CN109411454B - 用于多相功率变换器的电路封装 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于功率变换器的电路封装。该功率变换器可以包括多个功率级模块。每个功率级模块包括功率级集成电路晶片、输出电感和一组多个电容，该输出电感耦接于该功率级集成电路晶片的开关节点，该一组多个电容形成该功率级模块的输出电容。所述多个功率级模块的输出电容彼此相邻并且对称地排布于衬底上。所述多个功率级模块的输出电感可以安装于所述衬底的第一表面所在侧，该第一表面上安装有所述多个功率级模块的功率级集成电路晶片，也可以安装于所述衬底的第二表面所在侧，该第二表面与所述第一表面相对。多个功率级模块的输出电容邻接排布有利于该多个功率级模块的输出电容之间的互联。

Description

用于多相功率变换器的电路封装

相关引用

本申请主张于2017年10月5日在美国提交的第62/568,391号临时专利申请、于2017年10月13日在美国提交的第62/572,333号临时专利申请和于2017年10月16日在美国提交的第15/784,430号专利申请的优先权和权益，并在此包含了前述专利申请的全部内容。

技术领域

本发明的实施例涉及电子电路，更具体但是并非排它地涉及高功率集成电路的电路封装。

背景技术

功率变换器通常用于为各种电气设备供电。功率变换器的输出功率会随输出相位的增加而增大。对于集成多相功率变换器来说，输出相位的增加以及输出功率的增大会导致过量热能产生，在对包含该集成多相功率变换器的衬底的类型等因素不进行妥协调整的情况下，散热将相对困难。

发明内容

为解决上述问题，本公开提供一种电路封装，包括：衬底；第一功率级模块，设置于所述衬底上，该第一功率级模块包括第一功率级集成电路晶片、第一输出电感和第一组多个电容，该第一输出电感耦接于该第一功率级集成电路晶片的开关节点，该第一组多个电容形成第一输出电容，耦接于所述第一输出电感和功率变换器的输出节点；第二功率级模块，设置于所述衬底上，该第二功率级模块包括第二功率级集成电路晶片、第二输出电感和第二组多个电容，该第二输出电感耦接于该第二功率级集成电路晶片的开关节点，该第二组多个电容形成第二输出电容，耦接于所述第二输出电感和所述功率变换器的输出节点；第三功率级模块，设置于所述衬底上，该第三功率级模块包括第三功率级集成电路晶片、第三输出电感和第三组多个电容，该第三输出电感耦接于该第三功率级集成电路晶片的开关节点，该第三组多个电容形成第三输出电容，耦接于所述第三输出电感和所述功率变换器的输出节点；以及第四功率级模块，设置于所述衬底上，该第四功率级模块包括第四功率级集成电路晶片、第四输出电感和第四组多个电容，该第四输出电感耦接于该第四功率级集成电路晶片的开关节点，该第四组多个电容形成第四输出电容，耦接于所述第四输出电感和所述功率变换器的输出节点；所述第一输出电容、所述第二输出电容、所述第三输出电容和所述第四输出电容彼此相邻并且对称地排布于所述衬底上。

本公开还提供一种电路封装，包括：衬底；多个功率级模块，设置于所述衬底上，每个功率级模块被构建用于产生多相功率变换器的至少一相；多个输出电感，每个输出电感耦接于与之相对应的功率级模块中的功率级集成电路晶片的开关节点；和多个输出电容，耦接于所述多相功率变换器的输出节点，该多个输出电容彼此邻近排布于所述衬底上。

本公开提供的电路封装有益于多相功率变换器的每相输出电容之间的互联，并帮助更好地散热。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1示出根据本发明一个实施例的功率变换器100的电路架构示意图。

图2示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的平面俯视图。

图3示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的平面俯视图，并示出了功率级模块250-1的焊盘311-314。

图4示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的平面俯视图，并示出了功率级模块250-1的输出电感120(120-1、120-2)。

图5示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的由箭头402所指一侧的侧视图。

图6示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的由箭头403所指一侧的侧视图。

图7示意出了根据本公开又一实施例的功率变换器100的电路封装202的由箭头402所指一侧的侧视图。

图8示意出了根据本公开又一实施例的功率变换器100的电路封装202的由箭头403所指一侧的侧视图。

图9示意出了根据本公开再一实施例的功率变换器100的电路封装202的由箭头402所指一侧的侧视图。

图10示意出了根据本公开再一实施例的功率变换器100的电路封装202的由箭头403所指一侧的侧视图。

具体实施方式

在下文所述的特定实施例代表本发明的示例性实施例，并且本质上仅为示例说明而非限制。在说明书中，提及“一个实施例”或者“实施例”意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。术语“在一个实施例中”在说明书中各个位置出现并不全部涉及相同的实施例，也不是相互排除其他实施例或者可变实施例。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面将参考附图详细说明本发明的具体实施方式。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的部件或特征。

图1示出根据本发明一个实施例的功率变换器100的电路架构示意图。在图1的示例中，功率变换器100可以是多相功率变换器。功率变换器100包括多个功率级集成电路晶片110(例如图1中示意出了两个功率级集成电路晶片110-1和110-2)，功率变换器100的每一相输出对应所述多个功率级集成电路晶片110中的一个。控制器105(例如脉冲宽度调制PWM控制器)产生多个驱动信号DRIVE-1、DRIVE-2……、DRIVE-n，一一对应控制所述多个功率级集成电路晶片110，以将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。输入电容CIN在节点130接收所述输入电压VIN。输出电压VOUT在耦接于节点131的电容COUT上产生。

在图1的示例中，控制器105示意为位于多个功率级集成电路晶片110的外部。在其它的实施例中，每个功率级集成电路晶片110可以内部集成一个控制器。

在图1的示例中，功率级集成电路晶片110包括驱动电路112、高侧开关Q1(例如：MOS晶体管)和低侧开关Q2(例如：MOS晶体管)。功率级集成电路晶片110可以包括节点101、节点102和节点103，节点101用于将高侧开关Q1的一个电极(例如漏极)电气连接至节点130以接收所述输入电压VIN，节点102用于将开关节点SW电气连接至相应的输出电感120(120-1、120-2)，节点103用于将低侧开关Q2的一个电极(例如源极)电气连接至参考地。

在一个实施例中，输出电感120-1和120-2由磁芯122电磁耦接成感性耦合拓扑。在其它实施例中，磁芯122可以省略，则输出电感120-1和120-2为传统意义上的输出电感。输出电感120的一端电气连接至与之相应的开关节点102，其另一端电气连接至公共输出节点131以在输出电容COUT上提供输出电压VOUT。

图2示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的平面俯视图。在图2示例中，电路封装202可以具有形成于衬底200上的包括多个功率级模块250(例如图2中示意的功率级模块250-1、250-2、250-3、250-4)的电路布局。每个功率级模块250包括两个功率级集成电路晶片110，用于提供两相输出。每个功率级模块250可以占用衬底200上的X乘以Y大的面积。在一个实施例中，每个功率级模块250制作于衬底200上的10mm*10mm大的面积上并且提供两相输出。电路封装202可以被构建为例如具有500W的额定功率。

在图2的示例中，各个功率级模块250(例如图2中示意出了四个功率级模块250-1、250-2、250-3、250-4)的边界都相交接于中心256处。各个功率级模块250对称排布以达到较为优化的功率传输。以下对功率级模块250-1的描述也适用于其它功率级模块250(例如图2中示意的剩余的功率级模块250-2、250-3、250-4)。

在图2的示例中，功率级模块250-1包括多个功率级集成电路晶片110(例如110-1、110-2)、多个第一型电容254和多个第二型电容255。该多个第二型电容255并联电气耦接形成输入电容CIN。该多个第一型电容254并联电气耦接形成输出电容COUT。功率级集成电路晶片110-1和功率级集成电路晶片110-2安装于衬底200上，该多个第二型电容255安装于位于功率级集成电路晶片110-1和功率级集成电路晶片110-2之间的那部分衬底200上。该多个第一型电容254安装于衬底200上的输出电容区域253-1上。

如图2所示，对应于该多个功率级模块250(250-1、250-2、250-3、250-4)具有多个输出电容区域253(253-1、253-2、253-3、253-4)。该多个功率级模块250的多个输出电容区域253的边界彼此相邻接，因而与该多个功率级模块250对应的多个输出电容COUT彼此邻近排布于所述衬底200上。由于该多个第一型电容254用于形成输出电容COUT，该多个输出电容区域253的邻接排布有利于多个功率级模块250的输出电容COUT之间的互联。在图2的示例中，电路封装202示意为包括八个功率级集成电路晶片110(110-1、110-2、110-3、110-4、110-5、110-6、110-7、110-8)，因而可以提供八相输出。多个功率级模块250的输出电容COUT耦接于功率变换器100的的同一输出节点131以提供八相输出电压VOUT。

图3示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的平面俯视图，并示出了功率级模块250-1的焊盘311-314。在一个实施例中，焊盘311-314可以是形成于衬底200上的solder焊盘。在图3的示例中，焊盘311电气连接至功率级集成电路晶片110-1的开关节点SW(参考图1示意，节点102)，焊盘314电气连接至功率级集成电路晶片110-2的开关节点SW。焊盘312和焊盘313电气连接至公共输出电压节点(参考图1示意，节点131)。输出电感120-1的一端可以电气连接至焊盘311，其另一端可以电气连接至焊盘313。类似地，输出电感120-2的一端可以电气连接至焊盘312，其另一端可以电气连接至焊盘314。

图4示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的平面俯视图，并示出了功率级模块250-1的输出电感120(120-1、120-2)。在一个实施例中，功率级模块250-1的输出电感120(120-1、120-2)安装于衬底200的上表面所在侧，该上表面安装有功率级模块250-1的所述多个功率级集成电路晶片110(例如110-1、110-2)，参见下文基于图5和图6的描述。在另外的实施例中，如下文基于图7和图8所描述，所述多个功率级集成电路晶片110可以嵌入在衬底200中。在另外的实施例中，如下文基于图9和图10所描述，功率级模块250-1的输出电感120(120-1、120-2)安装于衬底200的下表面所在侧，该下表面与所述上表面相对。总之，受本公开启示，本领域的技术人员应该明了电路封装202的各元器件的位置布局可以有多种不同方式，根据具体应用而定。电路封装202的各元器件可以通过层间通孔、衬底200表面的电气走线、衬底200中内嵌的互联走线等等方式按需相互电气连接，并不超出本公开的保护范围。

在图4的示例中，输出电感120-1的第一端电气连接至焊盘311，输出电感120-1的第二端电气连接至焊盘313。类似地，输出电感120-2的第一端电气连接至焊盘312，输出电感120-2的第二端电气连接至焊盘314。输出电感120可以通过例如焊接的方式电气连接至焊盘。磁芯122在图4中以虚线框示出。

在图4的示例中，箭头402指向功率级模块250-1的一个侧面，箭头403指向功率级模块250-1的另一个侧面。为清晰示意，在接下来的用于示意由箭头403所指一侧的示意图中，邻接交界的功率级模块250-3(见图2示意)并未示出。

图5和图6示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的侧视图。图5示意出了电路封装202的由箭头402所指一侧(参见图4示意)的侧视图，图6示意出了电路封装202的由箭头403所指一侧(参见图4示意)的侧视图。在图5和图6的示例中，衬底200被重新标记为“200A”以表示其为散热性衬底，例如可以是双马来酰亚胺-三嗪树脂衬底。采用散热性衬底可以在不使用散热片(热沉)的情况下满足散热需求。衬底200A可以具有嵌入式铜层以增加散热性能。

在图5的示例中，衬底200A具有上表面503和与该上表面503相对的下表面504。功率级模块250-1的所述多个功率级集成电路晶片110(例如110-1、110-2)安装于所述上表面503上。输出电感120(例如120-1、120-2)穿越磁芯122并且制作安装于上表面503所在侧的所述多个功率级集成电路晶片110(例如110-1、110-2)的上方。在衬底200A的下表面504安装有片上集成系统(SOC)晶片502。片上集成系统(SOC)晶片502可以包括由功率变换器100的输出来供电的集成电路。图6示出了从箭头403所指一侧所视见的衬底200A的侧视图。

图7和图8示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的侧视图。图7示意出了电路封装202的由箭头402所指一侧(参见图4示意)的侧视图，图8示意出了电路封装202的由箭头403所指一侧(参见图4示意)的侧视图。图7和图8的示例与图5和图6的示例区别在于所所述多个功率级集成电路晶片110(例如110-1、110-2)是嵌入在衬底200A中。

图9和图10示意出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路封装202的侧视图。图9示意出了电路封装202的由箭头402所指一侧(参见图4示意)的侧视图，图10示意出了电路封装202的由箭头403所指一侧(参见图4示意)的侧视图。在图9和图10的示例中，衬底200被重新标记为“200B”以表示其为印刷电路板(PCB)。

在图9的示例中，衬底200B具有上表面703和与该上表面703相对的下表面704。功率级模块250-1的所述多个功率级集成电路晶片110(例如110-1、110-2)安装于所述上表面703上。可选地，热沉701可以黏贴于所述多个功率级集成电路晶片110以帮助散热。输出电感120(例如120-1、120-2)穿越磁芯122并且制作安装于所述下表面704所在侧。在衬底200A的下表面504安装有片上集成系统(SOC)晶片502。由功率变换器100的输出来供电的片上集成系统(SOC)晶片或者其它集成电路可以安装于衬底200B的上表面703或下表面704中的任一面。图10示出了从箭头403所指一侧所视见的衬底200B的侧视图。

尽管本发明已经结合其具体示例性实施方式进行了描述，很显然的是，多种备选、修改和变形对于本领域技术人员是显而易见的。由此，在此阐明的本发明的示例性实施方式是示意性的而并非限制性。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出修改。在本公开内容中所使用的量词“一个”、“一种”等不排除复数。文中的“第一”、“第二”等仅表示在实施例的描述中出现的先后顺序，以便于区分类似部件。“第一”、“第二”在权利要求书中的出现仅为了便于对权利要求的快速理解而不是为了对其进行限制。权利要求书中的任何附图标记都不应解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种电路封装，包括：

衬底；

第一功率级模块，设置于所述衬底上，该第一功率级模块包括第一功率级集成电路晶片、第一输出电感和第一组多个电容，该第一输出电感耦接于该第一功率级集成电路晶片的开关节点，该第一组多个电容形成第一输出电容，耦接于所述第一输出电感和功率变换器的输出节点；

第二功率级模块，设置于所述衬底上，该第二功率级模块包括第二功率级集成电路晶片、第二输出电感和第二组多个电容，该第二输出电感耦接于该第二功率级集成电路晶片的开关节点，该第二组多个电容形成第二输出电容，耦接于所述第二输出电感和所述功率变换器的输出节点；

第三功率级模块，设置于所述衬底上，该第三功率级模块包括第三功率级集成电路晶片、第三输出电感和第三组多个电容，该第三输出电感耦接于该第三功率级集成电路晶片的开关节点，该第三组多个电容形成第三输出电容，耦接于所述第三输出电感和所述功率变换器的输出节点；以及

第四功率级模块，设置于所述衬底上，该第四功率级模块包括第四功率级集成电路晶片、第四输出电感和第四组多个电容，该第四输出电感耦接于该第四功率级集成电路晶片的开关节点，该第四组多个电容形成第四输出电容，耦接于所述第四输出电感和所述功率变换器的输出节点；

所述第一输出电容、所述第二输出电容、所述第三输出电容和所述第四输出电容彼此相邻并且以所述第一功率级模块、所述第二功率级模块、所述第三功率级模块和所述第四功率级模块的边界相交接的中心处为对称中心对称地排布于所述衬底上。

2.根据权利要求1所述的电路封装，其中，所述第一功率级模块还包括：

第五功率级集成电路晶片；和

第五输出电感，耦接于所述第五功率级集成电路晶片的开关节点，该第五输出电感还耦接于所述功率变换器的输出节点和所述第一输出电容。

3.根据权利要求2所述的电路封装，其中，所述第一输出电感和所述第二输出电感电磁耦合。

4.根据权利要求2所述的电路封装，其中，所述第一输出电感制作于所述第一功率级集成电路晶片的上方，所述第二输出电感制作于所述第二功率级集成电路晶片的上方。

5.根据权利要求2所述的电路封装，其中，所述衬底是印刷电路板。

6.根据权利要求2所述的电路封装，进一步包括：

热沉，制作于所述第一功率级集成电路晶片和所述第二功率级集成电路晶片上。

7.一种电路封装，包括：

衬底；

多个功率级模块，设置于所述衬底上，每个功率级模块被构建用于产生多相功率变换器的至少一相；

多个输出电感，每个输出电感耦接于与之相对应的功率级模块中的功率级集成电路晶片的开关节点；和

多个输出电容，耦接于所述多相功率变换器的输出节点，该多个输出电容彼此邻近并且以所述多个功率级模块的边界相交接的中心处为对称中心对称地排布于所述衬底上。

8.根据权利要求7所述的电路封装，其中，所述衬底包括印刷电路板。

9.根据权利要求8所述的电路封装，其中，所述多个输出电感安装于所述印刷电路板的第一表面所在侧，所述多个功率级模块各自的功率级集成电路晶片安装于所述印刷电路板的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对。

10.根据权利要求9所述的电路封装，进一步包括：

热沉，黏贴于所述印刷电路板的所述第二表面上的所述功率级集成电路晶片上。

11.根据权利要求7所述的电路封装，其中，所述多个输出电感安装于所述衬底的第一表面所在侧，该第一表面上安装有所述多个功率级模块各自的功率级集成电路晶片。

12.根据权利要求7所述的电路封装，其中，所述多个功率级模块各自的功率级集成电路晶片嵌入在所述衬底中。

13.根据权利要求7所述的电路封装，其中，所述多相功率变换器包括八相输出，每个功率级模块提供两相输出。

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