CN101031986A - 用于多相变压器的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

介绍了一种用于多相变压器(200)的方法和装置。在一个实施例中，用于多相变压器的耦合电感线圈拓扑包括N个初级电感线圈(210－240)。在一个实施例中，每个初级电感线圈耦合到N个输入节点(201－1、201－2、201－3、201－4)中的一个输入节点和公共输出节点(250)。该变压器还包括N－1个串联耦合在一个输入节点(201－1)和公共输出节点(250)之间的次级电感线圈(222－242)。在一个实施例中，布置N－1个次级电感线圈(222－242)以耦合来自所述初级电感线圈(220－240)中的N－1个的能量，从而提供作为N个输入节点电压(201－1、201－2、201－3、201－4)的平均值的公共节点电压(250)，其中N是大于2的整数。描述了其他实施例，并要求其权利。

Description

用于多相变压器的装置和方法
技术领域
本发明的一个或多个实施例通常涉及集成电路和计算机***设计领域。更具体地，本发明的一个或多个实施例涉及用于多相变压器的方法和装置。
背景技术
设计计算机***中的电源，以满足集成电路芯片(IC)的特定功率需求，其中集成电路芯片(IC)是该***的部件。IC的额定工作电压一般是已知的，这是因为大部分IC被加工成满足器件工作的工业标准。例如，晶体管-晶体管逻辑(TTL)器件的额定供电电压是5.0V，而互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的额定供电电压是3.3V。
理论上，电源供应可靠并且精密的额定电压电平，但是电源一般由于许多因素而变得不精确。电源的典型可靠范围是加或减5％。因此，将大部分IC设计成在额定电压加或减5％的范围内工作。然而，一些IC对电源的不精确度容许低，而一些IC可能需要的额定工作电压不同于标准TTL和CMOS电压。具有这些特性之一或者全部特性的IC的工作电压可以由DC-DC变换器提供，该DC-DC变换器将电源的DC输出变换成期望的DC工作电压。
DC-DC变换器一般是开关型电压调节器，这种开关型电压调节器比线性调节器的效率高。当DC-DC变换器用于为单个IC提供电压时，重点是效率需求，所述单个IC可以是计算机***的处理器。如果在DC-DC变换器工作时消耗过多的功率，则需要散热片并且将会增加DC-DC变换器的空间面积。在可用板空间的数量是有限时，这是特别不希望的。
此外，尽管供电电压(Vcc)不断缩减，但是每一代高性能微处理器的最大电流消耗、电流密度以及电流瞬态需求量都以50％增加。Vcc的降低使得以高的变换效率递送较大电流变得更加有挑战性，特别是由于最大可接受的Vcc变化是目标Vcc值的10％的数量级。在存在大的瞬态电流的情况下，利用传统方法满足微处理器管芯上的Vcc变化目标需要极其大量的片上去耦电容(decap)。或者，需要主板电压调节器和变换器模块(VRM)在更高的频率下工作。
附图说明
在附图中，本发明的各种实施例是作为实例阐述，而不是对其的限制，其中：
图1是使用根据一个实施例的多相微型变压器的DC-DC变换器的示意性框图；
图2是示出根据一个实施例的具有耦合电感线圈拓扑的变压器的示意性框图；
图3是示出根据一个实施例的具有耦合电感线圈拓扑的变压器的示意性框图；
图4是示出根据一个实施例的包括耦合电感线圈拓扑的变压器的示意性框图；
图5A是示出根据一个实施例的多相微型变压器的框图；
图5B是示出根据一个实施例的图5A的多相微型变压器的横截面的框图；
图6A是示出根据一个实施例的具有集成在处理器管芯上的DC-DC变换器的电子***的简图；
图6B是示出根据一个实施例的包括在其中具有通孔的三维(3D)层叠管芯上的DC-DC变换器的电子***的简图；
图7是示出使用所公开技术的各种设计表示或者用于仿真、模拟的形式以及设计制造的框图。
具体实施方式
降低供电电压(Vcc)以用于低压应用(例如手机/手持设备)，这使得以高的转换效率供应大电流变得非常有挑战性。在存在大的瞬态电流的情况下，特别是对于低电压平台，利用传统方法满足微处理器管芯上的Vcc变化目标需要极其大量的片上去耦电容。满足Vcc变化的可选技术是使用主板电压调节器和变换器模块(VRM)，其在高频率下工作。此外，需要昂贵的解决方案以使片外供电网络的阻抗(Zext)最小化，其中片外供电网络将大电流从VRM通过板、插槽以及封装迹线传送到管芯。
相应地，图1示出了根据一个实施例的直流(DC)到DC(DC-DC)变换器100，该DC-DC变换器100可以封装或者集成在处理器的管芯上。DC-DC变换器是接收DC输入电压并产生DC输出电压的设备。一般地，所产生输出的电压电平不同于输入。可以将DC-DC变换器配置为升高电压(升压)、降低电压(降压)或者将输出电压关于输入电压反向。
如图1所示，DC-DC变换器包括桥120(120-1、120-2、120-3、120-4)，这些桥耦合到输入节点101以接收例如12V的输入电压(Vin)。每个桥可以包括一个或多个开关122(122-1、122-2、122-3、122-4)和124(124-1、124-2、124-3、124-4)，其可以用来驱动变压器200以在输出节点150提供输出电压(Vout)，该输出电压是接收的输入电压(V1、V2、V3、V4)的平均值。典型地，将去耦电容器(C)耦合到输出节点150。在一个实施例中，控制电路110控制桥120打开和关断他们各自的开关122和124以在输出节点150生成Vout。在一个实施例中，根据例如耦合电感线圈拓扑，配置变压器200，例如参照图2到图5B所示的那样。
图2是示出根据一个实施例的具有耦合电感线圈拓扑的变压器200的示意性框图。在一个实施例中，变压器200是具有N相(N＝4)的多相变压器。在一个实施例中，变压器200近似理想的多相变压器，使得对于1∶1∶1∶1的匝数比，可以将紧耦合描述为：
         (V1+V2+V3+V4)/4＝VS                    (1)
换言之，变压器200包括用于接收输入电压V1、V2、V3、V4的输入节点201(201-1、201-2、201-3、201-4)以及用于提供公共节点输出电压(VS)的公共节点250。一般地，因为绕组之间的不对称耦合，因此难以将理想变压器实现为许多相(N大于2)。此外，具有理想多相变压器拓扑的三相变压器限于使用在大功率应用中，而不适用于管芯集成。
因此，在一个实施例中，示出的变压器200包括耦合在第一输入节点201-1和公共节点250之间的第一初级电感线圈(L1)210。同样地，第二初级电感线圈(L2)耦合在第二输入节点201-2和公共输出节点250之间。第三初级电感线圈(L3)耦合在第三输入节点201-3和公共输出节点250之间。最后，第四初级电感线圈(L4)240耦合在第四输入节点201-4和公共输出节点250之间。
在一个实施例中，第一次级电感线圈(Lx2)222、次级电感线圈(Lx3)以及第三次级电感线圈(Lx4)242串联耦合在第一输入节点201-1和公共输出节点250之间。在一个实施例中，串联连接的绕组Lx2222、lx3 232以及lx4 242分别获得电压的总和：
      (V2-VS)+(V3-VS)+(V4-VS)               (2)
典型地，次级电感线圈(222、232、242)与初级电感线圈L1 210反并联设置，使得电压总和等于：
(V1-VS)+(V2-VS)+(V3-VS)+(V4-VS)＝0          (3)
V1+V2+V3+V4＝4VS                            (4)
如此处所述，将第一输入节点201-1和公共输出节点250之间的这个串联连接的次级电感线圈(222、232、242)称为“电感线圈的串并联耦合”。如此处进一步所述，布置初级电感线圈(210、220、230、240)和次级电感线圈(222、232、242)以提供图2到图5B所示的变压器，此处将初级电感线圈(210、220、230、240)和次级电感线圈(222、232、242)的布置称为“耦合的电感线圈拓扑”。
图3是代表性示出根据一个实施例的对称四相变压器300的框图，变压器300包括四个具有绕组310、320、330和340(此处称为“主绕组”)的常规变压器。典型地，主绕组310耦合到次级绕组312、314和316。主绕组(310、320、330和340)和耦合的绕组之间的可用导线横截面的分配确定了到“a”部件304(304-1、304-2、304-3、304-4)的电流和到“b”部件306(306-1、306-2、306-3、306-4)之间的划分以及总的有效电阻。
在一个实施例中，可以如此选择横截面，使得磁芯中的净通量最小化(以总电阻开销的N/2为代价)，或者使得耦合绕组的串联电阻提供电压下降的额外衰减(damp)。一般地，将电压下降定义为空载和满载之间的电压差，其表示为满载值的百分比。在DC-DC变换器中，最优电阻由去耦电容器的等效串联电阻而定。在一个实施例中，变压器300的初级绕组和次级绕组可以用自耦变压器代替以使相数加倍。
图4是示出根据一个实施例的三相变压器400的框图。如图所示，初级绕组410、420和430耦合在相应的输入节点402(402-1、402-2、402-3)和公共输出节点450之间。同样地，布置次级绕组412和414以耦合来自初级绕组410的能量；布置次级绕组422和424以耦合来自初级绕组420的能量。最后，布置次级绕组432和434以耦合来自初级绕组430的能量。基于这种布置，次级绕组和初级绕组之间的能量耦合提供公共输出电压，该公共输出电压是输入节点401接收到的输入节点电压(V1-V3)的平均值。
图5A是使用根据一个实施例的依照环形结构的集成微型变压器的多相微型变压器的框图。如此处所述，术语“微型变压器”指制造在集成电路(IC)管芯或IC封装上的变压器。在一个实施例中，图5A提供了根据一个实施例的图3所示的变压器300的表示。在一个实施例中，布置次级绕组以耦合来自初级绕组的能量。典型地，布置次级绕组512、514和516以耦合来自初级绕组510(510-1、510-2和510-3)的能量。同样地，布置次级绕组522、524和526以耦合来自初级绕组520(520-1、520-2和520-3)的能量。另外，布置次级绕组532、534和536以耦合来自初级绕组530(530-1、530-2、530-3)的能量；并且布置次级绕组542、544和546以耦合来自初级绕组540(540-1、540-2和540-3)的能量。如上所述，关于图5A所示的根据耦合的电感线圈拓扑的初级绕组和次级绕组的布置提供输出电压Vs，根据方程式(4)，该输出电压Vs是输入电压V1、V2、V3和V4的平均值。
图5B示出了沿线560的横截面，以说明与次级绕组512、514和516一起布置的初级绕组510。典型地，将初级绕组510和次级绕组(512、514和516)布置在磁芯570中。相应地，在一个实施例中，当提供去耦电容器的空间受到限制时，关于图2到图5A所示的耦合的电感线圈拓扑为集成在管芯上的DC-DC变换器或者3D层叠的DC-DC变压器提供所需的紧凑耦合以确保降压控制。
在一个实施例中，耦合的电感线圈拓扑在具有相等大小变压器的均匀布线方案中提供任意的相数，并且为最小的峰值磁通量或者最优降压控制提供优化。因此，最小的峰值磁通量(在大功率密度的变换器中)或者最优降压控制(在低功率、高效率的变换器中)的优化的概率以及与自耦变压器的优化组合为根据所公开实施例的DC-DC变换器提供充分的灵活性。
图6A是示出DC-DC变换器的框图，该DC-DC变换器包括例如一个或多个集成在处理器管芯630上的多相微型变压器500(图5A)。典型地，使用倒装片技术在封装的微处理器管芯630上实现DC-DC变换器100，其中管芯和封装之间例如是可控塌陷芯片连接(C4凸缘(bump))。在一个实施例中，这种布置提供了降低C4凸缘电流的附加优点，其中C4凸缘电流由多种可靠性因素限定。典型地，具有集成DC-DC变换器100的处理器管芯630耦合在散热器620和***器640之间，同样地，散热片610耦合到散热器620，以提供具有集成在管芯上的DC-DC变换器的电子***600。
图6B是示出具有3D层叠的DC-DC变换器管芯750的电子***700的框图。典型地，使用三维(3D)“通孔”组装技术将微处理器管芯730“层叠”在独立的DC-DC变换器芯片750的上面，以便使两个芯片尽可能地接近。在一个实施例中，图6B所示的布置使加工技术能够单独对转换的芯片进行管芯优化，并且不会影响微处理器芯片上已经稀少的互联资源。如图所示，DC-DC变换器管芯层叠在处理器管芯730上，该处理器管芯730耦合到散热器720和散热片710。
图7是示出使用公开技术的设计的模拟、仿真以及制造的多种表示或者形式。表示设计的数据可以以多种方式来表示该设计。首先，如在模拟中有帮助的，可以使用硬件描述语言或者另一种功能描述语言来表示硬件，这实质上提供了期望所设计的硬件如何执行的计算机化模型。硬件模型810可以存储在诸如计算机存储器等存储介质800中，从而可以使用模拟软件720来模拟该模型，该模拟软件720对硬件模型710应用特定的测试套具以确定其是否确实起到预定的作用。在一些实施例中，没有将模拟软件记录、保存或者包含在介质中。
另外，可以在设计工艺的一些阶段中产生具有逻辑电路和/或晶体管门电路的电路级模型。利用专门的硬件模拟器可以对模型进行多次相似的模拟，专用的硬件模拟器使用可编程逻辑形成该模型。这种类型的模拟在一定程度上还可以是一种仿真技术。无论如何，可再配置硬件是可以包括机器可读介质的另一实施例，该机器可读介质存储采用所公开技术的模型。
此外，一些阶段处的大多数设计达到了表示硬件模型中的各种器件的物理布局的数据级。在使用常规半导体制造技术的情况下，表示硬件模型的数据可以是指定在用来制作集成电路的不同掩模层或者掩模上是否存在多种特征的数据。再次，这种表示集成电路的数据体现在所公开的技术中，这是因为电路逻辑和数据可以被模型或者制造以实施这些技术。
在设计的任何表示中，可以将数据存储在任何形式的机器可读介质中。被调制或者以其他方式产生来传送这种信息的光波或电波860，存储器850或者磁或光存储器(例如盘)可以是机器可读介质。这些介质中的任意一种都可以携带设计信息。因此，术语“携带”(例如，携带信息的机器可读介质)包括存储在存储设备上的信息，或者编码或调制在载波中或载波上的信息。描述该设计或者该设计细节的比特集合是(当包含在机器可读介质中，例如载波或者存储介质)可以是被封入或者从自身中取出，或者由他人使用以进一步设计或者制造的产品。
可选实施例
应该意识的是，对于其他实施例，可以使用不同的***结构。例如，尽管***600/700包括单个CPU 630/730，但是对于其他实施例，多处理器***(其中一个或多个处理器在结构和操作上类似于上述CPU 630/730)可以从各种实施例的所述多相变压器中受益。此外，不同类型的***或者不同类型的计算机***，例如服务器、工作站、台式计算机***、游戏***、嵌入式计算机***、刀片式服务器等可以用于其他实施例。
已经公开了实施例和最优模式，但是在保持在下列权利要求所限定的本发明的实施例的范围内的情况下，可以对所公开的实施例进行改进和变动。

Claims (30)

1、一种变压器，包括
初级电感线圈和次级电感线圈的串-并联耦合的电感线圈拓扑，其被布置为提供作为N个输入节点电压的平均值的公共节点电压，其中N是大于2的整数。
2、如权利要求1所述的变压器，其中所述串-并联耦合的电感线圈拓扑包括：
N个初级电感线圈，每个初级电感线圈耦合到N个输入节点中的一个和公共输出节点；以及
N-1个次级电感线圈，其串联耦合在一个输入节点和所述公共输出节点之间，所述N-1个次级线圈被布置为耦合来自所述初级电感线圈中的N-1个的能量，从而提供改进的降压响应。
3、如权利要求2所述的变压器，其中所述N-1个次级电感线圈中的每一个与所述N-1个初级电感线圈中的一个初级电感线圈并联耦合，以耦合来自所述初级电感线圈中的N-1个的能量，从而提供作为N个输入节点电压的平均值的公共节点电压。
4、如权利要求2所述的变压器，其中所述N-1个次级电感线圈被布置为反并联到第一初级电感线圈，使得所述N-1个次级电感线圈串联耦合在第一节点和所述公共节点之间，以耦合来自所述初级电感线圈中的N-1个的能量，从而提供降压的额外衰减。
5、如权利要求1所述的变压器，其中N等于4。
6、如权利要求1所述的变压器，其中所述串-并联耦合的电感线圈拓扑包括：
N个初级电感线圈，每个初级电感线圈耦合到N个输入节点中的一个和公共输出节点；以及
N组次级电感线圈，每组电感线圈至多包括N-1个串联耦合在一个输入节点和所述公共输出节点之间的次级电感线圈，所述N组次级电感线圈被布置为耦合来自所述初级电感线圈的能量，从而提供改进的降压响应。
7、如权利要求6所述的变压器，其中N等于3。
8、如权利要求6所述的变压器，其中N等于4。
9、如权利要求6所述的变压器，还包括耦合到所述N个输入节点中的每一个的一个N相电压。
10、如权利要求1所述的变压器，其中所述变压器包括多相微型变压器。
11、一种DC-DC变换器，包括：
变压器，其包括初级电感线圈和次级电感线圈的串-并联耦合的电感线圈拓扑，其被布置为提供作为N个输入节点电压的平均值的公共节点电压，其中N是大于2的整数；
N个桥，每个桥耦合到一个变压器输入节点；以及
控制电路，其控制所述N个桥，以在变压器公共节点处提供所述公共节点电压。
12、如权利要求11所述的DC-DC变换器，其中所述串-并联耦合的电感线圈拓扑包括：
N个初级电感线圈，每个初级电感线圈耦合到N个输入节点中的一个和公共输出节点；以及
N-1个次级电感线圈，其串联耦合在一个输入节点和所述公共输出节点之间，所述N-1个次级电感线圈被布置为耦合来自所述初级电感线圈中的N-1个的能量，从而提供改进的降压响应。
13、如权利要求11所述的DC-DC变换器，还包括耦合到所述变压器公共节点的电容器。
14、如权利要求11所述的DC-DC变换器，其中所述变压器包括多相微型变压器。
15、如权利要求11所述的DC-DC变换器，其中所述DC-DC变换器集成在处理器管芯上。
16、一种机器可读介质，具有包含在其上的用于制造DC-DC变换器的电路设计，当制造时，该DC-DC变换器包括：
变压器，其包括初级电感线圈和次级电感线圈的串-并联耦合的电感线圈拓扑，其被布置为提供作为N个输入节点电压的平均值的公共节点电压，其中N是大于2的整数；
N个桥，每个桥耦合到一个变压器输入节点；以及
控制电路，其控制所述N个桥，以在变压器的公共节点处提供所述公共节点电压。
17、如权利要求16所述的机器可读介质，其中所述串-并联耦合的电感线圈拓扑包括：
N个初级电感线圈，每个初级电感线圈耦合到N个输入节点中的一个和公共输出节点；以及
N-1个次级电感线圈，其串联耦合在一个输入节点和所述公共输出节点之间，所述N-1个次级电感线圈被布置为耦合来自所述初级电感线圈中的N-1个的能量，从而提供改进的降压响应。
18、如权利要求16所述的机器可读介质，其中所述DC-DC变换器还包括耦合到所述变压器公共节点的电容器。
19、如权利要求16所述的机器可读介质，其中所述变压器包括多相微型变压器。
20、如权利要求16所述的机器可读介质，其中所述DC-DC变换器集成在处理器管芯上。
21、一种机器可读介质，具有包含在其上的用于制造集成电路的电路设计，当制造时，该集成电路包括：
变压器，包括：
N个初级电感线圈，每个初级电感线圈耦合到N个输入节点中的一个和公共输出节点，以及
N-1个次级电感线圈，其串联耦合在一个输入节点和所述公共输出节点之间，所述N-1个次级电感线圈被布置为耦合来自所述初级电感线圈中的N-1个的能量，其中N是大于2的整数；
N个桥，每个桥耦合到一个变压器输入节点；以及
控制电路，其控制所述N个桥，以在变压器的公共节点处提供所述公共节点电压。
22、如权利要求21所述的机器可读介质，其中所述N个桥中的每一个包括耦合到输入电压的第一开关和耦合到地的第二开关。
23、如权利要求21所述的机器可读介质，还包括耦合到所述变压器公共节点的电容器。
24、如权利要求21所述的机器可读介质，其中所述变压器包括多相微型变压器。
25、如权利要求21所述的机器可读介质，其中所述DC-DC变换器集成在处理器管芯上。
26、一种电子***，包括：
散热片；
耦合到所述散热片的散热器；
耦合到所述散热器的处理器管芯；
DC-DC变换器，包括：
变压器，其包括：
N个初级电感线圈，每个初级电感线圈耦合到N个输入节点中的一个和公共输出节点；以及
N-1个次级电感线圈，其串联耦合在一个输入节点和所述公共输出节点之间，所述N-1个次级电感线圈被布置为耦合来自所述初级电感线圈中的N-1个的能量，其中N是大于2的整数；
N个桥，每个桥耦合到一个变压器输入节点，以及
控制电路，其控制所述N个桥，以在变压器的公共节点处提供所述公共节点电压；
耦合到所述处理器管芯的***器；以及
耦合到所述处理器管芯的存储器***。
27、如权利要求26所述的电子***，其中所述DC-DC变换器集成在所述处理器管芯上。
28、如权利要求26所述的电子***，其中所述DC-DC变换器包括：
DC-DC变换器管芯，其耦合在所述处理器管芯和所述***器之间。
29、如权利要求26所述的电子***，还包括耦合到所述变压器公共节点的电容器。
30、如权利要求26所述的电子***，其中所述变压器包括多相微型变压器。
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