电源和集成磁性组件实现方式制造技术

提供了电源和集成磁性组件实现方式。一种电源包括组件，该组件包括电感器和变压器。电感器和变压器被集成以共享设置在组件中的导磁材料的芯。该电源还包括非调节功率转换器级和调节功率转换器级。非调节功率转换器级实现对变压器的使用。调节功率转换器级实现对电感器的使用。调节功率转换器级和非调节功率转换器级的组合可操作用于共同产生输出电压以给负载供电。负载供电。负载供电。

【技术实现步骤摘要】
电源和集成磁性组件实现方式


[0001]本公开涉及电源和集成磁组件实现方式。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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：
[0005]‑
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。
[0006]‑
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。
[0007]‑
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。
[0008]‑
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。
[0009]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Intel
TM
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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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

[0015]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。
[0016]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)。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电源，包括：包括电感器和变压器的组件，所述电感器和所述变压器被集成以共享设置在所述组件中的导磁材料的芯；包括所述变压器的非调节功率转换器级；包括所述电感器的调节功率转换器级；以及所述调节功率转换器级和所述非调节功率转换器级可操作用于共同产生输出电压以给负载供电。2.如权利要求1所述的电源，其中所述非调节功率转换器级包括开关电容器转换器，所述开关电容器转换器和所述变压器的组合可操作用于产生所述输出电压；以及其中所述调节功率转换器级可操作用于控制通过所述电感器的电流的流动以产生所述输出电压。3.如权利要求2所述的电源，其中所述非调节功率转换器级可操作用于生成供应给所述调节功率转换器级的中间电压；以及其中所述调节功率转换器级可操作用于从所述中间电压产生所述输出电压。4.如权利要求1所述的电源，其中所述非调节功率转换器级可操作用于接收第一输入电压并且将所述第一输入电压转换成所述输出电压；以及其中所述调节功率转换器级可操作用于接收第二输入电压并且将所述第二输入电压转换成所述输出电压。5.如权利要求1所述的电源，其中所述组件包括：由所述磁芯中的所述导磁材料制造的分隔部可操作用于传送第一磁通量和第二磁通量两者，所述第一磁通量经由通过所述变压器的绕组的第一电流的流动而生成，所述第二磁通量经由通过所述电感器的第二电流的流动而生成。6.如权利要求5所述的电源，其中所述组件中的所述分隔部的存在使所述电感器与所述变压器的所述绕组磁去耦。7.如权利要求1所述的电源，其中所述变压器包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组磁耦合到所述第二绕组；其中所述电感器包括电感器绕组；并且其中所述组件的所述导磁材料包括所述第一绕组和所述第二绕组驻存在其中的第一通道，所述第一通道设置在所述组件中的所述导磁材料的第一分隔部与所述导磁材料的第二分隔部之间；并且其中所述组件的所述导磁材料包括所述电感器绕组驻存在其中的第二通道，所述第二通道设置在所述组件中的所述导磁材料的所述第二分隔部与所述组件中的所述导磁材料的第三分隔部之间。8.如权利要求7所述的电源，其中所述第一绕组和所述第二绕组围绕所述第一分隔部缠绕。9.如权利要求7所述的电源，其中所述导磁材料包括顶部和底部；并且其中所述第一分隔部、所述第二分隔部和所述第三分隔部中的每个分隔部在所述组件中被设置在所述顶部与所述底部之间。10.如权利要求9所述的电源，其中所述导磁材料的所述第二分隔部的第一轴向端接触
所述顶部；其中所述导磁材料的所述第二分隔部的第二轴向端接触所述底部，所述组件还包括：设置在所述顶部与所述底部之间的第一间隙，所述第一间隙设置在延伸穿过所述顶部、所述第一分隔部和所述底部的第一轴向路径中；以及设...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：