一种TLVR技术中的耦合电感结构及应用其的多相电压调节模块的制作方法

本发明属于高频模块电源，尤其涉及一种tlvr技术中的电感结构及应用其的多相电压调节模块。

背景技术：

1、近年来，随着数据中心，人工智能，超级计算机等领域技术的发展，越来越多的功能强大的asic得到应用，例如cpu、gpu、机器学习加速器、网络交换机、服务器等，它们消耗大量电流，例如达到数千安培，并且其电力需求快速波动。传统上使用多相电压调节器(vr)来供应这种负载。为了满足负载电流不断提升的需求和带宽不断提高的需求，增加了vr的相数及其输出去耦电容器的容值。这些方式在一定程度上改善了传统vr的瞬态响应；然而，由于其较大的输出阻抗、去耦电容器占据的空间以及去耦电容器与负载之间的距离等因素，使得传统vr在瞬态响应方面已经达到性能极限。改善传统vr的其他技术，例如增加开关频率和/或减小电感感值，改善了瞬态响应，但却以效率的降低为代价。反耦合电感技术具有相对较低的漏感感量，因此具有相对较快的瞬态响应；同时反耦合电感具有较高的稳态等效感量，有利于效率的提高；即反耦合电感技术既能满足瞬态性能的要求，又能兼顾效率的提升，因此反耦合技术是vr设计的热点。然而，多相耦合电感因为包含多个绕组，并且多个绕组在物理上需要相互耦合，因此制造难度大，应用也不够灵活。trans-inductorvoltage regulator(后文简称tlvr)技术通过辅助绕组可以实现物理上没有耦合关系的多相相互独立的电感实现耦合，以解决多相耦合电感制造上的困难。

2、图1a是tlvr技术的电路原理图，如图1a所示，主电感l1、l2、l3、l4是4个相互之间没有耦合关系的独立的电感器，而辅助绕组l10、l20、l30、l40分别与主电感l1、l2、l3、l4耦合；辅助绕组l10、l20、l30、l40可以直接首尾相连接，或在辅助绕组的回路中增加一个外接补偿电感le；使得4个相互之间没有耦合关系的独立的主电感l1、l2、l3、l4等效为图1b所示的任意两相之间具有耦合关系的四相反耦合电感；

3、图2a和图2b分别是n相tlvr技术的电路图与等效电路图；

4、图1a、图1b、图2a和图2b中的主电感也可以是两相耦合之后再通过辅助绕组实现多个任意两相之间均有耦合关系的多相耦合电感；

5、本发明主要是提出一系列tlvr中主绕组与辅助绕组的不同结构及耦合形式，通过tlvr技术，由多个两相电感实现多相反耦合电感的方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种tlvr技术中的电感结构，在通过tlvr技术使多相电感具备耦合特性，使电压调节模块vrm实现更好的动态性能的同时，使顶面的开关器件更靠近散热器，增强vrm模块的散热能力，提升vrm模块的功率密度。

2、本发明的另一目的还提供一种应用上述电感结构的多相电压调节模块。

3、为实现上述目的，本发明一方面提供了一种tlvr技术中的电感结构，包括磁芯和至少一个耦合绕组组合，所述耦合绕组组合包括至少一个主绕组和至少一个辅助绕组：

4、每个所述主绕组的至少一部分与至少一个所述辅助绕组的至少一部分耦合；所述辅助绕组可以在所述电感结构内或者在所述电感结构以外依次电连接；

5、所述电感结构具有相对的第一表面和第二表面，所述主绕组的两端分别在第一表面和第二表面外露于磁芯，所述辅助绕组的两端分别在第一表面和第二表面外露于磁芯。

6、优选地，至少一个所述主绕组的至少一部分为第一主绕组段，至少一个所述辅助绕组的至少一部分为第一辅助绕组段；

7、所述主绕组的至少一部分与至少一个所述辅助绕组的至少一部分耦合，具体为：所述第一主绕组段与所述第一辅助绕组段并排或平行设置，所述第一主绕组段与所述第一辅助绕组段之间的间隔空间设置为不导磁的材料或磁导率低于磁芯磁导率的磁性材料。

8、优选地，至少一个所述主绕组的全部为第一主绕组段，至少一个所述辅助绕组的全部为第一辅助绕组段。

9、优选地，至少一个所述主绕组与至少一个所述辅助绕组的耦合系数大于0.85。

10、优选地，所述耦合绕组组合包括两个主绕组和至少两个辅助绕组；一个所述主绕组的至少一部分为第三主绕组段，另一个所述主绕组的至少一部分为第四主绕组段；所述第三主绕组段与所述第四主绕组段耦合。

11、优选地，第三主绕组段对应的至少一个辅助绕组的至少一部分为第三辅助绕组段，第四主绕组段对应的至少一个辅助绕组的至少一部分为第四辅助绕组段；

12、所述第三辅助绕组段与所述第三主绕组段耦合；所述第四辅助绕组段与所述第四主绕组段耦合；

13、所述第三辅助绕组段和第四辅助绕组段并排设置在第三主绕组段和第四主绕组段之间。

14、优选地，所述耦合绕组组合包括两个主绕组和至少一个辅助绕组；一个所述主绕组为第一主绕组、另一个所述主绕组为第二主绕组；

15、所述第一主绕组的一部分为第一主绕组段，所述第二主绕组的一部分为第二主绕组段；所述辅助绕组的一部分为第一辅助绕组段，另一部分为第二辅助绕组段；所述第一辅助绕组段与所述第一主绕组段耦合，所述第二辅助绕组段与所述第二主绕组段耦合。

16、优选地，所述耦合绕组组合包括至少两个对称设置的辅助绕组。

17、优选地，所述辅助绕组、第一主绕组段和第二主绕组段共面；所述第一主绕组段和所述第二主绕组段分别位于所述辅助绕组的两侧。

18、优选地，所述辅助绕组、第一主绕组段和第二主绕组段均为平面形并且两两相互平行。

19、优选地，所述第一主绕组的一部分为第三主绕组段，所述第三主绕组段未与所述辅助绕组耦合；所述第一主绕组的一部分为第四主绕组段，所述第四主绕组段未与所述辅助绕组耦合；所述第三主绕组段与所述第四主绕组段耦合。

20、优选地，所述第三主绕组段与所述第四主绕组段耦合，具体为：所述第三主绕组段与所述第四主绕组段并排或平行设置，所述第三主绕组段与所述第四主绕组段之间的间隔空间设置为不导磁的材料或磁导率低于磁芯磁导率的磁性材料。

21、优选地，其特征在于，还包括至少一个第二气隙，所述第二气隙位于至少一个所述主绕组的一侧。

22、优选地，所述第二气隙至少沿一个第一方向贯通所述电感结构，并且沿一个第二方向延伸至所述电感结构的表面，所述第一方向和所述第二方向不相同，较佳地为相互垂直，即产生一个半切开的气隙切口。

23、优选地，所述第二气隙将磁芯分隔成至少两个互不接触的部分。

24、优选地，还包括至少一个第二气隙，所述第二气隙位于至少一个所述主绕组的一侧，并且所述第三主绕组段和所述第四主绕组段之间的间隔空间与所述第二气隙的位置不重合。

25、优选地，还包括至少一个第一气隙，所述第一气隙的至少一部分位于所述第三主绕组段和所述第四主绕组段之间，所述第一气隙和所述第二气隙共同将磁芯分隔成至少两个互不接触的部分。

26、优选地，所述第一气隙的宽度小于第二气隙。

27、优选地，所述主绕组为z形。

28、优选地，所述磁芯和耦合绕组组合通过一体成型的方式一体压合而成。

29、本发明另一方面提供了一种应用上述电感结构的多相电压调节模块，包括至少一个两相电压调节模块，所述两相电压调节模块包括：

30、一个上述的电感结构，所述电感结构包括的主绕组个数为两个，所述电感结构包括的辅助绕组个数为两个，所述两个辅助绕组分别为第一辅助绕组和第二辅助绕组；

31、主板器件组：包括顶板以及设置在所述顶板上的开关器件、输入电容和辅助绕组顶部焊盘；

32、底板，包括功率输入焊盘、功率输出焊盘、第一辅助绕组外连焊盘、第二辅助绕组外连焊盘和辅助绕组底部电连接件；

33、垂直电连接件，包括垂直功率电连接件、第一垂直辅助绕组电连接件和第二垂直辅助绕组电连接件，所述垂直电连接件的两端分别设置在所述第一表面、第二表面上；

34、所述主板器件组设置在电感结构的第一表面上，所述主绕组分别通过设置在第一表面上的焊盘与对应的开关器件电连接，所述垂直功率电连接件通过顶板与开关器件电连接，所述第一垂直辅助绕组电连接件通过顶板与所述第一辅助绕组在第一表面上的一端电连接，所述第二垂直辅助绕组电连接件通过顶板与所述第二辅助绕组在第一表面上的一端电连接；

35、所述电感结构通过第二表面与底板电连接，所述主绕组在第二表面上的一端与对应的输出焊盘电连接，所述垂直功率电连接件与功率输入焊盘电连接，所述第一辅助绕组在第二表面上的一端与第一辅助绕组外连焊盘电连接，所述第二辅助绕组在第二表面上的一端通过辅助绕组底部电连接件与第一垂直辅助绕组电连接件电连接，所述第二垂直辅助绕组电连接件与第二辅助绕组外连焊盘电连接。

36、优选地，包括负载主板和至少两个两相电压调节模块，各个所述两相电压调节模块的功率输入焊盘、功率输出焊盘通过负载主板并联电连接，各个所述两相电压调节模块的第一辅助绕组外连焊盘、第二辅助绕组外连焊盘通过负载主板串联形成一辅助绕组回路。

37、优选地，所述主绕组和对应的辅助绕组的耦合系数大于0.85，所述多相电压调节模块还包括一外接的补偿电感，所述补偿电感串联在所述辅助绕组回路中。

38、本发明具有以下有益效果：

39、(1)本发明中的电感结构，主绕组在顶面连接开关器件，在底面连接负载，即在双面设置电感焊接pad的电感中实现tlvr技术；在通过tlvr技术实现更好的动态性能的同时，使顶面的开关器件更靠近散热器；增强vrm模块的散热能力；提升vrm模块的功率密度；

40、(2)通过tlvr技术，使多个vrm模块中的不耦合的多相电感或者是多个分立的电感具有相互耦合的功能；因此多相vrm模块具有更加小的动态感量，以满足负载电流快速变化的需求；通过tlvr技术来实现多相耦合特性，降低了传统多相耦合电感的制造困难；

41、(3)本发明在两相电感的基础上实现tlvr技术，既解决了传统多相耦合电感的制造困难，也具有更加灵活的应用方式；

42、(4)本发明中的两相电感的主辅绕组之间的耦合，可以是全耦合，即耦合系数约等于1；也可以是非全耦合，即耦合系数远小于1，如0.2～0.8之间；当主辅绕组之间为全耦合时，需要外接一个补偿电感来实现多相反耦合，且补偿电感可以用来调节耦合与动态感量的大小，应用灵活；当主辅绕组之间为非全耦合时，不需要外接补偿电感，节省客户主板的占地面积，及节省成本。

技术特征：

1.一种tlvr技术中的电感结构，其特征在于，包括磁芯和至少一个耦合绕组组合，所述耦合绕组组合包括至少一个主绕组和至少一个辅助绕组：

2.根据权利要求1所述的电感结构，其特征在于，至少一个所述主绕组的至少一部分为第一主绕组段，至少一个所述辅助绕组的至少一部分为第一辅助绕组段；

3.根据权利要求2所述的电感结构，其特征在于，至少一个所述主绕组的全部为第一主绕组段，至少一个所述辅助绕组的全部为第一辅助绕组段。

4.根据权利要求3所述的电感结构，其特征在于，至少一个所述主绕组与至少一个所述辅助绕组的耦合系数大于0.85。

5.根据权利要求2所述的电感结构，其特征在于，所述耦合绕组组合包括两个主绕组和至少两个辅助绕组；一个所述主绕组的至少一部分为第三主绕组段，另一个所述主绕组的至少一部分为第四主绕组段；所述第三主绕组段与所述第四主绕组段耦合。

6.根据权利要求5所述的耦合电感结构，其特征在于，第三主绕组段对应的至少一个辅助绕组的至少一部分为第三辅助绕组段，第四主绕组段对应的至少一个辅助绕组的至少一部分为第四辅助绕组段；

7.根据权利要求2所述的电感结构，其特征在于，所述耦合绕组组合包括两个主绕组和至少一个辅助绕组；一个所述主绕组为第一主绕组、另一个所述主绕组为第二主绕组；

8.根据权利要求7所述的电感结构，其特征在于，所述耦合绕组组合包括至少两个对称设置的辅助绕组。

9.根据权利要求7所述的电感结构，其特征在于，所述辅助绕组、第一主绕组段和第二主绕组段共面；所述第一主绕组段和所述第二主绕组段分别位于所述辅助绕组的两侧。

10.根据权利要求7所述的电感结构，其特征在于，所述辅助绕组、第一主绕组段和第二主绕组段均为平面形并且两两相互平行。

11.根据权利要求7所述的电感结构，其特征在于，所述第一主绕组的一部分为第三主绕组段，所述第三主绕组段未与所述辅助绕组耦合；所述第一主绕组的一部分为第四主绕组段，所述第四主绕组段未与所述辅助绕组耦合；所述第三主绕组段与所述第四主绕组段耦合。

12.根据权利要求5或11所述的电感结构，其特征在于，所述第三主绕组段与所述第四主绕组段耦合，具体为：所述第三主绕组段与所述第四主绕组段并排或平行设置，所述第三主绕组段与所述第四主绕组段之间的间隔空间设置为不导磁的材料或磁导率低于磁芯磁导率的磁性材料。

13.根据权利要求1至11任一项所述的电感结构，其特征在于，还包括至少一个第二气隙，所述第二气隙位于至少一个所述主绕组的一侧。

14.根据权利要求13所述的电感结构，其特征在于，所述第二气隙至少沿一个第一方向贯通所述电感结构，并且沿一个第二方向延伸至所述电感结构的表面，所述第一方向和所述第二方向不相同。

15.根据权利要求13所述的电感结构，其特征在于，所述第二气隙将磁芯分隔成至少两个互不接触的部分。

16.根据权利要求5或11所述的电感结构，其特征在于，还包括至少一个第二气隙，所述第二气隙位于至少一个所述主绕组的一侧，并且所述第三主绕组段和所述第四主绕组段之间的间隔空间与所述第二气隙的位置不重合。

17.根据权利要求16所述的电感结构，其特征在于，还包括至少一个第一气隙，所述第一气隙的至少一部分位于所述第三主绕组段和所述第四主绕组段之间，所述第一气隙和所述第二气隙共同将磁芯分隔成至少两个互不接触的部分。

18.根据权利要求17所述的电感结构，其特征在于，所述第一气隙的宽度小于第二气隙。

19.根据权利要求1至12任一项所述的耦合电感结构，其特征在于，所述主绕组为z形。

20.根据权利要求1至12任一项所述的耦合电感结构，其特征在于，所述磁芯和耦合绕组组合通过一体成型的方式一体压合而成。

21.一种多相电压调节模块，其特征在于，包括至少一个两相电压调节模块，所述两相电压调节模块包括：

22.根据权利要求21所述的多相电压调节模块，其特征在于，包括负载主板和至少两个两相电压调节模块，各个所述两相电压调节模块的功率输入焊盘、功率输出焊盘通过负载主板并联电连接，各个所述两相电压调节模块的第一辅助绕组外连焊盘、第二辅助绕组外连焊盘通过负载主板串联形成一辅助绕组回路。

23.根据权利要求22所述的多相电压调节模块，其特征在于，所述主绕组和对应的辅助绕组的耦合系数大于0.85，所述多相电压调节模块还包括一外接的补偿电感，所述补偿电感串联在所述辅助绕组回路中。

技术总结
本发明公开了一种TLVR技术中的电感结构及应用其的多相电压调节模块，包括磁芯和至少一个耦合绕组组合，所述耦合绕组组合包括至少一个主绕组和至少一个辅助绕组：每个所述主绕组的至少一部分与至少一个所述辅助绕组的至少一部分耦合；所述电感结构具有相对的第一表面和第二表面，所述主绕组的两端分别在第一表面和第二表面外露于磁芯，所述辅助绕组的两端分别在第一表面和第二表面外露于磁芯。本发明在通过TLVR技术使多相电感具备耦合特性，使电压调节模块VRM实现更好的动态性能的同时，使顶面的开关器件更靠近散热器，增强VRM模块的散热能力，提升VRM模块的功率密度。

技术研发人员：张明准
受保护的技术使用者：上海沛塬电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5