專利名稱：可配置多相耦合磁結(jié)構(gòu)的制作方法
可配置多相耦^^磁結(jié)構(gòu)
本發(fā)明涉及包括耦合磁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器。更具體地說(shuō)， 一些本發(fā)明 的實(shí)施例涉及可配置多相耦合磁結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
許多電子系統(tǒng)要求或受益于電能輸送裝置的使用。例如， 諸如基于微處理器的系統(tǒng)或基于數(shù)字信號(hào)處理器的系統(tǒng)的電子系統(tǒng)會(huì) 需要充足的電能供應(yīng)。對(duì)尺寸較小和效率較高的電能供應(yīng)的設(shè)計(jì)的需 求通常更大。
一種可以滿足一些電子系統(tǒng)對(duì)高輸出電流的需求的穩(wěn)壓
器拓樸類型是多相交叉(interleaved)直流-直流變換器。
例如， 一個(gè)直流-直流變換器可包括開(kāi)關(guān)和低通濾波器?？刂齐娐?可以控制開(kāi)關(guān)的占空因數(shù)，從而將輸出電壓在一個(gè)特定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 典型地，可以在地和感應(yīng)器之間連接自由輪轉(zhuǎn)二級(jí)管(或同步開(kāi)關(guān)， 從而在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)提供電流通路。當(dāng)需要更高的電流時(shí)，可以使用多 交叉相。
多相交叉結(jié)構(gòu)會(huì)需要很多感應(yīng)器。為減少部件的數(shù)量，可以引入 耦合磁結(jié)構(gòu)。雖然耦合磁結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，但某些耦合磁結(jié)構(gòu)的制造 相對(duì)復(fù)雜，而某些耦合磁結(jié)構(gòu)只能提供有限的設(shè)計(jì)靈活性。
例如，二相變換器可以由環(huán)形芯耦合磁結(jié)構(gòu)構(gòu)成。雖然此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，但它的生產(chǎn)需要特殊的繞線工具。多相變換器也可以由H-芯耦合 磁結(jié)構(gòu)構(gòu)成。雖然制造比環(huán)形方式簡(jiǎn)單，但是設(shè)計(jì)靈活性4皮限制了， 因?yàn)樗皇褂脝卧丫€圈(這使其難以提供高電感值)。


通過(guò)下文中對(duì)本發(fā)明的具體介紹并結(jié)合附圖，可以清楚本發(fā)明的 各方面的特點(diǎn)。在所有附圖中，相同的編號(hào)通常指示相同的部分。附 圖不一定按比例繪制，重點(diǎn)是示出本發(fā)明的原理。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的耦合磁結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的另 一種耦合磁結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖3是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的三相耦合磁結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的包括耦合磁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的耦合磁結(jié)構(gòu)中所^^用的壺形芯 的透視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的耦合磁結(jié)構(gòu)中所使用的I-芯 (I-core)的透視圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的耦合磁結(jié)構(gòu)中所使用的第一多 匪線圈的透^L圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的耦合磁結(jié)構(gòu)中所-使用的第二多 臣線圏的透#見(jiàn)圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的耦合磁結(jié)構(gòu)的分解透視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的三相磁結(jié)構(gòu)的分解透視圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的流程圖。
描述
出于解釋而不是限定的目的，在以下的說(shuō)明中，將詳細(xì)闡述精確 的細(xì)節(jié)，例如特定結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、接口、技術(shù)等以提供一個(gè)對(duì)本發(fā) 明各方面的完全的理解。然而，對(duì)于可受益于本發(fā)明公開(kāi)的本領(lǐng)域技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)很清楚，本發(fā)明的各方面可以脫離這些技術(shù)細(xì)節(jié)的其它示 例來(lái)實(shí)施。在一些情況下，省略了對(duì)一些眾所周知的裝置、電路和方 法的說(shuō)明，以免不必要的細(xì)節(jié)模糊了對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明。
參考圖1，耦合磁結(jié)構(gòu)10包括限定了內(nèi)部空間12的四面壺形芯 11。 一個(gè)或更多圓柱形芯13可布置在四面壺形芯11的內(nèi)部空間12 內(nèi)。至少兩個(gè)線圏14、 15可分別纏繞在一個(gè)或更多圓柱形芯13周圍。 至少兩個(gè)線圈14、 15可以多相電能輸送配置來(lái)連接。例如，圖1示出 了耦合磁結(jié)構(gòu)IO，其中線圈14、 15配置為二相電能輸送配置。
例如，所述至少兩個(gè)線圏可包4舌至少兩個(gè)多臣線圈。例如，圖1示出了單個(gè)的圓柱形芯13，兩個(gè)線圏14、 15纏繞在單個(gè)的圓柱形芯 13周圍。在某些實(shí)施例中，單個(gè)的圓柱形芯可以是I-芯。在某些實(shí)施 例中，四面壺形芯11可以是矩形形狀的壺形芯(例如包4舌正方形的壺 形芯)。
參考圖2，耦合磁結(jié)構(gòu)20包括限定了內(nèi)部空間22的四面壺形芯 21。在四面壺形芯21的內(nèi)部空間22內(nèi)布置一個(gè)或更多圓柱形芯23、 26。在一個(gè)或更多圓柱形芯23、 26周圍可相應(yīng)地纏繞至少兩個(gè)線圈 24、 25。所述至少兩個(gè)線圈24、 25可以多相電能輸送配置連接。例如， 圖2示出了耦合磁結(jié)構(gòu)20，其中線圏24、 25配置為二相電能輸送配 置。
例如，所述至少兩個(gè)線圈24、 25可包括至少兩個(gè)多匪線圈。例如， 圖2示出了兩個(gè)圓柱形芯23、 26，兩個(gè)圓柱形芯23、 26中的每個(gè)周 圍纏繞一個(gè)線圈。在某些實(shí)施例中，所述兩個(gè)芯23、 26可以是1-芯。 在某些實(shí)施例中，所述四面壺形芯21可以是矩形形狀的壺形芯(例如 包括正方形的壺形芯)。
參考圖3，耦合磁結(jié)構(gòu)30包括限定了內(nèi)部空間32的四面壺形芯 31。在四面壺形芯31的內(nèi)部空間32內(nèi)可布置一個(gè)或更多圓柱形芯33、 36和37。至少兩個(gè)線圈34、 35和38可相應(yīng)地纏繞在一個(gè)或更多圓柱 形芯33、 36和37周圍。所述至少兩個(gè)線圏34、 35和38可以多相電 能輸送配置連接。例如，圖3示出了耦合磁結(jié)構(gòu)30，其中線圈34、 35 和38配置為三相電能輸送配置。
例如，所述三個(gè)線圏34、 35和38可包括三個(gè)多匝線圈。例如， 圖3示出了三個(gè)圓柱形芯33、 36和37，所述三個(gè)圓柱形芯33、 36和 37的每個(gè)周圍纏繞一個(gè)線圈。在某些實(shí)施例中，所述三個(gè)芯33、 36 和37可以是I-芯。在某些實(shí)施例中，四面壺形芯31可以是矩形形狀 的壺形芯(例如包括正方形的壺形芯)。在給出當(dāng)前的詳細(xì)說(shuō)明的情 況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識(shí)到，依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，為特 定的應(yīng)用目的，可以使用或多或少的芯和/或線圈作為必要或者理想的 部件。參考圖4，電能輸送系統(tǒng)40包括多相切換電路41、耦合到多相切 換電路41的耦合磁結(jié)構(gòu)42和連接到耦合磁結(jié)構(gòu)42的輸出的負(fù)載43。 系統(tǒng)40還可包括連接在耦合磁結(jié)構(gòu)42的輸出和地之間的輸出去耦電 容44。依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，耦合磁結(jié)構(gòu)42可具有任何這里說(shuō) 明的配置，例如，包括限定了內(nèi)部空間的四面壺形芯、布置在四面壺 形芯內(nèi)部空間內(nèi)的一個(gè)或更多圓柱形芯以及相應(yīng)地纏繞在一個(gè)或更多 圓柱形芯周圍的至少兩個(gè)線圈，其中所述至少兩個(gè)線圈以多相電能輸 送配置連接。例如，圖4示出了二相電能輸送系統(tǒng)。
例如，所述至少兩個(gè)線圏可包括至少兩個(gè)多匝線圈。例如，耦合 磁結(jié)構(gòu)42可包括單個(gè)的圓柱形芯，每個(gè)所述至少兩個(gè)線圈纏繞在單個(gè) 的圓柱形芯周圍(如圖l所示)。例如，所述一個(gè)或更多圓柱形芯可 包括兩個(gè)或更多的圓柱形芯，至少一個(gè)線圈纏繞在每個(gè)所述兩個(gè)或更 多圓柱形芯周圍(如圖2和3所示)。在系統(tǒng)40中，所述芯可以是 I -芯而四面壺形芯可以是矩形形狀的壺形芯。
通常情況下，電能輸送系統(tǒng)40可以如以下所述、操作為直流-直 流變換器?？刂齐娐房梢钥刂魄袚Q電路41中的開(kāi)關(guān)的占空因數(shù)，從而 將輸出電壓調(diào)節(jié)在一個(gè)特定的范圍內(nèi)。可以在地和耦合^f茲結(jié)構(gòu)42之間 連接所述開(kāi)關(guān)，以便在相應(yīng)的開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)提供電流通路?？梢允褂枚?相交叉結(jié)構(gòu)以處理較大的電流。在直流-直流降壓變換器(step-down converter) 40中，所述耦合磁結(jié)構(gòu)為每一個(gè)相位提供了感應(yīng)器。每個(gè) 相位各處理一半的輸出電能。如圖4所示，系統(tǒng)40可以設(shè)計(jì)為只有一 個(gè)三端子的芯。
參考圖5到圖9,本發(fā)明的某些實(shí)施例可以為多相穩(wěn)壓器提供耦 合磁結(jié)構(gòu)。具有優(yōu)勢(shì)的是，本發(fā)明的某些實(shí)施例可以以低成本和較筒 單的制作工藝實(shí)現(xiàn)耦合感應(yīng)電路。在某些實(shí)施例中，耦合磁結(jié)構(gòu)90 可以由以下部件制造，具有單獨(dú)的線圏70、 80和1-芯60的壺形芯結(jié) 構(gòu)50。對(duì)于二相穩(wěn)壓器，兩個(gè)線圈70、 80可以纏繞在所述I-芯60周 圍，然后布置在矩形形狀或正方形的壺形芯50的內(nèi)部。
有利地是，所有這些部件都可以先分別制造，然后組裝。因此，制造成本比例如環(huán)形耦合磁結(jié)構(gòu)低。有利地是，線圈的匝數(shù)可以根據(jù) 提供需要的電感值所需匝數(shù)來(lái)調(diào)整。而且，某些實(shí)施例中的多匝線圈 在提供高電感上具有優(yōu)勢(shì)。相應(yīng)地，本發(fā)明的某些實(shí)施例可以比某些
H-芯(H-core)耦合磁結(jié)構(gòu)(此結(jié)構(gòu)可能被限制于單匝線圈)提供更大的 設(shè)計(jì)靈活性和更高的電感。
如圖9所示，可以將兩個(gè)線圈70、 80堆疊在I-芯60上，并且連 接在共同的端子處以提供二相耦合磁結(jié)構(gòu)90。當(dāng)組裝完成以后，壺形 芯50包含了線圏70、 80并且可提供低磁阻的磁通路，這樣磁通量可 以基本上包含在耦合磁結(jié)構(gòu)90內(nèi)。線圈70、 80都可以共享相同的磁 通路。因此，可以減少和最小化線圈70、 80之間的不平纟軒。因?yàn)榫€圈 70、 80和壺形芯50之間的空間提供了高磁阻，也可以減少和最小化 線圈70、 80和外層芯50之間的磁鏈接(magnetic link )。
并非限定本發(fā)明的范圍，壺形芯通常有圍繞著開(kāi);^文的內(nèi)部空間的 高而薄的側(cè)。矩形形狀的壺形芯有立方體的形狀，并且移除兩個(gè)相對(duì) 面，留下四個(gè)垂直的面圍繞著開(kāi)放的內(nèi)部空間(如圖5中的壺形芯50)。 并非限定本發(fā)明的范圍，I-芯與圓柱棒形條狀芯相似，但是有基本上 為矩形形狀的、平坦的側(cè)(如圖6中的I-芯60)。
參考圖10，另一個(gè)耦合磁結(jié)構(gòu)lOO可以包括三個(gè)I-芯，三個(gè)I-芯 的每個(gè)周圍都纏繞多匝線圏。三個(gè)線圈可連接在相同端子以提供三相 井禺合》茲結(jié)構(gòu)。
如這里說(shuō)明，本發(fā)明的某些實(shí)施例可以提供制造相對(duì)比較簡(jiǎn)單的 耦合磁結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以控制線圏的耦合系數(shù)。例如，本發(fā)明的某些實(shí) 施例尤其適合需要大負(fù)載電流階躍的負(fù)載，如處理器或其它高密度集 成電路。有利地是，本發(fā)明的某些實(shí)施例可以減少輸出處的等效電感， 因此使更高帶寬的穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)成為可能，同時(shí)大大減少印刷電路板 上電能輸送的成本和面積。
另外，本發(fā)明的某些實(shí)施例可以提供非?？斓碾姼须娏鬓D(zhuǎn)換速率， 因此允許非常淺的負(fù)載線路容量(load-linecapability)。例如，提供給負(fù) 載(如計(jì)算機(jī)中央處理器CPU)的直流輸出電壓可以更低。因此，本發(fā)明的某些實(shí)施例可以為計(jì)算機(jī)中央處理器CPU提供功率減小的機(jī) 會(huì)，無(wú)論CPU處在普通模式還是處在熱設(shè)計(jì)功耗(TDP)模式下。本 發(fā)明的某些實(shí)施例可以提供小或最小的封裝方案(footprintsolution)， 這些方案不需要轉(zhuǎn)換非?？?如>〉300， 000赫茲)的穩(wěn)壓器，因此使 高效率的設(shè)計(jì)成為可能。
參考圖11,本發(fā)明的某些實(shí)施例涉及分別提供限定了內(nèi)部空間的 四面壺形芯和一個(gè)或更多圓柱形芯(如方框110所示)，分別提供限 定了內(nèi)部空間的四面壺形芯和一個(gè)或更多圓柱形芯(如方框111所 示)，確定為了向目標(biāo)應(yīng)用提供多相電能所需要的匝數(shù)(如方框112 所示)，根據(jù)已確定的匝數(shù)，在所述一個(gè)或更多圓柱形芯周圍纏繞至 少兩個(gè)導(dǎo)線(如方框113所示)，在四面壺形芯的內(nèi)部空間內(nèi)力欠置連 同所述至少兩個(gè)線圈的一個(gè)或更多圓柱形芯(如方框114所示)，以 及配置所述至少兩個(gè)線圏以提供多相電能(如方框115所示)。
例如，所確定的匝數(shù)可大于1 (如方框116所示)。在某些實(shí)施 例中，所述一個(gè)或更多圓柱形芯可以包括單個(gè)的圓柱形芯并且在所述 單個(gè)的圓柱形芯周圍纏繞所述至少兩個(gè)線圏的每一個(gè)(如方框117所 示)。在某些實(shí)施例中，所述一個(gè)或更多圓柱形芯可以包括兩個(gè)或更 多的圓柱形芯并且在所述兩個(gè)或更多的圓柱形芯中的每一個(gè)的周圍纏 繞至少一個(gè)線圈(如方框118所示)。在某些實(shí)施例中，所述一個(gè)或 更多圓柱形芯可以包括一個(gè)或更多I-芯(如方框119所示)。
本發(fā)明的上述和其它方面已經(jīng)單獨(dú)和結(jié)合實(shí)現(xiàn)。不應(yīng)將本發(fā)明理 解為需要包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的這些方面，除非有特定的權(quán)利要求明 確地提出這樣的需要。此外，雖然對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明是與當(dāng)前被認(rèn)為是 優(yōu)選的示例相結(jié)合的，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不局限于已披露的示 例，相反，本發(fā)明應(yīng)包含在本發(fā)明的本質(zhì)和范圍內(nèi)的各種修改和等價(jià) 的設(shè)置。
權(quán)利要求
1. 一種裝置，包括限定了內(nèi)部空間的四面壺形芯；布置在所述四面壺形芯的內(nèi)部空間內(nèi)的一個(gè)或更多圓柱形芯；相應(yīng)地纏繞在所述一個(gè)或更多圓柱形芯周圍的至少兩個(gè)線圈，其中所述至少兩個(gè)線圈以多相電能輸送配置連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述四面壺形芯包括矩形形狀的壺形芯。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述至少兩個(gè)線圈包括至少兩 個(gè)多匝線圈。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯還包 括一個(gè)或更多I-芯。
5. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯還包 括單個(gè)的圓柱形芯以及其中所述至少兩個(gè)線圏中每一個(gè)纏繞在所述單 個(gè)的圓柱形芯周圍。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述單個(gè)的圓柱形芯包括I-芯。
7. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯還包 括兩個(gè)或更多的圓柱形芯，以及在所述兩個(gè)或更多的圓柱形芯中的每 一個(gè)周圍纏繞至少 一個(gè)線圏。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯包括 一個(gè)或更多I-芯。
9. 一種方法，包括分別提供限定了內(nèi)部空間的四面壺形芯以及一個(gè)或更多圓柱形芯;確定為了向目標(biāo)應(yīng)用提供多相電能所需要的匝數(shù)； 根據(jù)已確定的臣數(shù)，在所述一個(gè)或更多圓柱形芯周圍纏繞至少兩 根導(dǎo)線；在所述四面壺形芯的所述內(nèi)部空間內(nèi)i丈置連同所述至少兩個(gè)線圈的所述一個(gè)或更多圓柱形芯；配置所述至少兩個(gè)線圈以提供多相電能。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所迷四面壺形芯包括矩形形 狀的壺形芯。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述確定的匝數(shù)大于一。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯包 括一個(gè)或更多I-芯。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯包 括單個(gè)的圓柱形芯，以及其中每個(gè)所述至少兩個(gè)線圈纏繞在所述單個(gè) 的圓柱形芯周圍。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述單個(gè)的圓柱形芯包括I-芯。
15. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯包 括兩個(gè)或更多的圓柱形芯并且在所述兩個(gè)或更多的圓柱形芯中每一個(gè) 的周圍纏繞至少一個(gè)線圈。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯包 括一個(gè)或更多I-芯。
17. —種系統(tǒng)，包括 多相切換電路；耦合到所述多相切換電路的耦合磁結(jié)構(gòu)； 連接到所述耦合磁結(jié)構(gòu)輸出的負(fù)載， 其中所述耦合磁結(jié)構(gòu)包括 限定了內(nèi)部空間的四面壺形芯；布置在所述四面壺形芯的內(nèi)部空間內(nèi)的 一個(gè)或更多圓柱形芯； 相應(yīng)地纏繞在所述一個(gè)或更多圓柱形芯周圍的至少兩個(gè)線圈，其 中所述至少兩個(gè)線圏以多相電能輸送配置連接。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述四面壺形芯包括矩形形 狀的壺形芯。
19. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)線圈包括至少 兩個(gè)多匝線圈。
20. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯包 括一個(gè)或更多I-芯。
21. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯包 括單個(gè)的圓柱形芯以及其中所述至少兩個(gè)線圈中的每一個(gè)纏繞在所述 單個(gè)的圓柱形芯周圍。
22. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述單個(gè)的圓柱形芯包括I-芯o
23. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述一個(gè)或更多圓柱形芯包 括兩個(gè)或更多I-芯，而且在所述兩個(gè)或更多I-芯中的每一個(gè)周圍纏繞 至少一個(gè)線圏。
全文摘要
在一些實(shí)施例中，可配置多相耦合磁結(jié)構(gòu)可包括限定了內(nèi)部空間的四面壺形芯；布置在所述四面壺形芯內(nèi)部空間內(nèi)的一個(gè)或更多圓柱形芯，纏繞在所述一個(gè)或更多圓柱形芯周圍的至少兩個(gè)線圈，其中所述至少兩個(gè)線圈以多相電能輸送配置連接。所述線圈可以是多匝線圈。所述四面壺形芯可以是矩形形狀的壺形芯。所述圓柱形芯可以是I-芯。本文也公開(kāi)和聲明了其他實(shí)施例。
文檔編號(hào)H01F30/06GK101479817SQ200780024361
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日
發(fā)明者D·阮, J·羅德里格斯, J·韓 申請(qǐng)人:英特爾公司