TWI234065B

TWI234065B - Power delivery system for a microprocessor

Info

Publication number: TWI234065B
Application number: TW091108596A
Authority: TW
Inventors: Robert Allen Kirker; Brian Patrick Costello
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2005-06-11
Also published as: US7222243B2; CN1307776C; CN1384590A; US20020162039A1

Description

1234065 五、發明說明α) 【發明之技術領域】本發明係有關於電子電路功率輸送之改良，尤其，本發明係有關於一種用於微處理器之功率輸送系統。【發明背景】與先前的微處理器及積體電路比較起來，目前的微處理器及相關的積體電路通常都需要較高的功率位準。因為需要較高的功率，所以目前的微處理器通常都會汲取較高的電流。舉例來說，大部份的微處理器都需要約1 0 0安培的電流才能正確地工作。另外，現在的微處理器切換電流的速率非常的快，如在1微秒或更短時間内便可從0安培切換至1 0 0安培。總括來說，因為現在的微處理器係在高速下操作，所以通常需要比以前更大的功率數值。典型的情形是，微處理器可在較低的電壓例如3. 3伏特下操作，但是卻可更快速地操作。雖然，只需要低電壓，但是，微處理器的能力及速度的提昇卻會消耗更大的功率數值。目前微處理器的低電壓需求通常會需要一局部化的功率轉換器，例如直流一直流轉換器，以便降低前述微處理器所在的主機板的供應電壓。典型的情形是，前述功率轉換器會焊接至前述主機板或透過連接器插入前述主機板。接著，前述低電壓會經由主機板中的導體或印刷電路線路傳送至需要前述低電壓的元件例如微處理器的連接器中。大部份-的功率輸送系統及功率轉換器都安裝在線路板或模組中。接著，前述模組或線路板則會插入至前述主機

第6頁 1234065 五、發明說明（3) 但是，前述功率轉換器及專用的界面元件必須要有適當的主機板連接器，其包括至少一功率轉換器連接器及一微處理器插座調整片。因為使用到額外的元件，所以此系統的成本通常會高於其它的系統。另外，當元件需要保養或維修時，此系統會有問題。因為使用到額外的、專用的部件及元件，所以當其中一個專用的部件損壞時，通常無法以替代的元件取代。另外，使用各種元件會降低前述系統的可靠度。每個額外的元件及部件都容易受到故障的影響。典型的情形是，如果有一個元件或部件故障的話，則整個系統都會故障。所以，有越多的元件或部件通常會增加系統故障的風險。其中一項欲解決的問題，係如何提供一種比目前系統更便宜及更可靠的用於電子電路之功率輸送系統。此問題可藉由申請專利範圍第1項之功率輸送系統來解決。【發明概要】本發明揭示一種用於將功率從功率供應器供應至安裝在主機板上之積體電路的系統。前述系統包括具有第一面及第二面的主機板。一積體電路（1C)，其具有安裝在前述主機板之第一面上的功率供應接點。一功率轉換器係安裝在前述主機板的第二面上。前述功率轉換器從電源供應接收第一直流電壓功率功率，並且將前述第一直流電壓轉換成第二直流電壓。前述功率轉換器包括功率轉換器接點，用於與前述I C功率供應接點通連，以便將前述第二直流電

第8頁 1234065 五、發明說明（4) 壓提供給前述I C。【發明詳細說明】圖一係顯示根據本發明較佳具體實施例所形成的功率模組系統1 0 0之俯視分解立體圖。前述功率模組系統1 0 0包括：功率轉換器1 1 〇 ;主機板1 3 0 ;及散熱片1 5 0，其包括散熱片螺絲1 5 2及位於前述散熱片1 5 0周圍的開孔1 5 4。前述功率轉換器1 1 〇可支撐前述主機板1 3 0，其接著會支撐散熱片1 5 0 。圖二係顯示根據本發明較佳具體實施例所形成的功率轉換器1 1 0之俯視立體圖。前述功率轉換器1 1 0包括··功率轉換器上表面1 1 2及向上延伸的散熱片定位桿1 1 4。定位桿 1 1 4係沿著主機板1 3 0的開孔1 4 8及散熱片1 5 0的開孔1 5 4配置。當組裝時，定位桿1 1 4會以螺旋方式與前述散熱片螺絲1 5 2嚙合以便在前述散熱片1 5 0與功率轉換器1 1 0之間形成一壓縮連接。前述功率轉換器1 1 0亦包括：壓縮界面 1 1 6、功率連接器遮蓋1 2 2及側邊排氣孔1 2 8。前述壓縮界面1 1 6係位於前述功率轉換器1 1 0的上表面1 1 2並且與前述上表面1 1 2齊平壓縮以便讓前述功率轉換器1 1 0實質齊平地與主機板130的一側緊靠在一起。或者，前述壓縮界面116 可能反向凹陷與前述上表面112齊平。若有需要，前述壓縮界面1 1 6可位於前述安裝定位桿1 1 4的中心以確保會有均勻的的力量施加在前述壓縮界面116上。前述壓縮界面116 包括功率轉換器接點1 8，若有需要，其會以行與列的方式對齊排列。前述功率轉換器接點1 8可包括：輸入功率引

第9頁 1234065 五、發明說明（5) 線、輸出功率引線及控制輸入/輸出線路。功率轉換器1 1 0 將會參考圖三及圖四作進一步的說明。再次參考圖一，主機板1 3 0包括：主機板第二側1 3 2、主機板第一側1 3 6及與安裝定位桿1 1 4對齊的安裝螺栓開孔 1 4 8。前述主機板第一側1 3 6包括積體電路（I C )插座1 3 8，其可用以固定1C 140。前述1C插座138包括功率供應接點，其包括輸入及輸出引線從前述插座1 3 8向下延伸經由前述主機板中的通道連接前述主機板1 3 0。或者，主機板 130可包括穿透孔，讓輸入及輸出引線從前述插座138由前述主機板1 3 0的相反側（第二側1 3 2 )突出。I C 1 4 0會經由I C 插座1 3 8連接至前述主機板。前述I c 1 4 0含有一微處理器 (未顯示），其可經由平面格柵陣列（L G A )、針狀格栅陣列 (P G A )、，球狀格栅陣列（B G A )及類似的方式與I C 1 4 0的電路板連接。 I C 1 4 0會經由I C插座1 3 8連接至前述主機板1 3 0。較佳者為’前述I C插座1 3 8係具有導體材料的塑膠可壓縮件，其能夠在I C 1 4 0及主機板1 3 0提供電氣路徑，如泰科電子公司（Tyco Electronic Inc·)的MPI界面。或者，前述Ic 插座1 3 8可能係另一個傳導電流的可壓縮材料。前述主機板1 3 0中的通道可將主機板第一側丨3 6電氣連接至主機板第二側1 3 2。當前述I C 1 4 0連接至前述主機板丨3 〇時，通道例如連通穿透通道之類，會經由主機板第一側丨3 6延伸並且連接至主機板弟一側1 3 2中的焊接塾。主機板第二側1 3 2中的焊接墊會與前述功率轉換器11〇的壓縮界面H6對齊定

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、板13〇 ’當前述IC 140透過1C插座138連接至前述主機 I C 1 4 〇後功率轉換裔1 1 〇的壓縮界面1 1 6便可接收前述 1 3 0 < :^的功率供應接點。當前述I C 1 4 0連接至前述主機板板第」’前述1 c 1 4 0的功率供應接點便會穿過前述主機工力率供^ 1 3 6並且從前述主機板第二側1 3 2突出。因為前述以，於4接點會從前述主機板第二側1 3 2向外延伸，所供應^ ^功率轉換器1 1 0的壓縮界面1 1 6可以接收前述功率

主機板1 3 0係安裝在功率轉換器丨丨〇的最上方。主機板 1 3 0的安裝螺栓開孔1 4 8可讓前述主機板第二側丨3 2將前述壓縮界面116壓縮在功率轉換器上表面112中。當前述主機板第二側1 3 2接觸到前述壓縮界面丨丨6並且壓縮在功率轉換器上表面1 1 2時’此壓縮動作可將前述主機板第二側丨3 2電氣連接至^述功率轉換器上表面112。前述壓縮界面116的功率轉，為接點1 1 8會與主機板第二側丨3 2中的焊接墊及功率轉換裔上表面1 1 2中的焊接墊對齊。或者，前述壓縮界面1 1 6的功率轉換為接點1 1 8可與前述丨c丨4 〇中的功率供應接點對齊並且接收。較佳者為，前述壓縮界面丨丨6係具有導體材料的可壓縮塑膠件，其可在功率轉換器n〇及主機板之間提供電氣路徑。或者，前述壓縮界面丨丨6可能係另外一種壓縮類型的界面，如短v接點或點。當主機板1 3 0連接至前述功率轉換器丨丨〇之後，便可將

第11頁 1234065 五、發明說明（7) 散熱片1 5 0放置在I c i 4 〇的最上方。散熱片1 5 0的開孔1 5 4 可讓散熱片1 5 0從散熱片安裝定位桿1 1 4下滑並且直接與I c 1 4 0接觸。當散熱片1 5 0放置在前述I C 1 4 0上面之後，便可透過散熱片螺絲1 5 2安裝前述散熱片1 5 0。散熱片安裝定位桿1 1 4會接收前述散熱片螺絲1 5 2，前述散熱片安裝定位桿 1 1 4係經由安裝螺栓開孔丨4 8穿過主機板1 3 0往散熱片1 5 0延伸並且經由開孔1 5 4進入前述散熱片。當散熱片1 5 〇已經放置在前述1C 140上面之後，其接著會放置在功率轉換器 1 1 0上面，便可將散熱片螺絲丨5 2放置在開孔丨5 4並且放置在散熱片安裝定位桿1 1 4之上。散熱片螺絲1 5 2會以螺旋方式將前述散熱片1 5 0朝I C 1 4 0旋緊。因為散熱片安裝定位桿1 1 4係位於功率轉換器上表面丨丨2上，所以，將前述散熱片1 5 0朝散熱片安裝定位桿i ! 4旋緊，可以將前述散熱片 1 5 0與功率轉換器1 1 〇壓縮在一起，同時可以將前述丨c j 4 〇與插座1 3 8壓縮在一起。主機板丨3 〇係壓縮在散熱片丨5 〇與功率轉換器1 1 0之間。亦即，主機板第一側丨3 6會壓縮至前述散熱片1 5 0，而主機板第二側1 3 2則會壓縮至前述功率轉換器上表面1 1 2。在操作中’功率轉換器1 1 〇會從位於第一直流電壓的功率供應^§(未顯示）接收功率。前述功率轉換器1 1 〇會透過前述壓縮界面1 1 6接收第一直流電壓。前述功率轉換器 1 1 0會將前述第一直流電壓轉換成第二直流電壓，透過前述壓縮界面1 1 6提供給I c 1 4 0。亦即，前述壓縮界面丨丨6的功率轉換器接接點1 1 8可將第二直流電壓傳輸至附近的j c

第12頁 1234065 五、發明說明（8) 1 4 0的功率轉換器接點1 1 8。散熱片1 5 0可接收丨c 1 4 〇所產生的過多的熱能。功率轉換器1 1 0相對於I C 1 4 0的位置，可在前述功率轉換器1 1 0與I C 1 4 0之間提供短電氣路徑。前述功率轉換姦1 1 0與I C 1 4 0之間的短電氣路徑可於高電流下以低電感值與低電阻值提供功率給I c 1 4 0中的微處理器。 “ 圖二係顯示根據本發明較佳具體實施例所形成的功率轉換為110之俯視分解立體圖。功率轉換器包括：遮蓋孔3 0 4、主印刷電路板31〇、墊板33〇、電容器印刷電路板 3 4 0及前述壓縮界面丨丨6。圖三中顯示的係前述主印刷電路，第一側3 1 4、墊板第一側3 3 6、功率轉換器上表面1 1 2及壓縮界面第一側3 6 4。圖四係顯示根據本發明較佳具體實施例所形成的功率轉換器1 1 〇之仰視分解立體圖。圖四中顯示的係前述主印刷電路板3 1 〇的第二側3 1 2、墊板3 3 0的第二側3 3 2、電容器印刷電路板3 4 0的第二側3 4 2及壓縮界面1 1 6的第二侧3 6 0 。前述主印刷電路板3丨〇包括：第二側3丨2 ;第一側 3 1 4 ;及連接孔3 2 4，其係用以讓遮蓋螺絲3 0 2穿過。前述第一側3 1 4包括··半導體3 1 6、降壓變壓器3 1 8、電容器3 2 0 及安裝其上的連接插座3 2 2。圖五與圖六係墊板3 3 0的更詳細部份。墊板3 3 0包括第一側3 3 6及一第二側3 3 2。墊板33〇的第二側3 3 2包括遮蓋安裝定位桿3 3 4。墊板3 3 0的第一側3 36包括散熱片安裝定位桿 1 1 4 。

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哭刚述電容器印刷電路板34 〇包括：第二側3 4 2 ;功率轉 ί二上ί面丨1 2 ’及連接孔3 5 4 ’其係用以讓遮蓋螺絲3 0 2 牙k 别述電谷為、印刷電路板3 4 0的第二側3 4 2包括連接線 ”二5，其上延伸的電容器組34 6。前述功率轉換器上表面 1 1 : '括線路3 5 2。前述壓縮界面丨丨6包括：第二側3 6 〇 ;具功率壓縮接點1 1 8的第一側3 6 4 ;及凹口 3 6 6，其係用以讓月欠熱片女裝定位桿1 1 4穿過。 ^ 遮f 122可支撐前述主印刷電路板310。前述墊板3 30 係位於雨述主印刷電路板3 1 0及電容器印刷電路板3 4 0之間。塾板3 3 0可確保功率轉換器丨丨〇能夠安全地固定在一起。、塾板330的遮蓋安裝定位桿334會透過連接孔324穿過前述主印刷電路板31〇而延伸至前述遮蓋122。前述遮蓋安裝定位桿334會與遮蓋連接孔3〇4對齊。前述遮蓋安裝定位桿3 34+會接收前述遮蓋螺絲3〇2，其可經由遮蓋連接孔3〇4 與遮蓋安裝定位桿3 3 4嚙合。前述遮蓋螺絲3 〇 2可確保墊板 330固定在遮蓋122中。因為前述主印刷電路板31〇係位於前述塾板330及遮蓋122之間，所以，當前述墊板33〇的遮蓋安裝定位桿3 3 4透過前述遮蓋螺絲3 〇 2確實地旋緊至遮蓋 1 2 2時’便可確保前述主印刷電路板3 1 〇係位於遮蓋丨2 2 内。前述墊板3 3 0的散熱片安裝定位桿1 1 4會透過連接孔 3 5 4穿過鈾述電容器印刷電路板3 4 0。前述散熱片安裳定位桿114會穿過連接孔354向上延伸穿過前述壓縮界面116的

第14頁 1234065 五、發明說明（ίο) 凹口 366。前述壓縮界面116的凹口366的位置可讓前述壓縮界面1 1 6與每根散熱片安裝定位桿丨丨4鄰接，並且確實地適合放置在散熱片安裝定位桿1 1 4所界定的區域内。因為前述電容器印刷電路板3 4 0係位於墊板3 3 0與壓縮界面1 1 6 之間’所以當前述壓縮界面1 1 6透過凹口 3 6 6被散熱片安裝定位桿1 1 4固定時，前述電容器印刷電路板3 4 〇便可牢固地安裝在前述墊板3 3 0與壓縮界面1 1 6之間。

前述電容器印刷電路板3 4 0可透過連接插座3 2 2，其可接收前述電容器印刷電路板3 4 0的連接線3 44電氣連接至前述主印刷電路板3 1 0。接著，前述連接線3 4 4可電氣連接至前述功率轉換器上表面1 12中的線路3 5 2。當前述壓縮界面 116及功率轉換器上表面112壓縮在一起時，前述壓縮界面 1 1 6的功率轉換器接點1 1 8便會接觸前述線路3 5 2，從而在前述壓縮界面1 1 6與功率轉換器1 1 〇之間形成一電氣路徑。

除了能夠將功率轉換器1 1 0牢牢地固定在一起之外墊板3 3 0亦可支撐前述功率轉換器1 1 〇。前述功率轉換器 1 1 0内的各種元件的壓縮作用可在功率轉換器丨丨〇内產峰麻力及張力。另外，前述功率轉換器最上方的。主機°:丄生及應主機板1 3 0最上方的散熱片1 5 0，會對前述功率轉換器1 1 〇 k成更大的應力及張力。塾板3 3 0可貫體支撐功率轉換哭 1 1 0，從而防止在各種元件的壓縮作用所產生的應力及張力下造成前述功率轉換器1 1 0的凹縮及彎曲。半導體316、降壓變壓器318、電容器320及連接插座 3 2 2皆固定在前述主印刷電路板3 1 〇的第一側3丨4，較佳者

第15頁 1234065 五、發明說明（11) -- ί九焊接連接的方式。此外’電容器組3 4 6及連接線 ί係焊接至前述電容器印刷電路板34。的第二側 342。。。則述電容器印刷電路板34〇的電容器組係位於容益'印刷電路板34〇的第二側342，位在前述功率轉換器上表面1 1 2的下方。當前述壓縮界面丨16與功率轉換哭1 1、〇°°壓縮在一起時，前述電容器組3 4 6便會電氣連接至線1路152，其接著會電氣連接至功率轉換器接點丨丨8。當主機板1 3 0放置在前述功率轉換器1 1 〇附近並壓縮在一起時，電容器組3 4 6便落在1C 140的鄰近範圍内。若有需要，前述電容器組3 4 6可能位於電容器印刷電路板3 4〇的邊緣處’而非直接位於前述I C 1 4 0的微處理器下方。或者’前述電容器組3 4 6可能直接位於前述I c 1 4 0的微處理姦下方。換言之，可將塾板3 3 0的中央部份挖除，以提供空間放置前述電容器組3 4 6，俾從前述電容器印刷電路板 3 4 0的第二側3 6 0向下延伸。在操作中，功率轉換器1 1 〇會從位於第一直流電壓的功率供應器（未顯示）接收功率。前述功率轉換器丨丨〇會透過壓縮界面1 1 6接收第一直流電壓。前述第一直流電壓會經過壓縮界面1 1 6的功率轉換器接點1 1 8及經過功率轉換器上表面1 1 2中的線路3 5 2傳送。接著，前述連接線3 4 4會從線路3 5 2接收第一直流電壓。接著，前述主印刷電路板第一側3 1 4中的連接插座3 2 2會接收第一直流電壓。接著，前述降壓變壓器3 1 8會透過前述主印刷電路板第一側3 1 4中的線路（未顯示）接收第一直流電壓。接著，前述降壓變壓器

第16頁 1234065 五、發明說明（12) 318會將第一直流電壓轉換成第二直流電壓。前述半導體 3 1 6可控制前述邏輯及功率輸入與輸出操作。接著，前述連接插座3 2 2會透過主印刷電路板第一側3 1 4中的線路接收第二直流電壓。接著，前述連接線3 4 4會從前述連接插座 3 2 2接收第二直流電壓並且將第二直流電壓傳輸至線路 3 5 2。接著’線路3 5 2會將第二直流電傳輸至功率供應接點 118° 當電流進行切換時，功率轉換器丨丨〇的速度不夠快，以致於無法供應高電流位準給前述I c丨4 0的微處理器。在非常快速下，如1微秒或更快，從低電流切換至高電流例如0安培至1 0 0安培或更高，可能會使得前述功率轉換器無法提供相當恆定的電壓給前述I c 1 4 0的微處理器。電容器組3 4 6的電谷器可用以保持I c 1 4 0處於相當恆定的電壓。，容器組3 4 6可儲存從前述主印刷電路板3丨〇所接收到的能量。源自鈾述主印刷電路板3 1 〇的能量會從連接插座3 2 2傳送至連接線3“。接著，線路3 5 2便會“接連線接3^^ 述能量，並且將前述能量分配至電容器組34 6的電容器。前述電容器組346的電容器可在電流切換期間供應額外的能量給前述1C 140的微處理器。在暫態期間，當電流安培切換至丨〇〇安培時，儲存在前述電容器組346中的月:量可供應前述1C 14〇所需要的額外能量。較 =率^換器^。可在i/2伏特至2伏特之間的電壓下供應 =率給刖述電今态組34 6。在快速的電流暫態期μ 電容器組346中的電容器可供應能量給前訊14〇的微處

1234065 五、發明說明（13) 理器，以便保持前述微處理器的電壓，直到前述功率轉換器1 1 0能夠響應重新充電電容器組34 6並提供相當恆定的電壓給前述1C 140為止。前述電容裔組3 4 6可透過線路3 5 2將能量傳輸至壓縮界面1 1 6的功率轉換器接點1 1 8。主機板丨3 〇的焊接塾及通道可連接前述I C插座1 3 8中的功率接點，其接著會連接至前述1C 140。或者，前述1C 140功率供應接點丨42可從壓縮至功率供應接點1 4 2的功率轉換器接點1 1 8中接收能量。從前述電容器組3 4 6的電容器傳輸至丨C ! 4 〇的能量，可保持鈾述I C 1 4 0及I C 1 4 0内微處理器相當恆定的供應電壓。在快速的電流切換期間，傳送至丨C 1 4 〇的輪出電壓的變化會小於5%。所以，前述電容器組3 4 6可防止從功率供應器傳送至1C 140的輸入電壓的變化太大。部份因為前述功率轉換器1 1 〇位於I C 1 4 0下方的位置的關係，所以可以將電感值及電阻值降低至最小程度。因為前述功率轉換器1 1 0及I C 1 4 0的微處理器係透過短線路連接’所以可將與因為長線路所造成的電感值及電阻值相關聯的問題降低至最少的程度。因為前述功率轉換器i i 〇與電容器組3 4 6與I c 1 4 0的近距鄰接，所以可利用低電感值及電阻值進行高電流切換。因為前述I c 1 4 〇及丨c 1 4 〇内的微處理器與功率轉換器1 1 〇及與電容器組3 4 6的近距鄰接，縮短了前述I C 1 4 0、功率轉換器1 1 〇及電容器組3 4 6之間的線路距離。線路越短，電感值及電阻值就越低。

另外，將電容器組346放置在1C 140下方可提供1C

第18頁 1234065 五、發明說明（14) 1 4 0更佳的氣流。因為前述電容器組3 4 6係位於前述丨c 1 4 〇下方’所以電容器組3 4 6不會阻隔流入微處理器及I c丨4 0 之其它元件的氣流。所以，藉由將電容器放置在丨c 1 4 〇下方’从處理器的周圍區域係暢通的，並且在I C 1 4 〇的周圍會有更多的氣流，從而可冷卻IC 14 0。所以，藉由氣流更有效地冷卻I C 1 4 0，便可使用更小型的、更輕的及成本更低的散熱片1 5 0來冷卻前述I C 1 4 0。或者’前述電容器組3 4 6可放置在各種其它位置。例如’前述電容器組3 4 6可放置在前述主機板丨3〇第一側136 或第二側1 3 2的外側邊緣。另外，前述功率轉換器1 1 0的側邊排氣孔1 2 8可提供功率轉換器1 1 0内部的氣流。因為前述側邊排氣孔1 2 8係位於功率轉換器1 1 0的側邊，所以可供應與I C 1 4 0周圍氣流不同的氣流給功率轉換器1 1 0。亦即，當供應功率給丨c 1 4 〇時，I C 1 4 0便會加熱周圍氣流並且可能引發額外的熱問題。將排氣孔1 2 8放置在功率轉換器1 1 〇的側邊，可提供兩種不同氣流用以進行熱管理··一道係流至功率轉換器1丄〇的氣流；另一道則係流至I C 1 4 0的氣流。所以，並非利用被前述I C 1 4 0所加熱的氣流冷卻前述功率轉換器1 1 〇。

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Claims

1234065 六、申請拳利範圍 1、一種用於將功率從功率供應器供應至安裝在主機板上之積體電路的系統，前述系統包括：主機板，其具有第一側及第二側；積體電路，其係安裝在前述主機板的第一側上，前述積體電路包括積體電路功率供應接點，其特徵為：一功率轉換器，係安裝在前述主機板之第二側上，從電源供應接收第一直流電壓功率功率，並且將前述第一直流電壓轉換成第二直流電壓，前述功率轉換器包括功率轉換器接點，用於與前述積體電路功率供應接點通連，以便將前述第二直流電壓提供給前述積體電路。參

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