。一种可以满足一些电子系统对高输出电流的需求的稳压器拓扑类型是多相交叉(interleaved)直流-直流变换器。

例如，一个直流-直流变换器可包括开关和低通滤波器。控制电路可以控制开关的占空因数，从而将输出电压在一个特定的范围内调节。典型地，可以在地和感应器之间连接自由轮转二级管(或同步开关，从而在开关打开时提供电流通路。当需要更高的电流时，可以使用多交叉相。

多相交叉结构会需要很多感应器。为减少部件的数量，可以引入耦合磁结构。虽然耦合磁结构有很多优点，但某些耦合磁结构的制造相对复杂，而某些耦合磁结构只能提供有限的设计灵活性。

例如，二相变换器可以由环形芯耦合磁结构构成。虽然此结构简单，但它的生产需要特殊的绕线工具。多相变换器也可以由H-芯耦合磁结构构成。虽然制造比环形方式简单，但是设计灵活性被限制了，因为它只使用单匝线圈(这使其难以提供高电感值)。

发明内容

本发明的实施例提供一种装置，包括：第一端子；第二端子；第三端子；磁结构，所述磁结构包括：四面壶形芯，其中所述四面壶形芯限定了内部；一个或更多圆柱形芯，完全地布置于所述四面壶形芯的开放内部空间；第一线圈和第二线圈，分别缠绕在所述一个或更多圆柱形芯周围，其中所述第一线圈耦合到所述第一端子，所述第二线圈耦合到所述第二端子；以及所述磁结构的输出，耦合到所述第三端子；多相切换电路，耦合到所述第一端子和所述第二端子；电容，耦合到所述第三端子和地；以及负载，耦合到所述第三端子和地。

附图说明

通过下文中对本发明的具体介绍并结合附图，可以清楚本发明的各方面的特点。在所有附图中，相同的编号通常指示相同的部分。附图不一定按比例绘制，重点是示出本发明的原理。

图1是根据本发明的某些实施例的耦合磁结构的示意图。

图2是根据本发明的某些实施例的另一种耦合磁结构的示意图。

图3是根据本发明的某些实施例的三相耦合磁结构的示意图。

图4是根据本发明的某些实施例的包括耦合磁结构的系统的示意图。

图5是根据本发明的某些实施例的耦合磁结构中所使用的壶形芯的透视图。

图6是根据本发明的某些实施例的耦合磁结构中所使用的I-芯(I-core)的透视图。

图7是根据本发明的某些实施例的耦合磁结构中所使用的第一多匝线圈的透视图。

图8是根据本发明的某些实施例的耦合磁结构中所使用的第二多匝线圈的透视图。

图9是根据本发明的某些实施例的耦合磁结构的分解透视图。

图10是根据本发明的某些实施例的三相磁结构的分解透视图。

图11是根据本发明的某些实施例的流程图。

具体实施方式

出于解释而不是限定的目的，在以下的说明中，将详细阐述精确的细节，例如特定结构、体系结构、接口、技术等以提供一个对本发明各方面的完全的理解。然而，对于可受益于本发明公开的本领域技术人员来说很清楚，本发明的各方面可以脱离这些技术细节的其它示例来实施。在一些情况下，省略了对一些众所周知的装置、电路和方法的说明，以免不必要的细节模糊了对本发明的说明。

参考图1，耦合磁结构10包括限定了内部空间12的四面壶形芯11。一个或更多圆柱形芯13可布置在四面壶形芯11的内部空间12内。至少两个线圈14、15可分别缠绕在一个或更多圆柱形芯13周围。至少两个线圈14、15可以多相电能输送配置来连接。例如，图1示出了耦合磁结构10，其中线圈14、15配置为二相电能输送配置。

例如，所述至少两个线圈可包括至少两个多匝线圈。例如，图1示出了单个的圆柱形芯13，两个线圈14、15缠绕在单个的圆柱形芯13周围。在某些实施例中，单个的圆柱形芯可以是I-芯。在某些实施例中，四面壶形芯11可以是矩形形状的壶形芯(例如包括正方形的壶形芯)。

参考图2，耦合磁结构20包括限定了内部空间22的四面壶形芯21。在四面壶形芯21的内部空间22内布置一个或更多圆柱形芯23、26。在一个或更多圆柱形芯23、26周围可相应地缠绕至少两个线圈24、25。所述至少两个线圈24、25可以多相电能输送配置连接。例如，图2示出了耦合磁结构20，其中线圈24、25配置为二相电能输送配置。

例如，所述至少两个线圈24、25可包括至少两个多匝线圈。例如，图2示出了两个圆柱形芯23、26，两个圆柱形芯23、26中的每个周围缠绕一个线圈。在某些实施例中，所述两个芯23、26可以是I-芯。在某些实施例中，所述四面壶形芯21可以是矩形形状的壶形芯(例如包括正方形的壶形芯)。

参考图3，耦合磁结构30包括限定了内部空间32的四面壶形芯31。在四面壶形芯31的内部空间32内可布置一个或更多圆柱形芯33、36和37。至少两个线圈34、35和38可相应地缠绕在一个或更多圆柱形芯33、36和37周围。所述至少两个线圈34、35和38可以多相电能输送配置连接。例如，图3示出了耦合磁结构30，其中线圈34、35和38配置为三相电能输送配置。

例如，所述三个线圈34、35和38可包括三个多匝线圈。例如，图3示出了三个圆柱形芯33、36和37，所述三个圆柱形芯33、36和37的每个周围缠绕一个线圈。在某些实施例中，所述三个芯33、36和37可以是I-芯。在某些实施例中，四面壶形芯31可以是矩形形状的壶形芯(例如包括正方形的壶形芯)。在给出当前的详细说明的情况下，本领域技术人员可以意识到，依照本发明的某些实施例，为特定的应用目的，可以使用或多或少的芯和/或线圈作为必要或者理想的部件。

参考图4，电能输送系统40包括多相切换电路41、耦合到多相切换电路41的耦合磁结构42和连接到耦合磁结构42的输出的负载43。系统40还可包括连接在耦合磁结构42的输出和地之间的输出去耦电容44。依照本发明的某些实施例，耦合磁结构42可具有任何这里说明的配置，例如，包括限定了内部空间的四面壶形芯、布置在四面壶形芯内部空间内的一个或更多圆柱形芯以及相应地缠绕在一个或更多圆柱形芯周围的至少两个线圈，其中所述至少两个线圈以多相电能输送配置连接。例如，图4示出了二相电能输送系统。

例如，所述至少两个线圈可包括至少两个多匝线圈。例如，耦合磁结构42可包括单个的圆柱形芯，每个所述至少两个线圈缠绕在单个的圆柱形芯周围(如图1所示)。例如，所述一个或更多圆柱形芯可包括两个或更多的圆柱形芯，至少一个线圈缠绕在每个所述两个或更多圆柱形芯周围(如图2和3所示)。在系统40中，所述芯可以是I-芯而四面壶形芯可以是矩形形状的壶形芯。

通常情况下，电能输送系统40可以如以下所述、操作为直流-直流变换器。控制电路可以控制切换电路41中的开关的占空因数，从而将输出电压调节在一个特定的范围内。可以在地和耦合磁结构42之间连接所述开关，以便在相应的开关打开时提供电流通路。可以使用多相交叉结构以处理较大的电流。在直流-直流降压变换器(step-downconverter)40中，所述耦合磁结构为每一个相位提供了感应器。每个相位各处理一半的输出电能。如图4所示，系统40可以设计为只有一个三端子的芯。

参考图5到图9，本发明的某些实施例可以为多相稳压器提供耦合磁结构。具有优势的是，本发明的某些实施例可以以低成本和较简单的制作工艺实现耦合感应电路。在某些实施例中，耦合磁结构90可以由以下部件制造，具有单独的线圈70、80和I-芯60的壶形芯结构50。对于二相稳压器，两个线圈70、80可以缠绕在所述I-芯60周围，然后布置在矩形形状或正方形的壶形芯50的内部。

有利地是，所有这些部件都可以先分别制造，然后组装。因此，制造成本比例如环形耦合磁结构低。有利地是，线圈的匝数可以根据提供需要的电感值所需匝数来调整。而且，某些实施例中的多匝线圈在提供高电感上具有优势。相应地，本发明的某些实施例可以比某些H-芯(H-core)耦合磁结构(此结构可能被限制于单匝线圈)提供更大的设计灵活性和更高的电感。

如图9所示，可以将两个线圈70、80堆叠在I-芯60上，并且连接在共同的端子处以提供二相耦合磁结构90。当组装完成以后，壶形芯50包含了线圈70、80并且可提供低磁阻的磁通路，这样磁通量可以基本上包含在耦合磁结构90内。线圈70、80都可以共享相同的磁通路。因此，可以减少和最小化线圈70、80之间的不平衡。因为线圈70、80和壶形芯50之间的空间提供了高磁阻，也可以减少和最小化线圈70、80和外层芯50之间的磁链接(magnetic link)。

并非限定本发明的范围，壶形芯通常有围绕着开放的内部空间的高而薄的侧。矩形形状的壶形芯有立方体的形状，并且移除两个相对面，留下四个垂直的面围绕着开放的内部空间(如图5中的壶形芯50)。并非限定本发明的范围，I-芯与圆柱棒形条状芯相似，但是有基本上为矩形形状的、平坦的侧(如图6中的I-芯60)。

参考图10，另一个耦合磁结构100可以包括三个I-芯，三个I-芯的每个周围都缠绕多匝线圈。三个线圈可连接在相同端子以提供三相耦合磁结构。

如这里说明，本发明的某些实施例可以提供制造相对比较简单的耦合磁结构，同时可以控制线圈的耦合系数。例如，本发明的某些实施例尤其适合需要大负载电流阶跃的负载，如处理器或其它高密度集成电路。有利地是，本发明的某些实施例可以减少输出处的等效电感，因此使更高带宽的稳压器的设计成为可能，同时大大减少印刷电路板上电能输送的成本和面积。

另外，本发明的某些实施例可以提供非常快的电感电流转换速率，因此允许非常浅的负载线路容量(load-line capability)。例如，提供给负载(如计算机中央处理器CPU)的直流输出电压可以更低。因此，本发明的某些实施例可以为计算机中央处理器CPU提供功率减小的机会，无论CPU处在普通模式还是处在热设计功耗(TDP)模式下。本发明的某些实施例可以提供小或最小的封装方案(footprint solution)，这些方案不需要转换非常快(如＞＞300,000赫兹)的稳压器，因此使高效率的设计成为可能。

参考图11，本发明的某些实施例涉及分别提供限定了内部空间的四面壶形芯和一个或更多圆柱形芯(如方框110所示)，分别提供限定了内部空间的四面壶形芯和一个或更多圆柱形芯(如方框111所示)，确定为了向目标应用提供多相电能所需要的匝数(如方框112所示)，根据已确定的匝数，在所述一个或更多圆柱形芯周围缠绕至少两个导线(如方框113所示)，在四面壶形芯的内部空间内放置连同所述至少两个线圈的一个或更多圆柱形芯(如方框114所示)，以及配置所述至少两个线圈以提供多相电能(如方框115所示)。

例如，所确定的匝数可大于1(如方框116所示)。在某些实施例中，所述一个或更多圆柱形芯可以包括单个的圆柱形芯并且在所述单个的圆柱形芯周围缠绕所述至少两个线圈的每一个(如方框117所示)。在某些实施例中，所述一个或更多圆柱形芯可以包括两个或更多的圆柱形芯并且在所述两个或更多的圆柱形芯中的每一个的周围缠绕至少一个线圈(如方框118所示)。在某些实施例中，所述一个或更多圆柱形芯可以包括一个或更多I-芯(如方框119所示)。

本发明的上述和其它方面已经单独和结合实现。不应将本发明理解为需要包含两个或两个以上的这些方面，除非有特定的权利要求明确地提出这样的需要。此外，虽然对本发明的说明是与当前被认为是优选的示例相结合的，但应该理解的是，本发明不局限于已披露的示例，相反，本发明应包含在本发明的本质和范围内的各种修改和等价的设置。

Claims (11)

1.一种装置，包括：

第一端子；

第二端子；

第三端子；

磁结构，所述磁结构包括：

四面壶形芯，所述四面壶形芯限定了内部；

一个或更多圆柱形芯，完全地布置于所述四面壶形芯的内部空间；

第一线圈和第二线圈，分别缠绕在所述一个或更多圆柱形芯周围，其中所述第一线圈耦合到所述第一端子，所述第二线圈耦合到所述第二端子；以及

所述磁结构的输出，耦合到所述第三端子；

多相切换电路，耦合到所述第一端子和所述第二端子；

电容，耦合到所述第三端子和地；以及

负载，耦合到所述第三端子和地。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述四面壶形芯包括矩形形状的壶形芯。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述第一线圈和第二线圈包括两个多匝线圈。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或更多圆柱形芯包括一个或更多I-芯，所述I-芯具有基本为矩形的、平坦的侧。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或更多圆柱形芯包括单个的圆柱形芯以及其中所述第一线圈和第二线圈中每一个缠绕在所述单个的圆柱形芯周围。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述单个的圆柱形芯包括I-芯，所述I-芯具有基本为矩形的、平坦的侧。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或更多圆柱形芯包括两个或更多的圆柱形芯，以及在所述两个或更多的圆柱形芯中的每一个周围缠绕至少一个线圈。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述一个或更多圆柱形芯包括一个或更多I-芯，所述I-芯具有基本为矩形的、平坦的侧。

9.如权利要求1、3-7中任何一项所述的装置，其中所述四面壶形芯具有立方体形状，两个相对面移除，留下四个垂直面围绕所述内部为开放内部。

10.如权利要求1-7中任何一项所述的装置，其中所述内部是开放内部。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述开放内部由高而薄的侧围绕。

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