TWI897001B - 具有夾層結構的電源模組 - Google Patents

Abstract

本揭露提供了一種電源模組，包括至少一個電感模組，印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)頂板，以及至少一對功率裝置晶片。其中PCB頂板位於電感模組上方，功率裝置晶片位於PCB頂板上方。電源引腳和訊號引腳為包裹電感模組的金屬片，用於連接PCB頂板和電感模組所處的電路板。本發明電源模組的結構簡單，集成度高，模組高度低，電流路徑較短，功率損失較小，使用所述電源模組的處理器系統的散熱更佳。

Description

具有夾層結構的電源模組

本揭露的實施例是關於電子裝置，更具體地說，本發明是關於電源模組。

通常，電源轉換器用於將輸入功率轉換成具有合適電壓和電流的輸出功率提供給負載。多相電源轉換器包括多個並聯且錯相工作的功率級，因此其具有輸出電壓漣波小，瞬態反應快以及對輸入電容的額定漣波電流要求低的優點。由於上述優點，多相電源轉換器被廣泛應用於輸出大電流，低電壓的應用中，例如伺服器，微處理器等。

現代圖形處理器(GPU)、中央處理器(CPU)的快速發展，對多相電源轉換器的電流能力提出了越來越高的要求。與此同時，這些處理器的體積則越做越小，也就是說，多相電源轉換器的體積相應地需要減小。越來越大的電流，越來越小的體積，又使得多相電源轉換器的散 熱遇到了更高的挑戰。也就是說，需要有一種高電流密度、高效率並且具有出色的散熱能力的電源轉換器。

本揭露的目的是提供一種具有夾層結構的電源模組，所述電源模組將電感、功率開關和驅動器堆疊集成於一個較小的電源模組中。

根據本揭露的實施例，提出了一種電源模組，包括至少一個電感模組、印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)頂板以及至少一對功率裝置晶片。每個電感模組都包括一個磁芯和兩個穿過磁芯的線圈。PCB頂板位於至少一個電感模組之上。功率裝置晶片位於PCB頂板之上，其中每一對功率裝置晶片位於對應的電感模組上方的PCB頂板之上，且每個功率裝置晶片的至少一個引腳通過PCB頂板連接至相應的電感模組的對應的線圈。其中每個電感模組都被多個金屬片包裹，其中金屬片配置為電源引腳和訊號引腳，用於連接PCB頂板和電感模組所在的電路板。

根據本揭露的實施例，還提出了一種處理器系統，包括電源模組、主機板、負載以及頂部冷卻系統。電源模組，包括至少一個電感模組、PCB頂板以及至少一對功率裝置晶片。每個電感模組都包括一個磁芯和兩個穿過磁芯的線圈。PCB頂板位於至少一個電感模組之上。功率裝置晶片位於PCB頂板之上，其中每一對功率裝置晶片 位於對應的電感模組上方的PCB頂板之上，且每個功率裝置晶片的至少一個引腳通過PCB頂板連接至相應的電感模組的對應的線圈。其中每個電感模組都被多個金屬片包裹，其中金屬片配置為電源引腳和訊號引腳，用於連接PCB頂板和電感模組所在的電路板。負載位於主機板之上。頂部冷卻系統位於負載和電源模組上方。其中電源模組位於主機板之上靠近負載的位置，用於給負載供電。

根據本揭露的實施例，還提出了一種電感模組，包括磁芯、至少一個線圈以及多個金屬片。磁芯包括至少一個通道。至少一個線圈分別穿過磁芯相應的至少一個通道。金屬片覆蓋於磁芯上。其中每個金屬片都呈C型且包裹磁芯的一部分側面，並具有一第一端和一第二端。其中彎折的第一端覆蓋在磁芯的一部分頂部，以及彎折的第二端覆蓋在磁芯的一部分底部，其中金屬片配置為電源引腳和訊號引腳。

在本揭露的實施例中，電源模組具有結構簡單，集成度高，模組高度低，電流路徑較短，功率損失較小的優點，且配置所述電源模組的處理器系統的散熱效果更佳。

101:控制器

102:功率級

103:功率裝置

104:負載

140:電感模組

170,180:處理器系統

1701:主機板

1702:電源模組

1703:負載

1704,1804:頂部冷卻系統

1804-1:容器

1804-2:管道

M1,M2:功率開關

DR1:驅動器

L1,80,90,100:電感

20,150,160:電源模組

201,1501,1601:PCB底板

202,1502,1602:PCB頂板

203:功率裝置晶片

204:連接器

205:金屬柱

206:電感組

207,304-1,304-2,404-1,404-2,504-1,504-2,802-1,802-2,902-1,902-2,1002-1,1002-2,1102-1,1102-2,1412,1413:線圈

208:元件

209,305-1,305-2,405-1,405-2,505,803-1,803-2,805-1,805-2,1203-1,1203-2,1204,1304-1,1304-2,1401~1408:金屬片

30,40,50,110:電感組

301,302,401,402,501,502,601,602,701,702,703-1,703-2,703-3:磁芯部分

303-1,303-2,403-1,403-2,503-1,503-2,704-1,704-2,801-1,801-2,901-1,901-2,1001-1,1001-2,1101-1,1101-2:通道

304-3,304-4,304-5,304-6,404-3,404-4,404-5,404-6,504-3,504-4,504-5,504-6:端點

301-1,401-1,501-1:面

60,70,801,901,1001,1101,1415:磁芯

801-3,801-4,901-3,901-4,1001-3,1001-4,1101-3,1101-4,1415-1,1415-2,1415-3,1415-4:表面

804-1,804-2:隔離層

902-A,902-B,902-C,1102-A,1102-B,1102-C:線圈部分

105-1~105-N:控制信號

為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本揭露進行詳細描述。

[圖1]繪示了現有的多相電源轉換器10的電路結構示 意圖；[圖2]繪示了根據本發明一實施例的集成了雙相電源轉換器的具有夾層結構的電源模組20的結構示意圖；[圖3]繪示了根據本發明一實施例的電感組30的三維分解圖；[圖4]繪示了根據本發明一實施例的電感組40的三維分解圖；[圖5]繪示了根據本發明一實施例的電感組50的三維分解圖；[圖6]繪示了根據本發明一實施例的磁芯60的結構示意圖；[圖7]繪示了根據本發明一實施例的磁芯70的結構示意圖；[圖8]繪示了根據本發明一實施例的電感組80的三維分解圖；[圖9]繪示了根據本發明一實施例的電感組90的三維分解圖；[圖10]繪示了根據本發明一實施例的電感組100的三維分解圖；[圖11]繪示了根據本發明一實施例的電感組110的三維分解圖；[圖12]繪示了根據本發明一實施例的電感組120的三維分解圖；[圖13]繪示了根據本發明一實施例的電感組130的三 維分解圖；[圖14]繪示了根據本發明一實施例的電感模組140的結構示意圖；[圖15]繪示了根據本發明一實施例的電源模組150的結構示意圖；[圖16]繪示了根據本發明一實施例的電源模組160的結構示意圖；[圖17]繪示了根據本發明一實施例的處理器系統170的結構示意圖；[圖18]繪示了根據本發明一實施例的處理器系統180的結構示意圖。

在附圖中，相同或對應的標號被用以表示相同或對應的元件。

下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域具有通常知識者顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述已知的電路、材料或方法。

在整個說明書中，對「一個實施例」、「實施例」、「一個示例」或「示例」的描述意味著：結合該 實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的用語「在一個實施例中」、「在實施例中」、「一個示例」或「示例」不一定都指同一實施例或示例。應當理解，當稱元件「耦接到」或「連接到」另一元件時，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件「直接耦接到」或「直接連接到」另一元件時，不存在中間元件。此外，可以以任何適當的組合和、或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域具有通常知識者應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。相同的附圖標記表示相同的元件。這裡使用的術語「及/或」包括一個或多個相關列出的項目的任一和所有組合。

圖1繪示了現有的多相電源轉換器10的電路結構示意圖。如圖1所示，多相電源轉換器10包括控制器101、N個功率裝置103和N個電感L1，其中N是整數，並且N>1。如圖1所示，每個功率級102，也稱作每一相102，包括一個功率裝置103和一個電感L1。每個功率裝置103包括功率開關M1、M2以及用於驅動功率開關M1、M2的驅動器DR1。控制器101提供N相控制信號105-1~105-N分別控制N個功率裝置103，以控制N相102錯相工作，也就是說，N個電感L1依次從輸入端汲取能量，並依次提供能量給負載104。應當理解，在圖1中，多相電源轉換器10的各 相輸出連接在一起提供能量給負載只是其中一種應用。在其他應用中，多相電源轉換器10也可以以多個單相電源轉換器的方式工作，也就是說每一相均可以單獨連接一個獨立負載，並提供不同的輸出電壓以滿足不同負載的需求。

圖1所示的具有Buck拓撲的功率級102僅做示例。本領域具有通常知識者應當理解，具有其他拓撲結構的功率級，如Boost拓撲和Buck-Boost拓撲，同樣適用於本發明實施例的多相電源轉換器。

在下述本發明實施例中，電感L1可以用耦合電感實現，也可以用N個單電感來實現。

當N=2時，多相電源轉換器10被用作雙相電源轉換器，或兩個獨立的單相電源轉換器。

圖2繪示了根據本發明一實施例的集成了雙相電源轉換器的具有夾層結構的電源模組20的結構示意圖。在圖1中，當N=2時，功率級102可採用電源模組20來實現。夾層結構的電源模組20包括：印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)底板201，位於電源模組20的底部；電感組206，位於PCB底板201之上，電感組206包括兩個電感，其中每個電感都具有第一端和第二端；PCB頂板202，位於電感組206之上；連接器204，具有多個金屬柱205，每個金屬柱205分別焊接至PCB頂板202和PCB底板201相應的焊盤上；以及兩個功率裝置晶片203，位於PCB頂板202上，其中每個功率裝置晶片203具有一個或多個引腳，通過PCB頂板202連接到電感組206中的電感的第二 端。其中，每個電感都具有線圈207，所述線圈207的兩端彎折至與線圈207的長度方向相垂直的平面上，並在PCB頂板202和PCB底板201上延展。

在圖2中，電源模組20還包括位於PCB頂板202上的分離設置的其他元件208。元件208是一個統稱，例如包括電源轉換器10中的立電阻、電容等，例如在電源轉換器10的輸入端用於提供脈衝電流的輸入電容，用於給驅動器和內部邏輯電路供電的濾波電容和電阻等等。

在一個實施例中，金屬柱205包括銅柱，用於將PCB底板201焊接至PCB頂板202。本領域具有通常知識者應當理解，任何可用於連接兩個PCB的金屬柱均可用於本發明。

電源模組20通常設置於處理器的主機板上，用於給主機板上的器件供電。PCB底板201被焊接到主機板上，以將電源模組20的部分引腳連接到主機板。在部分實施例中，PCB底板201可以省略。電源模組20可通過連接器204以及電感組206直接焊接至主機板。

在本發明中，功率裝置晶片疊在電感組之上，如圖2所示，從而節省了電源轉換器10在PCB上的面積。每個功率裝置晶片203都集成了圖1中的功率裝置103，即包括如圖1所示的功率開關M1、M2以及驅動器DR1，還集成了圖1中未繪示的輔助電路。功率裝置晶片203的引腳焊接至PCB頂板202的焊盤，之後PCB頂板202的焊盤通過電感組206和連接器204，再電連接至PCB底板 201的焊盤上。這樣，可確保功率裝置晶片203可獲得來自PCB底板201的資訊。電源模組20還包括金屬片209，用於傳導如參考接地之類的大電流訊號。金屬片209包裹著電感組206的磁芯的部分面積，並同時焊接至PCB頂板202和PCB底板201。金屬片209的位置取決於功率裝置晶片203的接地引腳的位置。在圖2的實施例中，因為金屬片主要包裹在電感組206的側面，其兩端被彎折以在電感組206的上下表面形成靠近功率裝置晶片203的接地引腳的焊盤。從而在水平面，即PCB的平面上，用大面積的金屬片209替代PCB走線走大電流，降低電路損耗，提高電路效率。

圖3繪示了根據本發明一實施例的電感組30的三維分解圖。電感組30可用作圖2中的電感組206。如圖3所示，電感組30包括：磁芯，包括第一磁芯部分301和第二磁芯部分302，其中所述第一磁芯部分301和第二磁芯部分302組合在一起，以在兩者的接合面形成兩個通道303-1和303-2；以及線圈304-1和304-2分別穿過第一磁芯部分301和第二磁芯部分302之間的通道303-1和303-2。

在圖3的實施例中，當電感組30應用於圖2所示的電源模組20時，通道303-1和303-2平行於PCB底板201和PCB頂板202，即通道303-1和303-2具有沿著如圖2所示的軸線“A”的徑向。

在圖3實施例中，所述線圈304-1具有第一端304-3彎折90度在磁芯的表面延展，並覆蓋部分表面，該延展部分同時也相當於在PCB頂板202表面延展，並焊接 至PCB頂板202，具有第二端304-5彎折90度在磁芯的表面延展，並覆蓋部分表面，該延展部分同時也相當於在PCB底板201表面延展，並焊接至PCB底板201。也就是說，線圈304-1的第一端304-3和第二端304-5沿著垂直於磁芯通道303-1和303-2的平面延展，其延展面的側邊同時也在PCB頂板202和PCB底板201的表面延展。同樣地，線圈304-2具有第一端304-4彎折90度在磁芯的表面延展，並覆蓋部分表面，該延展部分同時也相當於在PCB頂板202的表面延展，並焊接至PCB頂板202，具有第二端304-6彎折90度在磁芯的表面延展，並覆蓋部分表面，該延展部分同時也相當於在PCB底板201的表面延展，並焊接至PCB底板201。也就是說，線圈304-2的第一端304-4和第二端304-6沿著垂直於磁芯通道303-1和303-2的平面延展，其延展面的側邊同時也在PCB頂板202和PCB底板201的表面延展。

在圖3的實施例中，磁芯第一磁芯部分301和第二磁芯部分302的形狀並不對稱一致，其中，所述第一磁芯部分301具有平面形狀，第二磁芯部分302具有兩條溝道，通道303-1和303-2分別由第二磁芯部分302的兩個溝道和第一磁芯部分301的一個面301-1構成，如圖3所示。

在圖3的實施例中，金屬片305-1和305-2呈L型。金屬片305-1和305-2的兩端分別焊接至PCB頂板202和PCB底板201。金屬片305-1和305-2焊接PCB頂板202的一端彎折90度，並在磁芯表面延展，也即相當於在PCB頂板202的表面延展，該延展面通過PCB頂板202的焊盤與功率 裝置晶片203的接地引腳電連接，以此來減少PCB頂板202的走線及其走線阻抗。

圖4繪示了根據本發明一實施例的電感組40的三維分解圖。電感組40可用作圖2中的電感組206。如圖4所示，電感組40包括：磁芯，包括第一磁芯部分401以及第二磁芯部分402，其中第一磁芯部分401和第二磁芯部分402組合在一起，在兩者的接合面形成兩個通道403-1和403-2；以及兩個線圈404-1和404-2，分別穿過第一磁芯部分401和第二磁芯部分402之間的通道403-1和403-2。

在圖4的實施例中，當電感組40應用於圖2所示的電源模組20時，通道403-1和403-2垂直於PCB底板201和PCB頂板202，即通道403-1和403-2具有沿著如圖2所示的軸線“B”的徑向。

在圖4實施例中，線圈404-1具有第一端404-3彎折90度在磁芯的表面延展，並覆蓋部分表面，該延展部分同時也相當於在PCB頂板202表面延展，並焊接至PCB頂板202，具有第二端404-5彎折90度在磁芯的表面延展，並覆蓋部分表面，該延展部分同時也相當於在PCB底板201表面延展，並焊接至PCB底板201。也就是說，線圈404-1的第一端404-3和第二端404-5沿著垂直於磁芯通道403-1和403-2的平面延展，其延展面同時也在PCB頂板202和PCB底板201的表面延展。同樣地，線圈404-2具有第一端404-4彎折90度在磁芯的表面延展，並覆蓋部分表面，該延展部分同時也相當於在PCB頂板202的表面延展，並 焊接至PCB頂板202，具有第二端404-6彎折90度在磁芯的表面延展，並覆蓋部分表面，該延展部分同時也相當於在PCB底板201的表面延展，並焊接至PCB底板201。也就是說，線圈404-2的第一端404-4和第二端404-6沿著垂直於磁芯通道403-1和403-2的平面延展，其延展面同時也在PCB頂板202和PCB底板201的表面延展。

在部分實施例中，線圈404-1的第二端404-5以及線圈404-2的第二端404-6可不彎折。線圈的第二端是否彎折，彎折的方向以及延展面的形狀等均取決於電源模組的PCB底板201上的對應焊盤的位置，若無PCB底板，則取決於電源模組20所處的主機板上相應焊盤的位置。

在圖4的實施例中，磁芯的第一磁芯部分401和第二磁芯部分402的形狀並不對稱一致，其中第一磁芯部分401具有平面形狀，第二磁芯部分402具有兩條溝道，所述通道403-1和403-2分別由第二磁芯部分402的兩個溝道和第一磁芯部分401的一個面401-1構成。

在圖4的實施例中，金屬片405-1和405-2呈C型。金屬片405-1和405-2的兩端分別焊接至PCB頂板202和PCB底板201。金屬片405-1和405-2焊接至PCB底板201的一端彎折90度，並在磁芯表面延展，也即相當於在PCB底板201的表面延展，該延展面與PCB底板201的相應焊盤相焊接，以此來減少PCB底板201的走線及走線阻抗。同樣，金屬片405-1和405-2焊接至PCB頂板202的一端彎折90度，在磁芯表面延展，即相當於在PCB頂板202的表面延 展，該延展面通過PCB頂板202的焊盤與功率裝置晶片203的接地引腳電連接，以此來減少PCB頂板202的走線及其走線阻抗。

圖5繪示了根據本發明一實施例的電感組50的三維分解圖。電感組50可用作圖2中的電感組206。如圖5所示，電感組50包括：磁芯，包括第一磁芯部分501以及第二磁芯部分502，其中所述第一磁芯部分501和第二磁芯部分502組合在一起，在兩者的接合面形成兩個通道503-1和503-2；以及線圈504-1和504-2，分別穿過第一磁芯部分501和第二磁芯部分502之間的通道503-1和503-2。

在圖5的實施例中，當電感組50應用於圖2所示的電源模組20時，通道503-1和503-2垂直於PCB底板201和PCB頂板202，即通道503-1和503-2具有沿著如圖2所示的軸線“B”的徑向。

在圖5的實施例中，金屬片505呈C型。金屬片505的兩端分別焊接至PCB頂板202和PCB底板201。金屬片505焊接至PCB底板201的一端彎折90度，在磁芯表面延展，即相當於在PCB底板201的表面延展，該延展面與PCB底板201上的相應焊盤相焊接，以此來減少PCB底板201的走線及其走線阻抗。同樣，金屬片505焊接至PCB頂板202的一端彎折90度，在磁芯表面延展，即相當於在PCB頂板202的表面延展，該延展面通過PCB頂板202的焊盤與功率裝置晶片203的接地引腳電連接，以此來減少PCB頂板202的走線及其走線阻抗。在圖5的示例中，金屬片505的中間 部分往兩側延展，增大面積，以減少自身阻抗。

與圖4中的電感組40相比，圖5的電感組50的單個金屬片505用於將PCB頂板202的接地引腳焊接至PCB底板201上。與圖4相比，圖5少了一個金屬片，因此金屬片505以及線圈504-1和504-2在磁芯的上下表面可延展的面積更大，從而使功率裝置晶片203的接地引腳的分佈具有更大的靈活性。

在圖5實施例中，磁芯的第一磁芯部分501和第二磁芯部分502與圖4中的磁芯結構類似，為敘述簡明之故，此處不再展開說明。

圖6繪示了根據本發明一實施例的磁芯60的結構示意圖。圖6中，磁芯60包括形狀對稱的第一磁芯部分601以及第二磁芯部分602，其中每個磁芯部分都具有兩個溝道。當磁芯60用於圖3~圖5實施例的電感組時，第一磁芯部分的溝道和第二磁芯部分的溝道相覆合，組成兩條通道，使線圈從中穿過。

圖7繪示了根據本發明一實施例的磁芯70的結構示意圖。在圖7中，磁芯70包括第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703-1~703-3。第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703-1、703-2形成了通道704-1。第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703-2、703-3形成了通道704-2。從圖7可看出，若有更多的第三磁芯部分則可形成更多的磁芯通道。第一磁芯部分701、第二磁芯部分702和第三磁芯部分703- 1~703-3可由不同材料製成，以提供更靈活可調的電感-電流曲線。

在本發明的部分實施例中，磁芯的各個磁芯部分可由相同材料製成，但具有不同的幾何形狀和/或成分百分比，以滿足所需的電感-電流特性曲線，例如，在小電流時具有大電感值，在大電流時具有小電感值。小電流時的大電感值可使系統的效率更高，而大電流時的小電感值可使系統的瞬態回應更好。在部分實施例中，磁芯的各個磁芯部分也可由不同材料製成，如鐵氧體、鐵粉或其他合適的磁性材料以獲得所需的電感值曲線。

為簡明闡述本發明原理之故，圖3~圖5的實施例中僅繪示具有雙通道，可以穿過雙線圈的磁芯。本領域具有通常知識者應當理解，根據應用的需要，磁芯可以具有任意數量的通道，穿過任意數量的線圈，單通道或多通道均符合本發明主旨。

在部分實施例中，在磁芯的各個磁芯部分之間可存在氣隙以形成耦合電感。在部分實施例中，各個磁芯部分之間沒有氣隙，從而形成多個單電感。

在本發明中，為了使電感組具有平坦的表面，將覆蓋磁芯表面的線圈和金屬片嵌入磁芯表面，如圖3和4所示。

圖8繪示了根據本發明一實施例的電感組80的三維分解圖。電感組80可用作圖2中的電感組206。如圖8所示，電感組80包括：磁芯801，頂視具有對稱結構，磁 芯801具有的兩個通道801-1和801-2從磁芯801的上表面801-3由上至下貫穿至下表面801-4，俯視磁芯801可以看出，兩個通道對稱地位於中軸線“D”的兩側；以及線圈802-1和802-2，分別穿過通道801-1和801-2。

在圖8的實施例中，當電感組80應用於圖2所示的電源模組20時，通道801-1和801-2垂直於PCB底板201和PCB頂板202，即通道801-1和801-2具有沿著如圖2所示的軸線“B”的徑向。

在圖8的實施例中，所述線圈802-1和802-2是直的條狀結構。

在圖8的實施例中，金屬片803-1、803-2、805-1和805-2從側面看呈C型，緊貼磁芯801並部分包裹磁芯801。金屬片803-1、803-2、805-1和805-2的兩端彎折90度並延展，該延展面與PCB底板201和PCB頂板202上的相應焊盤相焊接，以此來減少PCB底板201和PCB頂板202內部的走線阻抗。在一個實施例中，金屬片803-1與803-2通過PCB頂板202，將功率裝置晶片203的電源引腳(圖1中用於接收輸入電壓Vin的引腳)，焊接到PCB底板201或直接焊接到主機板上，以減少PCB的走線阻抗。在圖8的實施例中，金屬片803-1和803-2的兩個延展面的中間部分被去除，留下兩個焊接區，根據金屬片803-1和803-2留下的焊接區位置，去除金屬片805-1和805-2的兩個延展面的兩側部分，使其可相應放置在金屬片803-1和803-2的兩個焊接區之間。如圖8所示，金屬片803-1和805-1貼合後覆蓋在 磁芯801的側面，中間存在隔離層804-1以防止兩個金屬片的電接觸。同時，金屬片803-2和805-2貼合後覆蓋在磁芯801的另一側面上，中間存在隔離層804-2以防止兩個金屬片的電接觸。金屬片803-1、803-2、805-1和805-2的兩端彎折90度並延展以具有足夠大的面積減小PCB的走線阻抗，同時金屬片803-1、803-2、805-1和805-2具有足夠的寬度以減小自身阻抗。

應當理解，在部分實施例中，金屬片803-1和803-2可通過PCB頂板202電連接至功率裝置晶片203的接地引腳上，以及金屬片805-1和805-2可通過PCB頂板202電連接至功率裝置晶片203的電源引腳上。也就是說，金屬片803-1、803-2與金屬片805-1、805-2的連接電位的互換均不脫離本發明的精神和範圍。

圖9繪示了根據本發明一實施例的電感組90的三維分解圖。電感組90可用作圖2中的電感組206。電感組90與圖8中的電感組80類似。不同之處在於，圖9中線圈902-1和902-2的形狀與圖8中直的線圈802-1和802-2不同。在圖9中，線圈902-1和902-2包括902-A，902-B和902-C三部分。其中，第一部分902-A從磁芯901的上表面901-3開始延伸，延伸方向垂直於上表面901-3；第二部分902-B從磁芯901的下表面901-4開始延伸，延伸方向垂直於下表面901-4；以及第三部分902-C將第一部分902-A和第二部分902-B相連接。在一個實施例中，第三部分902-C的徑向平行於上表面901-3和下表面901-4。

圖10繪示了根據本發明一實施例的電感組100的三維分解圖。電感組100可用作圖2中的電感組206。電感組100與圖9中的電感組90類似。不同之處在於，圖10中線圈的第三部分1002-C具有足夠的長度，以將第一部分1002-A和1002-B裸露於磁芯1001相應的側面1001-5。其中線圈1002-1和1002-2的外露面與磁芯1001相應的側面齊平，使電感組100具有平坦的表面。

圖11繪示了根據本發明一實施例的電感組110的三維分解圖。電感組110可用作圖2中的電感組206。電感組110與圖10中的電感組100類似。不同之處在於，在圖11中，每個線圈的第三部分1102-C足夠長，以將線圈的第一部分1102-A和第二部分1102-B裸露於磁芯的表面，其中所述第一部分1102-A和第二部分1102-B的裸露面與磁芯的表面齊平，以使磁芯具有平坦的表面。在一個實施例中，第三部分1102-C徑向垂直於磁芯上表面1101-3和下表面1101-4。

圖12繪示了根據本發明一實施例的電感組120的三維分解圖。電感組120可用作圖2中的電感組206。電感組120與圖10中的電感組100類似。不同之處在於，圖12中的金屬片1203-1、1203-2和1204並不彼此覆蓋。在圖12中，金屬片1203-1和1023-2覆蓋於磁芯1001的兩個相對的側面，金屬片1024則覆蓋在剩餘的一個側面上。從側面看，金屬片1203-1、1203-2和1204都呈C型，且金屬片的兩端彎折90度以覆蓋磁芯1001的上表面1001-3和下表面 1001-4的部分區域。

在圖12的實施例中，金屬片1203-1和1203-2連接到第一電位，而金屬片1204連接到第二電位。第一電位可以是功率裝置203接地引腳的電位，第二電位可以是功率裝置203電源引腳的電位，反之亦然。

圖13繪示了根據本發明一實施例的電感組130的三維分解圖。電感組130可用作圖2中的電感組206。電感組130與圖12中的電感組120類似。不同之處在於，電感組130具有更多數量的金屬片，即電感組130包括金屬片1203-1、1203-2、1304-1和1304-2。在圖13中，金屬片1203-1和1203-2分別覆蓋於磁芯1001相對的兩個側面，並共同電連接到第一電位，而金屬片1304-1和1304-2分別覆蓋於剩餘的兩個相對側面，並共同電連接到第二電位。與圖12類似，金屬片1203-1、1203-2、1304-1和1304-2都呈C型，即每個金屬片兩端彎折90度以覆蓋磁芯1001的上表面1001-3和下表面1001-4的部分區域。金屬片數量的增加使PCB頂板202和PCB底板201(或電源模組所在的主機板)的焊盤的分佈具有更大的靈活性。

在本發明的不同實施例中的金屬片可改變造型以包裹磁芯。並且，當磁芯的形狀改變時，金屬片的造型也相應改變。應當理解，所有的金屬片和線圈都互不接觸以防止電接觸，即防止短路。

在部分實施例中，圖8~13的部分或全部的金屬片也可以為其他造型，如L型，即金屬片的一端彎折以 包裹磁芯上表面或下表面，例如圖3所示的金屬片305-1和305-2。在部分實施例中，圖8~13的部分或全部的金屬片可以為平面狀，即兩端未彎折。此外，在部分實施例中，不同造型的金屬片可以互相覆蓋組合在一起，其中金屬片之間需要有隔離層將金屬片隔開。

在本發明中，線圈從磁芯內部的通道穿過，意味著通道的形狀與線圈相匹配。在部分實施例中，先塑形線圈，然後再用磁芯材料包裹線圈來製造整個電感。

在本發明的部分實施例中，磁芯表面覆蓋了環氧樹脂塗層，以將磁芯和包裹磁芯的金屬片相隔離。

在本發明中，為了使電感的外表面平整，線圈裸露於電感外表面的部分以及覆蓋於電感外表面的金屬層，嵌入至電感的外表面，如圖3~5及8~13所示。

如圖2所示，夾層結構的電源模組20包括電感組206以及具有多個金屬柱205的連接器204，金屬柱分別焊接至PCB頂板和PCB底板的相應焊盤。也就是說，電感組206和連接器204是封裝在PCB頂板和PCB底板之間的兩個獨立元件。在製造過程中，電感組206和連接器204的高度容差是有限的，因此需要儘量使電感組206與連接器204的高度保持一致。

圖14繪示了根據本發明一實施例的電感模組140。電感模組140將電感組和連接器集成於一個單獨的模組中。引腳1401~1408，即覆蓋在電感模組140表面的金屬片實現了連接器的作用。在一實施例中，電感模組140取 代了圖2中的電感組206和連接器204，位於PCB頂板和PCB底板之間，集成於電源模組中。

與前述實施例中的電感組206相比，電感模組140的尺寸在水準方向上增加並在垂直方向上減小。水準方向的增加部分被訊號引腳1401~1408覆蓋。此外，與前述電感組相比，電感模組140在水準方向上的增加延長了通道和線圈的長度。因此，當電感模組140與前述實施例的電感組的高度相同時，電感模組140的電感值更大，即使電感模組140的高度小於電感組206，電感模組140依然可維持足夠的電感值和低阻值。

在圖14的實施例中，電感模組140包括兩個電感，每個電感由磁芯1415和穿過磁芯1415通道的線圈1412和1413之一組成。在部分實施例中，兩個電感可以是一個耦合電感。線圈1412和1413的結構與圖9、10、12和13中的線圈結構相同，即線圈1412和1413的第一端引出至電感模組140的頂部1415-1，以及第二端引出至電感模組140的底部1415-2。線圈1412和1413的第一端通過PCB頂板分別連接到功率裝置晶片203上。線圈1412和1413的第二端連接到PCB底板上，當無PCB底板時，則連接到主機板上。

在圖14中，線圈1412和1413的截面呈長方形，在面積相同的情況下，與正方形截面相比，長方形截面延長了線圈的有效長度。此外，具有長方形截面的線圈可以減小漣波電流的集膚效應銅損，並且減小了線圈的磁 路與圍繞線圈的磁芯之間的長度差。線圈1412和1413暴露於電源模組140的上表面1415-1的長方形截面，其長邊沿著圖示“Y”方向，而“Y”方向垂直於線圈1412和1413的長度方向，而電源模組140的上表面1415-1的長方形截面的短邊沿著圖示“X”方向，而“X”方向平行於線圈1412和1413的長度方向。在其他實施例中，線圈1412和1413的結構可與圖3~5以及11所示的線圈結構相同，而電感模組的通道和位於模組表面的金屬片的結構也相應地調整。

在圖14的實施例中，電感模組140沿線圈1412和1413穿過的通道的長度方向延展。訊號引腳分佈在平行於通道長度方向的電感模組140的側面1415-3和1415-4上。側面1415-3和1415-4相對並平行於線圈1412和1413的長度方向“X”。在一實施例中，位於側面1415-3的訊號引腳連接到位於電源模組頂部且靠近側面1415-3的功率裝置上，位於側面1415-4的訊號引腳連接到電源模組頂部且靠近側面1415-4的其他功率裝置上。

在圖14的實施例中，訊號引腳1401~1408都為C型的金屬片，並包裹著磁芯1415，其兩端分別位於磁芯1415的上表面和下表面，以分別連接至PCB頂板和PCB底板。當無PCB底板時，電感模組140焊接至由電源模組供電的負載所在的主機板上。

在圖14的示例中，訊號引腳1401和1405通過如圖2所示的PCB頂板分別接收脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)訊號並提供給功率裝置晶片203。訊號引腳1402和1406通過PCB頂板提供功率裝置晶片203的電流感測訊號。訊號引腳1403和1407通過PCB頂板接收功率裝置晶片203的溫度檢測訊號。訊號引腳1404和1408接收致能訊號，並通過PCB頂板將致能訊號提供給功率裝置晶片203。金屬片1409、1410、1411和1414，即電源引腳，可連接電源模組的不同電位。例如，金屬片1409可連接到功率裝置晶片203的輸入電壓Vin上，金屬片1410和1411可接地，以及金屬片1414可連接到VCC電源上以給功率裝置晶片203供電。

應當理解，電感模組140的引腳都是為了說明的目的。引腳的數量和分佈可根據應用調整，以獲得電感模組140與由電源模組供電的負載之間的最佳電流路徑。

與前述實施例的電感組相比，圖14中的電感模組140在保持了與前述實施例大致相等的電感值的情況下，大幅降低了模組高度。在圖3~5以及8~13的實施例中，電感組的高度為5mm到8mm。電感模組140的高度H1為1mm到3mm，一般為2mm。電感模組140的高度降低後，電源模組的高度也相應降低，從而電源模組可放置在負載所在的主機板/PCB的背面。也就是說，電源模組置於負載下方，主機板/PCB位於電源模組和負載之間，這大大縮短了電流路徑，減少了功率損失。

圖15繪示了根據本發明一實施例的電源模組 150。如圖15所示，電源模組150包括PCB底板1501、PCB頂板1502、電感模組140、功率裝置晶片203以及多個分離設置的元件208，多個元件208分佈在PCB頂板1502上，並靠近功率裝置模組203。如前面的實施例所述，PCB底板1501可以省略。如圖15所示，連接器的去除簡化了電源模組的結構，提高了集成度，從而改進了製造流程。

圖16繪示了根據本發明一實施例的電源模組160。與圖15中的電源模組150相比，圖16中的電源模組160進一步擴展，包含位於PCB頂板1602和底板1601之間的四個電感模組140。應當理解，在其他實施例中，電源模組可按需求擴展，以包含如圖16所示類似結構的電感模組。

圖17繪示了根據本發明一實施例的處理器系統170。如圖17所示，處理器系統170包括：主機板1701、電源模組1702、負載1703和頂部冷卻系統1704。圖17中，電源模組1702可以是圖15的電源模組150、圖16的電源模組160或者是具有更多電感模組的電源模組。電源模組1702的底部或者說電感模組140的底部直接焊接至負載所在的主機板上。負載1703包括GPU、CPU等。頂部冷卻系統1704包括散熱器，放置在電源模組1702和負載1703之上。理想狀態下，頂部冷卻系統1704需要與負載1703及電源模組1702接觸以實現良好的散熱。然而在實際應用中，電源模組1702常常高於負載1703，如圖17所示。在這種情況下，頂部冷卻系統1704和負載1703之間存在空隙。空隙 越大，則散熱效果越差。因此，需要減小電源模組1702的高度，以縮短頂部冷卻系統1704和負載1703的距離。圖17中的電源模組1702包括電感模組140，其高度遠低於傳統電源模組。如前所述，電感模組140的高度H1為1mm到3mm。因此，與使用傳統電感組的電源模組相比，電源模組1702的高度減小了2mm到7mm，這可有效提高散熱能力。

圖18繪示了根據本發明一實施例的處理器系統180。與圖17的處理器系統170相比，處理器系統180採用了頂部冷卻系統1804。頂部冷卻系統1804包括熱管散熱器。熱管散熱器，即頂部冷卻系統1804包括容器1804-1和管道1804-2。如圖18所示，管道1804-2的兩端彎曲。電源模組1702置於頂部冷卻系統1804下方。當頂部冷卻系統1804和負載1703之間的距離固定時，電源模組1702越低則可以越靠近負載1703。應當理解，負載1703和電源模組1702間的距離決定了電流路徑，從而決定了功率損失。包含電感模組140的電源模組1702的高度遠低於傳統的電源模組。因此，在圖18的實施例中，高度較低的電源模組的位置距離負載1703更近，縮短了電流路徑、減少了功率損失。

雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前 述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和變型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。

140:電感模組

150:電源模組

203:功率裝置晶片

208:元件

1501:PCB底板

1502:PCB頂板

Claims (16)

1. 一種電源模組，包括： 至少一個電感模組，其中該每個電感模組都包括一個磁芯和兩個穿過該磁芯的線圈； 一印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)頂板，位於該至少一個電感模組之上；以及 至少一對功率裝置晶片，位於該PCB頂板之上，其中該每一對功率裝置晶片位於對應的該電感模組上方的該PCB頂板之上，且該每個功率裝置晶片的至少一個引腳通過該PCB頂板連接至相應的該電感模組的對應的一線圈； 其中該每個電感模組都被多個金屬片包裹，其中該些金屬片配置為一電源引腳和一訊號引腳，用於連接該PCB頂板和該電感模組所在的一電路板。
2. 如請求項1所述的電源模組，其中在該每個電感模組中，該每個線圈都具有一第一端和一第二端，其中該線圈的該第一端引出至該電感模組的一頂部，該線圈的該第二端引出至該電感模組的一底部，其中該電感模組的該頂部被該PCB頂板覆蓋。
3. 如請求項1所述的電源模組，其中該訊號引腳分佈在該電感模組的一第一側面和一第二側面，其中該第一側面和該第二側面為相對面且平行於該電感模組的該線圈的一長度方向。
4. 如請求項3所述的電源模組，其中在該每個電感模組中，位於該電感模組的該第一側面的該訊號引腳連接到靠近該第一側面的功率裝置晶片上，以及位該於電感模組的該第二側面的該訊號引腳連接到靠近該第二側面的功率裝置晶片上。
5. 如請求項1所述的電源模組，其中該每個電感模組從該電感模組的一下表面到該電感模組的一上表面的一測量高度最大為3mm。
6. 如請求項1所述的電源模組，其中該電源引腳的至少一個配置為接收該電源模組的一輸入電壓。
7. 如請求項1所述的電源模組，其中該電源引腳的至少一個配置為接收該電源模組的一參考接地電壓。
8. 如請求項1所述的電源模組，其中該電源引腳的至少一個被配置為接收一電源電壓以給該些功率裝置晶片供電。
9. 一種處理器系統，包括如請求項1-8任一項所述的電源模組，還包括： 一主機板； 一負載，位於該主機板之上；以及 一頂部冷卻系統，位於該負載和該電源模組上方； 其中，該電源模組位於該主機板之上靠近該負載的位置，用於給該負載供電。
10. 一種電感模組，包括： 一磁芯，包括至少一個通道； 至少一個線圈，分別穿過該磁芯相應的該至少一個通道；以及 多個金屬片，覆蓋於該磁芯上，其中該每個金屬片都呈C型且包裹該磁芯的一部分側面，並具有一第一端和一第二端，其中彎折的該第一端覆蓋在該磁芯的一部分頂部，以及彎折的該第二端覆蓋在該磁芯的一部分底部，其中該些金屬片配置為一電源引腳和一訊號引腳。
11. 如請求項10所述的電感模組，其中該每個線圈都具有一第一端引出至該電感模組的一頂部，以及一第二端引出至該電感模組的一底部。
12. 如請求項10所述的電感模組，其中該訊號引腳分佈在該電感模組的一第一側面和一第二側面，其中該第一側面和該第二側面為相對面且平行於該電感模組的一線圈的一長度方向。
13. 如請求項10所述的電感模組，其中從該電感模組的一下表面到該電感模組的一上表面的一測量高度最大為3mm。
14. 如請求項10所述的電感模組，其中該電源引腳的至少一個配置為接收配置該電感模組的一電源模組的一輸入電壓。
15. 如請求項10所述的電感模組，其中該電源引腳的至少一個配置為接收配置該電感模組的一電源模組的一參考接地電壓。
16. 如請求項10所述的電感模組，其中該電源引腳的至少一個配置為接收一電源電壓，以給配置該電感模組的一電源模組的一功率裝置晶片供電。