專利名稱：用于多相dc-dc變換器的多相變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及功率變換器的領(lǐng)域，并且更具體地但又不僅 限于涉及用于多相DC-DC變換器的多相變壓器。
背景技術(shù)：
直流-直流(DC-DC)變換器能夠?qū)碜噪娫吹碾娔軓囊粋€(gè)電壓 和電流水平轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓和電流水平。DC-DC變換器與諸如臺(tái) 式電腦、服務(wù)器和家用電子設(shè)備等各種計(jì)算系統(tǒng)結(jié)合使用。還可以在 諸如膝上型電腦、移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和游戲系統(tǒng)的移動(dòng)計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)中找到DC-DC變換器。
當(dāng)今的微處理器可能消耗100-200W的功率。DC-DC變換器可以 用于為需要諸如0.5到2.0伏特(V)的低電壓和諸如100安培(A) 或以上的大電流的處理器供電。此外，處理器的電流需求量可能在比 較寬的范圍上以較高的轉(zhuǎn)換速率變化。
多相DC-DC變換器可以用于為計(jì)算系統(tǒng)提供所需的大電流、低 電壓。當(dāng)今的多相DC-DC變換器可以使用需要大濾波器電容且可能 不適用于單片集成的分立-電感器布局。其它的多相DC-DC變換器可 以包括多相變壓器布局，該多相變壓器布局不能使DC-DC變換器的 效率最大化。此外，該多相DC-DC變換器無法考慮將相位分配給多 相變壓器的順序。


參照附圖對(duì)本發(fā)明的非限制性和非窮舉性的實(shí)施例進(jìn)行說明，其 中除特別聲明外，各圖中相似的參考標(biāo)記表示相似的部件。
圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多相DC-DC變換器的
方框圖IB是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多相DC-DC變換器的 電壓波形的示圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的循環(huán)級(jí)聯(lián)多相變壓器的 電路圖3是示出使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的循環(huán)級(jí)聯(lián)多相變壓 器的DC-DC變換器平面布置的電路圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的變形循環(huán)級(jí)聯(lián)多相變壓 器的電路圖5是示出使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的變形循環(huán)級(jí)聯(lián)多相 變壓器的DC-DC變換器平面布置的電路圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合循環(huán)級(jí)聯(lián)多相變壓 器的電路圖6B是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合循環(huán)級(jí)聯(lián)多相變壓 器的電路圖7是示出使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合循環(huán)級(jí)聯(lián)多相 變壓器的DC-DC變換器平面布置的電路圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例將相位分配給多相變壓器 的邏輯和操作的流程圖9A是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例將相位分配給多相變壓器 的示圖9B是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例將相位分配給多相變壓器 的示圖9C是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的效率趨勢(shì)相對(duì)于不同相 數(shù)的曲線；
圖IO是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多相DC-DC變換器的方 框圖IIA是示出具有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多相DC-DC變換
器的系統(tǒng)的方框圖；以及
圖11B是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方框圖。
具體實(shí)施例
在下面的說明書中，闡述了大量的具體細(xì)節(jié)，以便幫助全面地理 解本發(fā)明的實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的實(shí)施 例可以在沒有一個(gè)和多個(gè)所述具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施，或者本發(fā)明的 實(shí)施例可以用其它方法、部件、材料等實(shí)施。在其它實(shí)例中，沒有示 出或詳細(xì)描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，以免對(duì)本說明書的理解 模糊不清。
在本申請(qǐng)全文中提到"一個(gè)實(shí)施例"或"實(shí)施例"意味著結(jié)合實(shí) 施例描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例 中。因此，在本申請(qǐng)全文中各處出現(xiàn)的短語"在一個(gè)實(shí)施例中"或"在 實(shí)施例中"不一定全指同一個(gè)實(shí)施例。此外，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中， 特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何方式組合。
在下面的說明書和權(quán)利要求書中，可以使用術(shù)語"耦合"及其派 生詞。"耦合"可以意味著兩個(gè)或多個(gè)元件直接接觸(物理上、電氣 上、磁性上、光學(xué)上等)。"耦合"也可以意味著兩個(gè)或多個(gè)元件彼此 之間不是直接接觸，而是相互協(xié)作或者相互作用。
轉(zhuǎn)向圖1A，其示出多相DC-DC變換器100的實(shí)施例。在相關(guān)技 術(shù)中，多相DC-DC變換器100還可以被稱為多相電壓調(diào)節(jié)器模塊 (VRM)。在一個(gè)實(shí)施例中，多相DC-DC變換器100是集成在管芯 上的器件。多相DC-DC變換器100包括根據(jù)此處所述實(shí)施例的多相 變壓器102。多相變壓器102的各種實(shí)施例將在下文進(jìn)行說明。
多相DC-DC變換器100在端子103上接收輸入電壓Vjn。將該 輸入電壓施加到橋接器(bridge) 104、 105、 106和107。每個(gè)橋接器 還接收相應(yīng)的控制信號(hào)(Or04)。在一個(gè)實(shí)施例中，橋接器104-107 的開關(guān)控制使用脈寬調(diào)制(PWM)。盡管圖1A示出具有四相的多相 DC-DC變換器，但是應(yīng)該理解本發(fā)明的實(shí)施例并不限于具有四相的 多相變壓器。
通常，各相偏移360/N度的倍數(shù)，其中N是相數(shù)。例如，在圖 1B中，多相DC-DC變換器100的四個(gè)相位N偏移90度的倍數(shù)，例 如90、 180、 270度。變壓器的輸出電壓Vs具有由于橋接器進(jìn)行切換
所引起的殘余紋波電壓(以及相應(yīng)的紋波電流)。在一個(gè)實(shí)施例中， 使用電容器來使該紋波電壓最小化。
每個(gè)橋接器104-107分別輸出電壓VrV4，將這些電壓施加到多 相變壓器102的相應(yīng)端子。電壓VrV4是根據(jù)控制信號(hào)(<Dr(I)4)的 開關(guān)PWM波形。針對(duì)控制信號(hào)將相位分配給橋接器的輸入對(duì)應(yīng)于將 相位分配給多相變壓器102的輸入端。相位的分配確定了每個(gè)變壓器 輸入端子的相移。
多相變壓器102產(chǎn)生變壓器的輸出電壓Vs。由電容器112對(duì)電 壓Vs進(jìn)行濾波，以在端子114上提供多相DC-DC變換器100的輸出 電壓VOUT。此外，電容器112可以在負(fù)載電流突然變化的情況下穩(wěn) 定輸出電壓V0UT。通過增加相數(shù)以及通過增加多相變壓器的耦合系 數(shù)，可以減小電容器112的所需尺寸。
根據(jù)此處的實(shí)施例，將相位分配給多相變壓器102，以便增加 DC-DC變換器的效率。變換器的效率是變換器的功率輸出和功率輸 入的比率。當(dāng)DC-DC變換器將電功率從輸入電壓電平轉(zhuǎn)換為期望的 輸出電壓電平時(shí)會(huì)發(fā)生一些損耗。
如圖IB的實(shí)例所示，將相為依次分配給多相變壓器102將造成 變換器的效率降低，這是由于變壓器的輸入電壓端子上的高紋波電流 引起的。效率退化可以是低于90%幾個(gè)百分點(diǎn)。此處所述的相位分 配將使DC-DC變換器的效率達(dá)到90%或者更高。
現(xiàn)在，將討論多相變壓器102的實(shí)施例。應(yīng)該理解的是，本發(fā)明 的實(shí)施例不限于這些多相變壓器的實(shí)施例。同樣，多相變壓器不限于 此處所述的相數(shù)?？梢愿淖兌嘞嘧儔浩鞯南鄶?shù)以適于實(shí)施。
參照?qǐng)D2，其示出多相變壓器200的實(shí)施例。多相變壓器200使 用循環(huán)級(jí)聯(lián)布局。多相變壓器200包括四個(gè)2相變壓器。在圖2的實(shí) 施例中，將四個(gè)2相變壓器實(shí)施為耦合電感器Ll-L4。
在一個(gè)實(shí)施例中，耦合電感器包括兩個(gè)磁耦合的電感器。使這兩 個(gè)電感器的繞組圍繞同一個(gè)鐵芯。如點(diǎn)符號(hào)所示，兩個(gè)電感器以相同 的極性纏繞并且直接耦合(與間接耦合相對(duì))。每個(gè)電感器的繞組數(shù) 是相同的(比例為1 : 1)。耦合電感器L1-L4上的虛線線條表示磁芯。
在一個(gè)實(shí)施例中，電感器是半導(dǎo)體管芯上的集成電感器。
將電壓V,-V4分別輸入到輸入電壓端子202-205。變壓器在輸出 端子206上的輸出電壓Vs近似為Vs= (Vj+V2+V3+V4) /4= (V,+...+VN) /N，即使在變壓器端子的任一端子上出現(xiàn)大電流的情 況下，也是如此。
輸入電壓端子202耦合到耦合電感器Ll的電感器242的端子 210。電感器242的端子212耦合到耦合電感器L4的電感器256的端 子240。耦合電感器Ll的電感器244的端子214耦合到變壓器的輸 出電壓Vs的端子206。耦合電感器L1的電感器244的端子216耦合 到耦合電感器L2的電感器246的端子220。
輸入電壓端子203耦合到耦合電感器L2的電感器246的端子 218。耦合電感器L2的電感器248的端子222耦合到變壓器的輸出電 壓Vs的端子206。耦合電感器L2的電感器248的端子224耦合到耦 合電感器L3的電感器250的端子228。
輸入電壓端子204耦合到耦合電感器L3的電感器250的端子 226。耦合電感器L3的電感器252的端子230耦合到變壓器的輸出電 壓Vs的端子206。耦合電感器L3的電感器252的端子232耦合到耦 合電感器L4的電感器254的端子236。
輸入電壓端子205耦合到耦合電感器L4的電感器254的端子 234。耦合電感器L4的電感器256的端子238耦合到變壓器的輸出電 壓Vs的端子206。并且如前所述，耦合電感器L4的電感器256的端 子240耦合到耦合電感器Ll的電感器242的端子212。
轉(zhuǎn)向圖3，其示出使用具有循環(huán)級(jí)聯(lián)布局的多相變壓器的管芯上 或單片12相DC-DC變換器300的平面布置的實(shí)施例。DC-DC變換 器300包括12個(gè)兩相變壓器，例如兩相變壓器306。將兩相變壓器 排列成兩列，以便使變壓器之間的連接的寄生電阻最小化。諸如橋接 器304的橋接器在DC-DC變換器300的兩側(cè)上排列成兩列。變壓器 將輸出電流傳送給Vcc凸起(bump)，例如Vcc凸起308。在圖3中 Vo;凸起由符號(hào)"+ "表示。Vcc凸起可以連接到用戶電路，例如處理 器。
參照?qǐng)D4，其示出多相變壓器400的實(shí)施例。多相變壓器400使 用變形循環(huán)級(jí)聯(lián)布局。將電壓VrV4分別輸入到輸入電壓端子 402-405。變壓器在輸出端子406上的輸出電壓Vs近似為Vs = (V,+V2+V3+V4) /4= (V,+…+Vn) /N，即使在變壓器端子的任一端 子上出現(xiàn)大電流的情況下，也是如此。
輸入電壓端子402耦合到耦合電感器Ll的電感器442的端子 410。電感器442的端子412耦合到耦合電感器L4的電感器456的端 子440。耦合電感器Ll的電感器444的端子416耦合到輸入電壓端 子403。電感器444的端子414耦合到耦合電感器L2的電感器446 的端子418。
耦合電感器L2的電感器446的端子420耦合到變壓器的輸出電 壓Vs的端子406。耦合電感器L2的電感器448的端子422耦合到變 壓器的輸出電壓Vs的端子406。電感器448的端子424耦合到耦合 電感器L3的電感器450的端子428。
輸入電壓端子404耦合到耦合電感器L3的電感器450的端子 426。耦合電感器L3的電感器452的端子430耦合到耦合電感器L4 的電感器454的端子434。電感器452的端子432耦合到輸入電壓端 子405。
電感器454的端子436耦合到變壓器的輸出電壓Vs的端子406。 耦合電感器L4的電感器456的端子438耦合到變壓器的輸出電壓Vs 的端子406。并且如前所述，電感器456的端子440耦合到耦合電感 器L1的電感器442的端子412。
轉(zhuǎn)向圖5，其示出使用具有變形循環(huán)級(jí)聯(lián)布局的多相變壓器的管 芯上或單片12相DC-DC變換器500的平面布置的實(shí)施例。DC-DC 變換器500包括12個(gè)兩相變壓器，例如兩相變壓器506。將兩相變 壓器排列成兩列，以便使變壓器之間的連接的寄生電阻最小化。諸如 橋接器504的橋接器分散在變壓器的列之間。變壓器將輸出電流傳送 給Vcc凸起，例如Vcc凸起508，在圖5中Vcc凸起由符號(hào)"+"表 示。Vcc凸起可以連接到用戶電路，例如處理器。
在12相DC-DC變換器500中，與圖3中的平面布置相比，輸出
電流更加均勻地傳送到Vcc凸起。在圖3中，輸出電流主要傳送到變 換器塊的左邊和右邊上的Vcc凸起，這可能使這些凸起過載并且使處 于中央的凸起具有較高的寄生電阻。該較高的寄生電阻導(dǎo)致效率較低 且瞬態(tài)電壓下降性能較差。
此外，與變換器300相比，在變換器500中，變壓器的輸出和橋 接器并沒有爭奪同樣大的金屬密度，這是因?yàn)樗鼈儾辉谕粎^(qū)域中。 這也導(dǎo)致變換器500中的寄生電阻較低。
因此，變換器500與變換器300相比具有較低的寄生電阻，并由 此具有較高的效率。變換器500還具有較好的瞬態(tài)電壓下降性能和較 低的熱應(yīng)力。
參照?qǐng)D6A，其示出多相變壓器600的實(shí)施例。多相變壓器600 具有混合循環(huán)級(jí)聯(lián)布局。多相變壓器600具有四個(gè)2相變壓器。在圖 6A的實(shí)施例中，將四個(gè)2相變壓器實(shí)施為耦合電感器Ll-L4。將電 壓V廣V4分別輸入到輸入電壓端子602-605。變壓器在輸出端子606 上的輸出電壓Vs近似為Vs= (V，+V2+V3+V4) /4= (V,+…+Vn) /N， 即使在變壓器端子的任一端子上出現(xiàn)大電流的情況下，也是如此。
輸入電壓端子602耦合到耦合電感器Ll的電感器642的端子 610。電感器642的端子612耦合到耦合電感器L4的電感器656的端 子640。電感器644的端子616耦合到耦合電感器L2的電感器646 的端子620。耦合電感器L1的端子614耦合到變壓器的輸出電壓Vs 的端子606。
輸入電壓端子603耦合到耦合電感器L2的電感器646的端子 618。耦合電感器L2的電感器648的端子622耦合到變壓器的輸出電 壓Vs的端子606。電感器648的端子624耦合到耦合電感器L3的電 感器650的端子628。
輸入電壓端子604耦合到耦合電感器L3的電感器650的端子 626。輸入電壓端子605耦合到耦合電感器L3的電感器652的端子 632。耦合電感器L3的電感器652的端子630耦合到耦合電感器L4 的電感器654的端子634。
電感器654的端子636耦合到變壓器的輸出電壓Vs的端子606。 耦合電感器L4的電感器656的端子638耦合到變壓器的輸出電壓Vs 的端子606。并且如前所述，電感器656的端子640耦合到耦合電感 器L1的電感器642的端子612。
在混合循環(huán)級(jí)聯(lián)600中，將耦合電感器Ll和L2設(shè)置為循環(huán)級(jí) 聯(lián)的一部分(如圖2所示)，而將耦合電感器L3和L4設(shè)置為變形循 環(huán)級(jí)聯(lián)的一部分(如圖4所示)。在混合循環(huán)級(jí)聯(lián)布局的一個(gè)實(shí)施例 中， 一個(gè)或多個(gè)部分可以是循環(huán)級(jí)聯(lián)設(shè)置，而大部分可以是變形循環(huán) 級(jí)聯(lián)設(shè)置。
在一個(gè)實(shí)施例中，混合循環(huán)級(jí)聯(lián)布局可以具有奇數(shù)個(gè)相位，這可 以產(chǎn)生更高的效率。通常，變形循環(huán)級(jí)聯(lián)使用偶數(shù)個(gè)相位，并且通常 不是奇數(shù)個(gè)相位。具有偶數(shù)個(gè)相位的變形循環(huán)級(jí)聯(lián)比具有奇數(shù)個(gè)相位 的(常規(guī))循環(huán)級(jí)聯(lián)具有更好的效率。這是由于(常規(guī))循環(huán)級(jí)聯(lián)引 起的布線擁擠造成的?；旌涎h(huán)級(jí)聯(lián)可以具有偶數(shù)個(gè)相位并且沒有布 線擁擠。
轉(zhuǎn)向圖6B，其示出使用奇數(shù)個(gè)相位的混合循環(huán)布局的多相變壓 器650的實(shí)施例。多相變壓器650包括五個(gè)2相變壓器。將每一個(gè)2 相變壓器實(shí)施為如Ll-L5所示的耦合電感器。在具有奇數(shù)個(gè)相位的混 合循環(huán)級(jí)聯(lián)布局中將耦合電感器L1-L4設(shè)置為變形循環(huán)級(jí)聯(lián)的一部 分，而將耦合電感器L5設(shè)置為(常規(guī))循環(huán)級(jí)聯(lián)的一部分。
轉(zhuǎn)向圖7，其示出使用具有混合循環(huán)級(jí)聯(lián)布局的多相變壓器的管 芯上或者單片11相DC-DC變換器700的平面布置的實(shí)施例。DC-DC 變換器700包括11個(gè)兩相變壓器，例如兩相變壓器706。將兩相變 壓器排列成兩列，以便使變壓器之間的連接的寄生電阻最小化。諸如 橋接器704的橋接器分散在變壓器的列之間。變壓器將輸出電流傳送 給Vcc凸起，例如Vcc凸起708，在圖7中Vcc凸起由符號(hào)"+"表 示。Vw凸起可以連接到用戶電路，例如處理器。
轉(zhuǎn)向圖8、 9A和9B，其示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例將相位分配給多 相變壓器。如上所述，盡管多相變壓器布局的實(shí)施例提供了多相變壓 器的優(yōu)點(diǎn)，即輸出電感小而輸入電感大，但是輸入電感的實(shí)際值取決 于將相位分配給多相變壓器的輸入端子的順序，并因此使輸入端上的
紋波電流也取決于該順序。
在理想的多相變壓器中，單個(gè)繞組的紋波電流是完全對(duì)稱的三角 波形，因此將相位分配給多相變壓器的輸入端子的順序不重要。然而， 這種理想的多相變壓器實(shí)際上不可實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，理想的多
相變壓器近似為以上結(jié)合圖2-7所述的兩相變壓器的結(jié)合。
在一個(gè)實(shí)施例中，將相位分配給多相變壓器，以使多相變壓器的 輸入上的紋波電流最小化。將相位分配給多相變壓器的電壓輸入端子 會(huì)影響通過繞組的紋波電流的形狀和有效幅度，并因此影響多相 DC-DC變換器的效率。以下所述的相位分配非常近似于使輸入紋波 電流很小的理想情況。相位分配影響輸入紋波電流，其一部分來自鐵 芯的磁化變化。輸出紋波電流基本上與相位分配無關(guān)。
相位分配的實(shí)施例如下。假設(shè)N二相數(shù)，(1>7=分配給端子T的 相位，其角度A=360* (0T—1) /N。將相位O產(chǎn)l分配給第一端子 Tl。將相位OT分配給其它端子T=2...N，使得相位間隔相等并且相 位差360* (<Dt+1—Ot) /N盡可能接近180+n*360，其中n是任意的 整數(shù)。這可以通過找到最接近的整數(shù)m二 (0>T+1—Ot) < (N/2)來實(shí) 現(xiàn)，使得N不是m的倍數(shù)。注意，如果m是解，那么N—m也是解。 圖8中的流程圖800所示的上述算法的實(shí)施例如下
0>T+1= (Ot—1+ (N/2 —1/2)) modN+l，其中N為奇數(shù)個(gè)相位 =(<DT—1+ (N/2—1)) modN+l，其中N為偶數(shù)個(gè)相位，
以及
Nmod (N/2—1)判
在Oa,i= (Ob,i—l+p) mod N+l的情況下，兩個(gè)相位分配 (Oa^，…(IVN)和(Ob，b..鳥,N)等價(jià)，其中i=l...N，而p是任意整 數(shù)。
將結(jié)合圖9A和9B對(duì)上述實(shí)施例的例子進(jìn)行說明，其中N二相 數(shù)。圓內(nèi)的數(shù)字表示多相變壓器的輸入端子(端子號(hào))，而圓外的數(shù) 字表示所分配的相位(相位號(hào))。以下對(duì)四個(gè)例子進(jìn)行了說明。
在圖9A中，N二5個(gè)相位。將相位l分配給端子l。分配給端子2的相位=(1 — 1+ (5/2—1/2)) mod5+l
=(2) mod 5 + 1 =2+1
因此，將相位3分配給端子2。
分配給端子3的相位=(3 — 1+ (5/2—1/2)) mod5+l
=(4) mod 5 + 1 =4 + 1
因此，將相位5分配給端子3。
在圖9B中，N二12個(gè)相位，將相位l分配給端子l。 分配給端子2的相位=(1一1+ (12/2—1)) mod 12 + 1
=(5) mod 12+1
=5 + 1
=6
因此，將相位6分配給端子2。
分配給端子3的相位二 (6—1+ (12/2 l)) mod 12+1
=(10) mod 12+1 =10+1 =11
因此，將相位11分配給端子3。
得益于本說明書的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到，如何將上述實(shí)施 例應(yīng)用于圖9A和9B中的余下的輸入端子。同樣，通過上面的例子， 能夠意識(shí)到，如何將該方法的實(shí)施例應(yīng)用于具有不同相數(shù)的多相變壓 器。
在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)上述方法分配給多相變壓器的相數(shù)是16。 分析顯示在具有循環(huán)級(jí)聯(lián)或變形循環(huán)級(jí)聯(lián)布局的多相變壓器中使用 16個(gè)相位導(dǎo)致變換器的效率大約為90%。
參照?qǐng)D9C，其示出了曲線950，該曲線950顯示出根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施例的相對(duì)于不同相數(shù)的效率趨勢(shì)。在曲線950中，縱軸表示
DC-DC變換器的效率，橫軸表示相數(shù)N。
如曲線950所示，效率可以隨著相數(shù)N的增加而增大，并且可 以在N=16時(shí)接近大約為90%的最大值。與具有偶數(shù)個(gè)相位的實(shí)施 例相比，奇數(shù)個(gè)相位可以提供更高的效率。 一些偶數(shù)個(gè)相位，例如4、 6、 10、 14以及其它等于質(zhì)數(shù)乘以2的數(shù)字可能與最佳相位分配沖突， 因此可能導(dǎo)致效率較低。
應(yīng)該注意的是，可以對(duì)此處所述的DC-DC變換器進(jìn)行排列以便 向更大的負(fù)載傳送更高的總功率。在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)計(jì)成輸出電流 為5A的多個(gè)DC-DC變換器500都可以將它們的電壓輸出并聯(lián)耦合。 例如，在雙核處理器中，每個(gè)內(nèi)核可能需要20A的電源電流，并且 高速緩沖存儲(chǔ)器和1/0 (輸入/輸出)可能各自消耗5A的電流。為了 向該處理器提供電流，可以使用10個(gè)DC-DC變換器500:將4個(gè)變 換器并聯(lián)連接以為第一內(nèi)核供電，將另外的4個(gè)變換器并聯(lián)連接以為 第二內(nèi)核供電， 一個(gè)變換器為高速緩沖存儲(chǔ)器供電，以及一個(gè)變換器 為1/0供電。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以將變換器布置成規(guī)則陣列(例如，2X5)。
傳送給兩個(gè)內(nèi)核、高速緩沖存儲(chǔ)器以及i/o的輸出電壓可能都不相同，
以便使這些部件中的每一個(gè)都在最佳條件下工作并且節(jié)省功率。例 如，可以為空閑內(nèi)核提供較低的電壓，以便降低泄漏功率損失。
此外，可以將為空閑內(nèi)核供電的四個(gè)變換器中的兩個(gè)或三個(gè)關(guān) 斷，以便提高輕載時(shí)的效率?？梢詫?duì)這些變換器之間的相位分配進(jìn)行 優(yōu)化，以使每一個(gè)多相DC-DC變換器的輸入紋波電流最小化并且使 殘余輸出電壓紋波最小化。
參照?qǐng)D10，其示出具有可編程能力的多相DC-DC變換器1000。 多相DC-DC變換器1000包括耦合到多相變壓器102的混洗電路 (shuffle circuit) 1002。將輸入電壓Vin和相位分配(O廠04)施加 于混洗電路1002。還將控制輸入1004施加于混洗電路1002。
在一個(gè)實(shí)施例中，在制造多相DC-DC變換器1000的過程中使用 混洗電路1002，以便將所期望的相位指定給多相變壓器102。在一個(gè) 實(shí)施例中，控制輸入1004用于熔斷混洗電路1002中的熔絲，從而將
相位分配(①廣①4)按照需要分配給多相變壓器的電壓輸入端。在該
特定實(shí)施例中，這些相位被永久分配?？刂戚斎?004可以由計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)管理，例如圖IIB所示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，控制輸入1004可以用于通過使用混洗電路 1002中的硬件邏輯來改變對(duì)多相變壓器102的相位分配。因此，相 位分配可以在所使用的系統(tǒng)中改變。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用例如 圖11B所示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS)設(shè)置工具來 改變控制輸入。
參照?qǐng)DIIA，其示出包括多相DC-DC變換器100的系統(tǒng)1100。 在系統(tǒng)1100中，多相DC-DC變換器100的輸出電壓V。uT耦合到用 戶電路1104。用戶電路1104還可以被稱為負(fù)載。在一個(gè)實(shí)施例中， 用戶電路1104包括處理器。
在系統(tǒng)1100的一個(gè)實(shí)施例中，多相DC-DC變換器100是封裝好 的集成在管芯上的器件，并且將用戶電路1104單獨(dú)封裝。在一個(gè)實(shí) 施例中，變換器100和用戶電路1104安裝在同一印刷電路板上并且 電耦合在一起。
在系統(tǒng)1100的另一實(shí)施例中，將多相DC-DC變換器100和用戶 電路1104封裝在同一芯片封裝中。在一個(gè)實(shí)施例中，變換器100和 電路1104集成在同一管芯上。在另一實(shí)施例中，變換器100和電路 1104集成在不同的管芯上。在該特定實(shí)施例中，可以將變換器100 和電路1104并排設(shè)置或疊置為多芯片模塊。
圖11B示出其上可以實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150包括耦合到芯片組1158的處理器1152和存儲(chǔ)器 1154。存儲(chǔ)設(shè)備1158、非易失性存儲(chǔ)器(NVS) 1156、網(wǎng)絡(luò)接口 (I/F) 1162和輸入/輸出(I/O)設(shè)備1164也可以耦合到芯片組1158。計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)1150的實(shí)施例包括但不限于臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、服 務(wù)器、個(gè)人數(shù)字助理、網(wǎng)絡(luò)工作站等。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1150包括這里所述的多相DC-DC變換器，用于為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150 的用戶電路例如處理器1152提供功率。
處理器1152可以包括但不限于Intel公司的x86、 Pentium 、
Xeon 、或者Itanium⑧系列處理器等。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1150可以包括多個(gè)處理器。在另一實(shí)施例中，處理器1152可以包括 兩個(gè)或多個(gè)處理器內(nèi)核。
存儲(chǔ)器1154可以包括但不限于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)、 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SDRAM)、 存儲(chǔ)器總線式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RDRAM)等。在一個(gè)實(shí)施例中， 存儲(chǔ)器1154可以包括一個(gè)或多個(gè)不必刷新的存儲(chǔ)器單元。
芯片組1158可以包括存儲(chǔ)器控制器，例如存儲(chǔ)器控制器集線器 (MCH)、輸入/輸出控制器，例如輸入/輸出控制器集線器(ICH)等。 在可選實(shí)施例中，用于存儲(chǔ)器1154的存儲(chǔ)器控制器可以駐留在與處 理器1152相同的芯片中。芯片組1158還可以包括系統(tǒng)時(shí)鐘支持、功 率管理支持、音頻支持、圖形支持等。在一個(gè)實(shí)施例中，芯片組1158 耦合到板上，該板包括用于處理器1152和存儲(chǔ)器1154的插座。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150的部件可以通過各種互連來連接。在一個(gè)實(shí)施 例中，互連可以是兩個(gè)部件之間的點(diǎn)到點(diǎn)，而在其它實(shí)施例中，互連 可以連接兩個(gè)以上的部件。這種互連可以包括外圍部件互連(PCI)， 例如PCIExpress、系統(tǒng)管理總線(SMBUS)、低引腳數(shù)(LPC)總線、 串行外圍接口 (SPI)總線、圖形加速端口 (AGP)接口等。1/0設(shè)備 1164可以包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、掃描儀等。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150可以通過網(wǎng)絡(luò)接口 1162連接到外部系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò) 接口 1162可以包括但不限于調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)或用 于將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)耦合到其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其它接口。載波信號(hào)1168 可以通過網(wǎng)絡(luò)接口 1162接收/發(fā)送。在圖IIB所示的實(shí)施例中，載波 信號(hào)1168用于使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150與網(wǎng)絡(luò)1166交互，所述網(wǎng)絡(luò)1166 例如是局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、因特網(wǎng)或者它們的任意組 合。在一個(gè)實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)1166還通過載波信號(hào)1170耦合到計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)1172，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1172可以通過網(wǎng)絡(luò) 1166進(jìn)行通信。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150還包括其上可以存儲(chǔ)固件和/或數(shù)據(jù)的非易失性 存儲(chǔ)器1156。非易失性存儲(chǔ)器包括但不限于只讀存儲(chǔ)器(ROM)、閃
存、可擦可編程序只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、電可擦可編程序只讀存儲(chǔ) 器(EEPROM)、非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(NVRAM)等。存儲(chǔ)設(shè) 備1160包括但不限于磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁帶驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器等。應(yīng) 該意識(shí)到，處理器1152可執(zhí)行的指令可以駐留在存儲(chǔ)設(shè)備1160、存 儲(chǔ)器1154、非易失性存儲(chǔ)器1156中，或者可以通過網(wǎng)絡(luò)接口 1162 進(jìn)行發(fā)送或接收。
應(yīng)該意識(shí)到，在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150可以執(zhí)行操作 系統(tǒng)(OS)軟件。例如，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例利用了 Microsoft Windows⑧作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1150的操作系統(tǒng)。其它還可以用于計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)1150的操作系統(tǒng)包括但不限于Apple Macintosh操作系統(tǒng)、Linux 操作系統(tǒng)、Unix操作系統(tǒng)等。
出于說明的目的，機(jī)器可存取介質(zhì)包括能夠以機(jī)器(例如，計(jì)算 機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理、制造工具、具有一組一個(gè)或多個(gè)處理 器的任何設(shè)備，等等)可讀或可存取的形式提供(即，存儲(chǔ)和/或發(fā) 送)信息的任何機(jī)構(gòu)。例如，機(jī)器可存取介質(zhì)包括但不限于可記錄/ 不可記錄型介質(zhì)(例如，只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、 磁盤存儲(chǔ)介質(zhì)、光存儲(chǔ)介質(zhì)、閃存裝置等)。另外，機(jī)器可存取介質(zhì) 可以包括傳播信號(hào)，例如電、光、聲或者其它形式的傳播信號(hào)(例如， 載波、紅外信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等)。
這里對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的各種操作進(jìn)行了說明。這些操作可以由使 用處理器、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等 的機(jī)器來執(zhí)行。不應(yīng)該將描述一些或者所有操作的順序認(rèn)為是暗示這 些操作一定是順序相關(guān)的。得益于本說明書的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意 識(shí)到存在可選的排序。此外，應(yīng)該理解的是，不是所有的操作都一定 存在于本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例中。
以上對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的說明(包括在摘要中說明的內(nèi) 容)不旨在是窮盡性的或?qū)?shí)施例局限于所公開的精確形式。盡管這 里出于舉例說明的目的描對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例和例子進(jìn)行了說明， 但是如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的那樣，各種等價(jià)修改也是可行的。 根據(jù)以上具體說明，可以對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行這些修改。不應(yīng)該將 所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語理解為是將本發(fā)明局限于在說明書中所 公開的具體實(shí)施例。相反，應(yīng)該根據(jù)權(quán)利要求解釋的現(xiàn)有原則來理解 所附權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1、一種方法，包括提供包括多相變壓器的多相DC-DC變換器，所述多相變壓器包括多個(gè)輸入電壓端子和變壓器輸出電壓端子，每個(gè)輸入電壓端子與對(duì)應(yīng)的相位相關(guān)聯(lián)；以及將每一相位分配給所述多個(gè)輸入電壓端子中的一個(gè)輸入電壓端子，以使所述多相變壓器的所述輸入電壓端子上的紋波電流最小化。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中分配所述相位包括將所述 相位不按順序地分配給所述多個(gè)輸入電壓端子。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)以下內(nèi)容分配所述相位將第一相位O,分配給所述多個(gè)輸入電壓端子中的第一端子Tl;如果相數(shù)N是奇數(shù)，則Ot+1= (0)T—1+ (N/2—1/2)) modN+l，其中T是端子號(hào)；以及如果所述相數(shù)N是偶數(shù)，則Ot+1= (d)T—1+ (N/2—1)) modN+l，其中T是端子號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多相變壓器包括用于 所述多相變壓器的每一相的兩相變壓器，將所述兩相變壓器布置成循 環(huán)級(jí)聯(lián)布局。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中每個(gè)兩相變壓器包括耦合 電感器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多相變壓器包括用于 所述多相變壓器的每一相的兩相變壓器，將所述兩相變壓器布置成變 形循環(huán)級(jí)聯(lián)布局。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中每個(gè)兩相變壓器包括耦合 電感器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多相變壓器包括用于 所述多相變壓器的每一相的兩相變壓器，將所述兩相變壓器布置成混 合循環(huán)級(jí)聯(lián)布局。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中每個(gè)兩相變壓器包括耦合 電感器。
10、 一種多相DC-DC變換器，包括 多相變壓器；耦合到所述多相變壓器的變壓器輸出電壓端子；以及 耦合到所述多相變壓器的多個(gè)輸入電壓端子，其中將與多個(gè)輸入 電壓對(duì)應(yīng)的多個(gè)相位分別分配給所述多個(gè)輸入電壓端子，以使所述多 相變壓器的所述輸入電壓端子上的紋波電流最小化。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的多相DC-DC變換器，其中所述多相 變壓器包括用于所述多相變壓器的每一相的兩相變壓器，將所述兩相 變壓器布置成循環(huán)級(jí)聯(lián)布局。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的多相DC-DC變換器，其中所述多相 變壓器包括用于所述多相變壓器的每一相的兩相變壓器，將所述兩相 變壓器布置成變形循環(huán)級(jí)聯(lián)布局。
13、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的多相DC-DC變換器，其中所述多相 變壓器包括用于所述多相變壓器的每一相的兩相變壓器，將所述兩相 變壓器布置成混合循環(huán)級(jí)聯(lián)布局。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的多相DC-DC變換器，還包括耦合在 所述多個(gè)輸入電壓端子和所述多相變壓器的對(duì)應(yīng)橋接器之間的混洗 電路，用于使得能夠?qū)λ龆嘞嘧儔浩鞯南辔环峙溥M(jìn)行編程。
15、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的多相DC-DC變換器，其中所述多相 DC-DC變換器的輸出電壓端子并聯(lián)耦合到第二多相DC-DC變換器的 第二輸出電壓端子。
16、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的多相DC-DC變換器，其中所述 DC-DC變換器集成在半導(dǎo)體管芯上。
17、 一種系統(tǒng)，包括 處理器；集成在半導(dǎo)體管芯上的多相DC-DC變換器，其用于向所述處理 器提供電源電壓，所述DC-DC變換器包括 多相變壓器；耦合到所述多相變壓器的變壓器輸出電壓端子；以及 耦合到所述多相變壓器的多個(gè)輸入電壓端子，其中將與多個(gè) 輸入電壓對(duì)應(yīng)的多個(gè)相位分別施加于所述多個(gè)輸入電壓端子，以使所 述多相變壓器的所述輸入電壓端子上的紋波電流最小化。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述多相變壓器包括用 于所述多相變壓器的每一相的兩相變壓器，將所述兩相變壓器布置成 循環(huán)級(jí)聯(lián)布局、變形循環(huán)級(jí)聯(lián)布局或混合循環(huán)級(jí)聯(lián)布局中的一種。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述處理器和所述多相 DC-DC變換器封裝在同一封裝中。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述處理器和所述多相 DC-DC變換器集成在同一半導(dǎo)體管芯上。
全文摘要
提供了一種包括多相變壓器的多相DC-DC變換器，所述多相變壓器包括多個(gè)輸入電壓端子和變壓器輸出電壓端子，每個(gè)輸入電壓端子與對(duì)應(yīng)的相位相關(guān)聯(lián)。將每一相位分配給所述多個(gè)輸入電壓端子中的一個(gè)輸入電壓端子，以使多相變壓器的所述輸入電壓端子上的紋波電流最小化。
文檔編號(hào)H02M3/22GK101185232SQ200680018297
公開日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者F·帕耶, G·施羅姆, J·李, P·哈祖哈, T·卡爾尼克, V·德 申請(qǐng)人:英特爾公司