本申請涉及功率轉換器，并且更具體地，涉及用于功率轉換器的表面安裝電感器。

背景技術：

諸如dc-dc轉換器的功率轉換器包括多個有源和無源部件，包括用于調節負載的電壓的功率級(諸如處理器)。功率級通過輸出電感器耦合至負載。功率轉換器的部件(包括輸出電感器)與負載一起附接至印刷電路板(pcb)。pcb具有用于電互連功率轉換器的部件以及將轉換器的功率級電連接至負載的各種電路徑。傳統地，功率級在與輸出電感器相同的平面中附接至pcb，增加了pcb的大小。此外，用于pcb的傳統布局設計實踐進一步復雜化功率轉換器部件的這種布置。

技術實現要素：

根據用于放置在功率轉換器的功率級之上的表面安裝電感器的實施例，表面安裝電感器包括第一電導體和磁芯，磁芯具有頂主面和底主面以及在頂主面和底主面之間延伸的側面。第一電導體包括沿著磁芯的第一側面延伸的第一部分、沿著與第一側面相對的第二側面延伸的第二部分以及連接第一和第二部分并延伸穿過磁芯的第三部分。第一電導體還包括第一直引線和第二直引線，第一直引線從第一部分開始向下延伸超過磁芯的底主面，第二直引線從第二部分開始向下延伸超過磁芯的底主面。第一直引線具有被配置用于表面安裝至電路板的直末端。第二直引線也具有被配置用于表面安裝至電路板的直末端。第一和第二直引線均具有允許功率級被安裝至電路板的高度和寬度，電路板至少部分地位于磁芯下方。

根據功率轉換器組件的實施例，功率轉換器組件包括：電路板，具有第一側和與第二側相對的第二側；功率轉換器的功率級裸片，附接至電路板的第一側；以及表面安裝電感器，電連接至功率級裸片的輸出并且在電路板的第一側上設置在功率級裸片之上。表面安裝電感器包括第一電導體和磁芯，磁芯具有頂主面和底主面以及在頂主面和底主面之間延伸的側面。第一電導體包括沿著磁芯的第一側面延伸的第一部分、沿著與第一側面相對的第二側面延伸的第二部分以及連接第一和第二部分并延伸穿過磁芯的第三部分。第一電導體還包括第一直引線和第二直引線，第一直引線從第一部分開始向下延伸超過磁芯的底主面，第二直引線從第二部分開始向下延伸超過磁芯的底主面。第一直引線具有表面安裝至電路板的直末端。第二直引線也具有表面安裝至電路板的直末端。第一和第二直引線均具有允許功率級被安裝至電路板的高度和寬度，電路板至少部分地位于磁芯下方。

根據制造功率轉換器組件的方法的實施例，該方法包括：將功率轉換器的功率級裸片附接至電路板的第一側；以及將表面安裝電感器附接至電路板的第一側，使得表面安裝電感器電連接至功率級裸片的輸出并且在電路板的第一側上設置在功率級裸片之上。表面安裝電感器包括磁芯和第一電導體。第一電導體包括：第一部分，沿著磁芯的第一側面延伸；第二部分，沿著磁芯的第二側面延伸；第三部分，連接第一和第二部件并延伸穿過磁芯；第一直引線，從第一部分開始向下延伸超過磁芯的底主面并具有直末端；以及第二直引線，從第二部分開始向下延伸超過磁芯的底主面并具有直末端，第一和第二直引線均具有允許功率級被安裝至電路板的的高度和寬度，電路板至少部分地位于磁芯下方。在功率級裸片附接至電路板的第一側之后，通過將第一和第二直引線的直末端在電路板的第一側處附接至相應的導電接觸區域，表面安裝電感器附接至電路板的第一側，一個導電接觸區域電連接至功率級裸片的輸出。

本領域技術人員在閱讀以下詳細描述并查看附圖之后意識到附加的特征和優勢。

附圖說明

附圖的元件不是必須相對地按比例繪制。類似的參考標號表示對應的類似部件。各個所示實施例的特征可以組合，除非相互排除。在附圖中示出且在以下說明書中詳細描述實施例。

圖1a至圖1f示出了被成形為在電感器下方容納功率轉換器的功率級裸片的表面安裝電感器的不同示圖。

圖2示出了包括在被成形為在電感器下方容納功率轉換器的功率級裸片的表面安裝電感器中的磁芯的側視圖。

圖3a至圖3d示出了圖1所示磁芯使用的電導體的不同示圖。

圖4示出了根據另一實施例的被成形為在電感器下方容納功率轉換器的功率級裸片的表面安裝電感器的側視圖。

圖5示出了包括一個或多個表面安裝電感器的功率轉換器組件的頂視圖，其中表面安裝電感器被成形為在電感器下方容納功率轉換器組件的功率級裸片。

圖6示出了被成形為容納完全或部分放置在電感器下方的兩個功率轉換器的兩個功率級裸片的2相表面安裝電感器的側視圖。

圖7示出了根據另一實施例的被成形為在電感器下方容納兩相功率轉換器的兩個功率級裸片的2項表面安裝電感器的側視圖。

圖8a示出了被成形為容納完全或部分放置在電感器下方的兩個功率轉換器的兩個功率級裸片的非耦合2相表面安裝電感器的實施例的側視圖。

圖8b示出了被成形為容納完全或部分放置在電感器下方的兩個功率轉換器的兩個功率級裸片的耦合2相表面安裝電感器的實施例的側視圖。

具體實施方式

根據本文描述的實施例，功率轉換器(諸如dc-dc轉換器)的每個功率級裸片都被放置在用于該功率級(例如，降壓拓撲)的對應輸出電感器下方，以減小功率轉換器解決方案的總體尺寸。每個功率級都將轉換器的輸出相提供給負載。在單相dc-dc非隔離轉換器的情況下，提供了單個功率級。在多相dc-dc非隔離轉換器的情況下，為轉換器的每相提供功率級。每個功率級裸片都將通過輸出電感器的相電流傳輸至被功率轉換器調節的負載。每個功率級裸片都可以具有高側晶體管和低側晶體管，用于通過對應的輸出電感器耦合至負載。每個功率級的高側晶體管可切換地將負載連接至功率轉換器的輸入電壓，并且對應的低側晶體管在不同的周期可切換地將負載連接至地。每個功率級裸片都可以包括有源半導體部件(諸如mosfet(金屬氧化物半導體場效應晶體管)、驅動器等)和對應的無源部件。可以從裸片中排除無源部件并且被設置為獨立部件。通常，當附接至諸如pcb的電路板以形成功率轉換器組件時，每個功率級裸片都包括用于將功率轉換器的輸出相提供給負載的至少有源半導體部件并放置在對應的輸出電感器下方。功率級裸片不限于整體的單個功率級，但是還可以包括集成封裝件(包括一個或多個裸片，包括但不限于驅動器、高側和低側fet)。

圖1a示出了被成形為在電感器100下方容納功率轉換器的功率級裸片的表面安裝電感器100的側視圖。圖1b示出了表面安裝電感器100的頂視圖。圖1c示出了表面安裝電感器100的底視圖。圖1d示出了表面安裝電感器100的側視圖。圖1e示出了表面安裝電感器100的前視圖。圖1f示出了用于表面安裝電感器100的電路板的腳印(footprint)的頂視圖。

表面安裝電感器100包括電導體102和磁芯104，磁芯104具有頂主面和底主面106、108以及在頂主面和底主面106、108之間延伸的側面110、112、114、116。電導體102包括沿著磁芯104的第一側面110延伸的第一部分118、沿著與第一側面110相對的第二側面112延伸的第二部分120以及連接第一和第二部分118、120并延伸穿過磁芯104的第三部分122。電導體102還包括從第一部分118向下延伸超過磁芯104的底主面108的第一直引線124以及從第二部分120向下延伸超過磁芯104的底主面108的第二直引線126。磁芯104可以包括兩個或更多個部分128、130，電導體的第三部分122夾置在它們之間。磁芯部分128、130例如可以通過粘合劑相互附接，以將電導體102固定在適當位置并且確保導體102的直引線124、126可經由標準表面安裝工藝接觸。

第一和第二直引線124、126均具有被配置用于表面安裝至電路板的直末端132、134。此外，第一和第二直末端124、126均具有允許將要安裝至電路板的功率級至少部分地位于磁芯104下方的高度(d)和寬度(f)，這將在下面進行詳細描述，表示功率級部分或完全被電感器100覆蓋。例如，功率級的一側或多側可以保持暴露，使得沿著功率級的該側的管腳容易被看見。為了容易示出表面安裝電感器100，在圖1a至圖1f中未示出功率級。

表面安裝電感器100的尺寸可以根據至少部分地容納在電感器100下方的功率級裸片或部件的尺寸而顯著變化。在圖1b至圖1e中，表面安裝電感器100的總長度被標為a，總寬度標為b，以及總高度標為c。此外，在圖1b至圖1e中，電導體的直引線的高度標為d，直引線之間的間隔標為e，直引線的寬度標為f，以及直引線的厚度標為g。圖1f示出了用于表面安裝電感器100的示例性電路板腳印，其中，h表示用于電路板上的引線腳印的外間隔，i表示用于電路板上的引線腳印的內間隔，以及j表示用于電路板上的引線腳印的長度。

直引線124、126應該足夠寬且足夠厚以確保磁芯104可以上升到電路板上方的給定距離，以提供用于在電感器100下方放置功率級裸片的足夠空隙，并且使得在表面安裝工藝期間電感器100保持適當地位于電路板上。例如，在表面安裝電感器具有約10-11mm的長度(a)和約8.5至9.5mm的寬度(b)的情況下，直引線124、126的高度(d)可以在約1.0至1.5mm的范圍內，直引線124、126的寬度(f)可以在約3.5至5.5mm的范圍內，并且直引線124、126的厚度(g)可以在約0.8至1.0mm的范圍內。這些尺寸范圍僅用于說明的目的。在廣義上來說，直引線124、126的尺寸是總體電感器尺寸的函數，而總體電感器尺寸又是至少部分地容納在電感器100下方的功率級裸片的尺寸的函數。直引線124、126的尺寸可以根據期望進行選擇，只要引線124、126足夠寬且足夠厚以確保磁芯104可以上升到需要至少部分地在電感器100下方容納功率級裸片的特定距離，并且使得電感器100在上述表面安裝工藝期間保持適當地位于電路板上。在功率級和電感器組件在板的同一側上期間，這些部件不相互碰觸并且不是整體(或模制在一片中)功率模塊的部分。

通常，電導體102的直引線124、126應該具有相同高度(d)以確保電感器100的適當表面安裝。直引線124、126的高度(d)必須在足夠大以至少部分地在表面安裝電感器100下方容納功率級裸片。直引線124、126從電導體102的相應第一和第二部分118、120延伸到磁芯104的底主面108下方，以提供容納功率級裸片的所需間隔。第一直引線118可以具有與電導體102的第一部分118相同的寬度(f)，并且第二直引線126可以具有與電導體102的第二部分120相同的寬度。在其他情況下，直引線124、126可以寬于或窄于從其中延伸的電導體102的對應部分118/120。

圖2示出了包括在圖1a至圖1e所示表面安裝電感器100中的磁芯104的底部分128的一個實施例。根據該實施例，磁芯104的第一側面110具有用于接收電導體102的第一部分118的第一通道200，磁芯104的第二側面112具有用于接收電導體102的第二部分120的第二通道202，以及磁芯104的底部分128具有用于接收電導體102的第三部分122的第三通道204。

圖3a至圖3d示出了圖1a至圖1e所示表面安裝電感器100中包括的電導體102的不同示圖。圖3a示出了電導體102的側視圖。圖3b示出了電導體102的側視圖。圖3c示出了電導體102的前視圖。圖3d示出了電導體102的側視圖。根據該實施例，電導體102的第三部分122窄于第一和第二部分118、120。例如，電導體102的第三部分122可以具有第一和第二部分118、120的寬度(w2)的50％和75％之間的寬度(w1)。電導體102可以成形為例如類似訂書釘，并且具有單個連續的構造。

圖3a至圖3d所示電導體102可以通過利用直金屬導體來形成，該直金屬導體在中間具有小寬度(w1)且朝向端部具有大寬度(w2)，并且在寬度過渡點處彎曲導體，使得電導體在第一和第三部分118、122中間具有第一彎曲部300且在第二和第三部分120、122之間具有第二彎曲部302。根據該實施例，電導體102在第一彎曲部300和第一直引線124之間和在第二彎曲部302和第二直引線126之間的寬度大于第一和第二彎曲部300、302之間的寬度，即w2>w1。通過這種結構，電導體102的第三(中間)部分122在通過磁芯104時提供較大的電感，并且較寬端部118、120提供較低dcr，即電感器的金屬導體中的固有電阻。可選地，與磁芯104相鄰的電導體102的所有部分118、120、122都具有相同寬度，即，w2＝w1。

圖4示出了根據另一實施例的包括在圖1a至圖1e所示表面安裝電感器100中的電導體102的側視圖。在這種情況下，電導體的第一部分118(其沿著磁芯104的第一側面110延伸)在其整個長度上不具有均勻的寬度。相反，電導體102的第一部分118在遠離磁芯104的底主面108的端部處具有較小寬度(w2a)，并且在接近磁芯104的底主面108的端部處具有較大寬度(w2b)。電導體102的第二(相對)部分120(其沿著磁芯103的第二(相對)側面112延伸)也在其整個長度上不具有均勻寬度，但是在圖4中未示出。

圖5示出了包括一個或多個本文所述表面安裝電感器的功率轉換器組件400的實施例的部分示圖。根據該實施例，功率轉換器組件400包括諸如pcb的電路板404，其具有第一主側和與第一側相對的第二主側。功率轉換器的至少一個功率級裸片406附接至電路板400的第一側。在一個實施例中，功率轉換器是dc-dc轉換器，其具有附接至電路板400的第一側的多個功率級裸片406。在這種情況下，dc-dc轉換器是多相轉換器，并且每個功率級裸片406都將通過輸出電感器100的相電流傳輸至由dc-dc轉換器調節的負載。負載的vout節點附接至電路板400與功率級裸片406相同的一側，并且在板400相對于負載的同一側或相對側處連接。負載可以是任何類型的要求調節電壓的電路，諸如一個或多個處理器。負載和功率轉換器的各個部件(諸如輸出電容器、控制器等)在圖5中未示出。這些部件在圖5中未示出，因為它們的示出并不需要幫助理解本發明。

圖5的左手側示出了在將輸出電感器100附接至電路板400的第一側之前的多相dc-dc轉換器的一相，以及右手側示出了在對應的輸出電感器100附接至電路板400的第一側之后的第二相。每個輸出電感器100都是本文所述種類的表面安裝電感器。還附接至電路板400的第一側的是功率轉換器的無源部件402，諸如輸入電容器、輸出電容器、電阻器等。在一個實施例中，功率轉換器的一些無源部件402可以容納在輸出電感器100下方。在任意情況下，在相應的輸出電感器100之前，無源部件402和功率級裸片406附接至電路板400的第一側。一個功率級裸片406在圖5的左手側可見。用于安裝至電路板該部分的對應輸出電感器的腳印對應于圖5中的標為“pre”的實線框。在無源部件402和功率級裸片406之后，輸出電感器100附接至電路板400的第一側。在圖5的右手側可見一個輸出電感器100。用于具有彎曲引線的傳統輸出電感器的腳印對應于圖5中標為“con”的虛線框。

附接至電路板400的部件(包括輸出電感器100)通過導電通孔408和/或跡線410、412(它們是電路板400的一部分)電連接至功率級裸片406的各個終端。每個輸出電感器100都是本文所述種類的表面安裝電感器，并且電連接至對應功率級裸片406的輸出并且設置在電路板400的第一側上的該裸片406之上。如此，每個輸出電感器100都具有磁芯和電導體，電導體包括沿著磁芯的第一側面延伸的第一部分、沿著磁芯的相對的第二側面延伸的第二部分以及連接第一和第二部分并延伸穿過磁芯的第三部分。每個電導體還包括第一直引線和第二直引線，第一直引線從第一部分向下延伸超過磁芯的底主面并具有被配置用于表面安裝至電路板400的直末端，第二直引線從第二部分向下延伸超過磁芯的底表面并具有被配置用于表面安裝至電路板400的直末端。如本文先前所述，第一和第二直引線均具有允許安裝至電路板400的功率級裸片406至少部分地位于磁芯下方的高度和寬度。

在功率級裸片406附接至電路板400的同一側之后，每個表面安裝電感器100都通過在電路板400的第一側處將直引線的直末端附接至相應的導電接觸區域410、412而附接至電路板400的第一側。一個導電接觸區域410電連接至對應功率級裸片406的輸出(vout)。另一導電接觸區域412電連接至功率轉換器的切換輸出(vsw)。

圖6示出了被成形為在電感器500下方容納功率轉換器的一個或多個功率級裸片的表面安裝電感器500的另一實施例的側視圖。根據該實施例，表面安裝電感器500是2相耦合或非耦合電感器。即，表面安裝電感器500還包括與第一電導體102隔開的第二電導體502。第一電導體102與功率轉換器的功率級的第一相相關聯，并且第二電導體502與功率級的第二相相關聯。類似于第一電導體102，第二電導體502包括沿著磁芯104的第一側面110延伸的第一部分504、沿著磁芯104的第二側面112延伸的第二部分(未示出)以及連接第一和第二部分且延伸穿過磁芯104的第三部分506。

在非耦合電感器結構中，第二電導體502還包括從第一部分508向下延伸超過磁芯104的底主面108且具有被配置用于表面安裝至電路板的直末端510的第一直引線508以及從第二部分向下延伸超過磁芯104的底主面108且也具有被配置用于表面安裝至電路板的直末端514的第二直引線512。在兩相耦合電感器結構中，電導體102、502均在磁材料的同一側處進出磁芯104。另外，以延伸引線512和126結束的另一相電導體(未示出)對應于第二相的vsm和vout節點。在任意結構中，第二電導體502的直引線508、512(類似于第一電導體102的直引線124、126)均具有允許將被安裝至電路板的一個或多個功率級裸片至少部分地位于磁芯104下方的高度和寬度。這種概念可一般延伸到m相表面安裝電感器。

圖7示出了被成形為在電感器下方容納兩個功率轉換器的兩個功率級裸片的表面安裝電感器的又一實施例的側視圖。圖7所示實施例類似于圖6所示的實施例。然而，不同在于，2相耦合或非耦合電感器的電導體102、502的相對第一和第二部分的每一對在它們的相應長度之上不具有均勻的寬度。相反，沿著磁芯104的第一側面110延伸的每個電導體102、502的第一部分118、504在遠離磁芯104的底主面108的端部處具有較小寬度(w2a1、w2a2)以及在接近磁芯104的底主面108的端部處具有較大寬度(w2b1、w2b2)。沿著磁芯104的第二(相對)側面112延伸的每個電導體102、502的第二(相對)部分也在其長度之上不具有均勻的寬度，但是在圖7中未示出。

圖6和圖7所示的多相表面安裝電感器可以實施為上述耦合或非耦合電感器。圖8a示出了2相電感器的非耦合實施方式，其中，每個電導體102、502都從磁芯104的相對側進出。圖8b示出了2相電感器的耦合實施方式，其中，一個電導體102從磁芯104的一側進出，以及另一電導體502從磁芯104的相對側進出。在圖8a和圖8b中，針對電導體102、502的每一終端標記相應相的vsw和vout節點。該概念可一般延伸至m相表面安裝電感器。

本文描述的表面安裝電感器具有直引線，其可表面安裝并且具有充分的高度來允許功率轉換器的功率級至少部分地容納在電感器下方。直引線的高度取決于電感器和功率級的尺寸，但是在一些情況下可以在1.0至1.5mm的范圍內。在板制造期間，可以在單個焊料回流中的功率級放置或者手動作為部件組裝的第二步驟之后來組裝直引線表面安裝電感器。在單個焊料回流的情況下，電感器下方的功率級控制管腳的視覺檢查不可以通過自動顯微鏡檢查來進行，意味著x射線機器應該用于檢查被電感器覆蓋的管腳。通過在用于功率級和功率轉換器的其他部件的焊料回流工藝之后手動安裝直引線表面安裝電感器，在電感器附接之前可以經由顯微鏡進行視覺光學檢查。

與具有彎曲引線的可比較表面安裝電感器相比，對于相同類型的電流應用來說，本文描述的直引線電感器具有例如大約2mm的較短總體電感器長度。直引線被制造得特別厚(例如，0.8至1.0mm厚)以防止電感器在焊料回流期間滑動。直引線還足夠寬(例如，3.5至5.5mm寬)以實現顯著較低的電感器dcr。例如，0.17-19mω范圍內的dcr在用于5相服務器電壓調節器的全負載下節省1w功率。本文描述的表面安裝電感器可用于服務器cpu(中央處理單元)、圖形卡gpu(圖形處理單元)、電信asic(專用集成電路)和fpga(現場可編程門陣列)應用等。

諸如“下方”、“以下”、“下部”、“之上”、“上部”等的空間相對術語用于容易解釋一個元件相對于第二元件的定位。這些術語用于包括除圖中所示不同定向之外的不同定向。此外，諸如“第一”、“第二”等的術語還用于描述各種元件、區域、部分等，并且也不用于限制。類似的術語在說明中表示類似的元件。

如本文所使用的，術語“具有”、“包含”、“包括”等是開放性術語，其表示所指元件或特征的存在，但是不排除附加的元件或特征。冠詞“一個”和“該”用于包括多個以及單個，除非另有明確指定。

通過上述范圍的變形和應用，應該理解，本發明不通過前文的描述來進行限定也不通過附圖來進行限定。相反，本發明僅通過以下權利要求及其等效物來進行限定。