專利名稱：用于多相變壓器的裝置和方法
技術領域：
本發明的一個或多個實施例通常涉及集成電路和計算機系統設計領域。更具體地，本發明的一個或多個實施例涉及用于多相變壓器的方法和裝置。
背景技術：
設計計算機系統中的電源，以滿足集成電路芯片(IC)的特定功率需求，其中集成電路芯片(IC)是該系統的部件。IC的額定工作電壓一般是已知的，這是因為大部分IC被加工成滿足器件工作的工業標準。例如，晶體管-晶體管邏輯(TTL)器件的額定供電電壓是5.0V，而互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件的額定供電電壓是3.3V。
理論上，電源供應可靠并且精密的額定電壓電平，但是電源一般由于許多因素而變得不精確。電源的典型可靠范圍是加或減5％。因此，將大部分IC設計成在額定電壓加或減5％的范圍內工作。然而，一些IC對電源的不精確度容許低，而一些IC可能需要的額定工作電壓不同于標準TTL和CMOS電壓。具有這些特性之一或者全部特性的IC的工作電壓可以由DC-DC變換器提供，該DC-DC變換器將電源的DC輸出變換成期望的DC工作電壓。
DC-DC變換器一般是開關型電壓調節器，這種開關型電壓調節器比線性調節器的效率高。當DC-DC變換器用于為單個IC提供電壓時，重點是效率需求，所述單個IC可以是計算機系統的處理器。如果在DC-DC變換器工作時消耗過多的功率，則需要散熱片并且將會增加DC-DC變換器的空間面積。在可用板空間的數量是有限時，這是特別不希望的。
此外，盡管供電電壓(Vcc)不斷縮減，但是每一代高性能微處理器的最大電流消耗、電流密度以及電流瞬態需求量都以50％增加。Vcc的降低使得以高的變換效率遞送較大電流變得更加有挑戰性，特別是由于最大可接受的Vcc變化是目標Vcc值的10％的數量級。在存在大的瞬態電流的情況下，利用傳統方法滿足微處理器管芯上的Vcc變化目標需要極其大量的片上去耦電容(decap)。或者，需要主板電壓調節器和變換器模塊(VRM)在更高的頻率下工作。
在附圖中，本發明的各種實施例是作為實例闡述，而不是對其的限制，其中圖1是使用根據一個實施例的多相微型變壓器的DC-DC變換器的示意性框圖；圖2是示出根據一個實施例的具有耦合電感線圈拓撲的變壓器的示意性框圖；圖3是示出根據一個實施例的具有耦合電感線圈拓撲的變壓器的示意性框圖；圖4是示出根據一個實施例的包括耦合電感線圈拓撲的變壓器的示意性框圖；圖5A是示出根據一個實施例的多相微型變壓器的框圖；圖5B是示出根據一個實施例的圖5A的多相微型變壓器的橫截面的框圖；圖6A是示出根據一個實施例的具有集成在處理器管芯上的DC-DC變換器的電子系統的簡圖；圖6B是示出根據一個實施例的包括在其中具有通孔的三維(3D)層疊管芯上的DC-DC變換器的電子系統的簡圖；圖7是示出使用所公開技術的各種設計表示或者用于仿真、模擬的形式以及設計制造的框圖。
具體實施例方式
降低供電電壓(Vcc)以用于低壓應用(例如手機/手持設備)，這使得以高的轉換效率供應大電流變得非常有挑戰性。在存在大的瞬態電流的情況下，特別是對于低電壓平臺，利用傳統方法滿足微處理器管芯上的Vcc變化目標需要極其大量的片上去耦電容。滿足Vcc變化的可選技術是使用主板電壓調節器和變換器模塊(VRM)，其在高頻率下工作。此外，需要昂貴的解決方案以使片外供電網絡的阻抗(Zext)最小化，其中片外供電網絡將大電流從VRM通過板、插槽以及封裝跡線傳送到管芯。
相應地，圖1示出了根據一個實施例的直流(DC)到DC(DC-DC)變換器100，該DC-DC變換器100可以封裝或者集成在處理器的管芯上。DC-DC變換器是接收DC輸入電壓并產生DC輸出電壓的設備。一般地，所產生輸出的電壓電平不同于輸入。可以將DC-DC變換器配置為升高電壓(升壓)、降低電壓(降壓)或者將輸出電壓關于輸入電壓反向。
如圖1所示，DC-DC變換器包括橋120(120-1、120-2、120-3、120-4)，這些橋耦合到輸入節點101以接收例如12V的輸入電壓(Vin)。每個橋可以包括一個或多個開關122(122-1、122-2、122-3、122-4)和124(124-1、124-2、124-3、124-4)，其可以用來驅動變壓器200以在輸出節點150提供輸出電壓(Vout)，該輸出電壓是接收的輸入電壓(V1、V2、V3、V4)的平均值。典型地，將去耦電容器(C)耦合到輸出節點150。在一個實施例中，控制電路110控制橋120打開和關斷他們各自的開關122和124以在輸出節點150生成Vout。在一個實施例中，根據例如耦合電感線圈拓撲，配置變壓器200，例如參照圖2到圖5B所示的那樣。
圖2是示出根據一個實施例的具有耦合電感線圈拓撲的變壓器200的示意性框圖。在一個實施例中，變壓器200是具有N相(N＝4)的多相變壓器。在一個實施例中，變壓器200近似理想的多相變壓器，使得對于1∶1∶1∶1的匝數比，可以將緊耦合描述為(V1+V2+V3+V4)/4＝VS(1)換言之，變壓器200包括用于接收輸入電壓V1、V2、V3、V4的輸入節點201(201-1、201-2、201-3、201-4)以及用于提供公共節點輸出電壓(VS)的公共節點250。一般地，因為繞組之間的不對稱耦合，因此難以將理想變壓器實現為許多相(N大于2)。此外，具有理想多相變壓器拓撲的三相變壓器限于使用在大功率應用中，而不適用于管芯集成。
因此，在一個實施例中，示出的變壓器200包括耦合在第一輸入節點201-1和公共節點250之間的第一初級電感線圈(L1)210。同樣地，第二初級電感線圈(L2)耦合在第二輸入節點201-2和公共輸出節點250之間。第三初級電感線圈(L3)耦合在第三輸入節點201-3和公共輸出節點250之間。最后，第四初級電感線圈(L4)240耦合在第四輸入節點201-4和公共輸出節點250之間。
在一個實施例中，第一次級電感線圈(Lx2)222、次級電感線圈(Lx3)以及第三次級電感線圈(Lx4)242串聯耦合在第一輸入節點201-1和公共輸出節點250之間。在一個實施例中，串聯連接的繞組Lx2222、lx3 232以及lx4 242分別獲得電壓的總和(V2-VS)+(V3-VS)+(V4-VS) (2)典型地，次級電感線圈(222、232、242)與初級電感線圈L1 210反并聯設置，使得電壓總和等于(V1-VS)+(V2-VS)+(V3-VS)+(V4-VS)＝0 (3)V1+V2+V3+V4＝4VS(4)如此處所述，將第一輸入節點201-1和公共輸出節點250之間的這個串聯連接的次級電感線圈(222、232、242)稱為“電感線圈的串并聯耦合”。如此處進一步所述，布置初級電感線圈(210、220、230、240)和次級電感線圈(222、232、242)以提供圖2到圖5B所示的變壓器，此處將初級電感線圈(210、220、230、240)和次級電感線圈(222、232、242)的布置稱為“耦合的電感線圈拓撲”。
圖3是代表性示出根據一個實施例的對稱四相變壓器300的框圖，變壓器300包括四個具有繞組310、320、330和340(此處稱為“主繞組”)的常規變壓器。典型地，主繞組310耦合到次級繞組312、314和316。主繞組(310、320、330和340)和耦合的繞組之間的可用導線橫截面的分配確定了到“a”部件304(304-1、304-2、304-3、304-4)的電流和到“b”部件306(306-1、306-2、306-3、306-4)之間的劃分以及總的有效電阻。
在一個實施例中，可以如此選擇橫截面，使得磁芯中的凈通量最小化(以總電阻開銷的N/2為代價)，或者使得耦合繞組的串聯電阻提供電壓下降的額外衰減(damp)。一般地，將電壓下降定義為空載和滿載之間的電壓差，其表示為滿載值的百分比。在DC-DC變換器中，最優電阻由去耦電容器的等效串聯電阻而定。在一個實施例中，變壓器300的初級繞組和次級繞組可以用自耦變壓器代替以使相數加倍。
圖4是示出根據一個實施例的三相變壓器400的框圖。如圖所示，初級繞組410、420和430耦合在相應的輸入節點402(402-1、402-2、402-3)和公共輸出節點450之間。同樣地，布置次級繞組412和414以耦合來自初級繞組410的能量；布置次級繞組422和424以耦合來自初級繞組420的能量。最后，布置次級繞組432和434以耦合來自初級繞組430的能量。基于這種布置，次級繞組和初級繞組之間的能量耦合提供公共輸出電壓，該公共輸出電壓是輸入節點401接收到的輸入節點電壓(V1-V3)的平均值。
圖5A是使用根據一個實施例的依照環形結構的集成微型變壓器的多相微型變壓器的框圖。如此處所述，術語“微型變壓器”指制造在集成電路(IC)管芯或IC封裝上的變壓器。在一個實施例中，圖5A提供了根據一個實施例的圖3所示的變壓器300的表示。在一個實施例中，布置次級繞組以耦合來自初級繞組的能量。典型地，布置次級繞組512、514和516以耦合來自初級繞組510(510-1、510-2和510-3)的能量。同樣地，布置次級繞組522、524和526以耦合來自初級繞組520(520-1、520-2和520-3)的能量。另外，布置次級繞組532、534和536以耦合來自初級繞組530(530-1、530-2、530-3)的能量；并且布置次級繞組542、544和546以耦合來自初級繞組540(540-1、540-2和540-3)的能量。如上所述，關于圖5A所示的根據耦合的電感線圈拓撲的初級繞組和次級繞組的布置提供輸出電壓Vs，根據方程式(4)，該輸出電壓Vs是輸入電壓V1、V2、V3和V4的平均值。
圖5B示出了沿線560的橫截面，以說明與次級繞組512、514和516一起布置的初級繞組510。典型地，將初級繞組510和次級繞組(512、514和516)布置在磁芯570中。相應地，在一個實施例中，當提供去耦電容器的空間受到限制時，關于圖2到圖5A所示的耦合的電感線圈拓撲為集成在管芯上的DC-DC變換器或者3D層疊的DC-DC變壓器提供所需的緊湊耦合以確保降壓控制。
在一個實施例中，耦合的電感線圈拓撲在具有相等大小變壓器的均勻布線方案中提供任意的相數，并且為最小的峰值磁通量或者最優降壓控制提供優化。因此，最小的峰值磁通量(在大功率密度的變換器中)或者最優降壓控制(在低功率、高效率的變換器中)的優化的概率以及與自耦變壓器的優化組合為根據所公開實施例的DC-DC變換器提供充分的靈活性。
圖6A是示出DC-DC變換器的框圖，該DC-DC變換器包括例如一個或多個集成在處理器管芯630上的多相微型變壓器500(圖5A)。典型地，使用倒裝片技術在封裝的微處理器管芯630上實現DC-DC變換器100，其中管芯和封裝之間例如是可控塌陷芯片連接(C4凸緣(bump))。在一個實施例中，這種布置提供了降低C4凸緣電流的附加優點，其中C4凸緣電流由多種可靠性因素限定。典型地，具有集成DC-DC變換器100的處理器管芯630耦合在散熱器620和插入器640之間，同樣地，散熱片610耦合到散熱器620，以提供具有集成在管芯上的DC-DC變換器的電子系統600。
圖6B是示出具有3D層疊的DC-DC變換器管芯750的電子系統700的框圖。典型地，使用三維(3D)“通孔”組裝技術將微處理器管芯730“層疊”在獨立的DC-DC變換器芯片750的上面，以便使兩個芯片盡可能地接近。在一個實施例中，圖6B所示的布置使加工技術能夠單獨對轉換的芯片進行管芯優化，并且不會影響微處理器芯片上已經稀少的互聯資源。如圖所示，DC-DC變換器管芯層疊在處理器管芯730上，該處理器管芯730耦合到散熱器720和散熱片710。
圖7是示出使用公開技術的設計的模擬、仿真以及制造的多種表示或者形式。表示設計的數據可以以多種方式來表示該設計。首先，如在模擬中有幫助的，可以使用硬件描述語言或者另一種功能描述語言來表示硬件，這實質上提供了期望所設計的硬件如何執行的計算機化模型。硬件模型810可以存儲在諸如計算機存儲器等存儲介質800中，從而可以使用模擬軟件720來模擬該模型，該模擬軟件720對硬件模型710應用特定的測試套具以確定其是否確實起到預定的作用。在一些實施例中，沒有將模擬軟件記錄、保存或者包含在介質中。
另外，可以在設計工藝的一些階段中產生具有邏輯電路和/或晶體管門電路的電路級模型。利用專門的硬件模擬器可以對模型進行多次相似的模擬，專用的硬件模擬器使用可編程邏輯形成該模型。這種類型的模擬在一定程度上還可以是一種仿真技術。無論如何，可再配置硬件是可以包括機器可讀介質的另一實施例，該機器可讀介質存儲采用所公開技術的模型。
此外，一些階段處的大多數設計達到了表示硬件模型中的各種器件的物理布局的數據級。在使用常規半導體制造技術的情況下，表示硬件模型的數據可以是指定在用來制作集成電路的不同掩模層或者掩模上是否存在多種特征的數據。再次，這種表示集成電路的數據體現在所公開的技術中，這是因為電路邏輯和數據可以被模型或者制造以實施這些技術。
在設計的任何表示中，可以將數據存儲在任何形式的機器可讀介質中。被調制或者以其他方式產生來傳送這種信息的光波或電波860，存儲器850或者磁或光存儲器(例如盤)可以是機器可讀介質。這些介質中的任意一種都可以攜帶設計信息。因此，術語“攜帶”(例如，攜帶信息的機器可讀介質)包括存儲在存儲設備上的信息，或者編碼或調制在載波中或載波上的信息。描述該設計或者該設計細節的比特集合是(當包含在機器可讀介質中，例如載波或者存儲介質)可以是被封入或者從自身中取出，或者由他人使用以進一步設計或者制造的產品。
可選實施例應該意識的是，對于其他實施例，可以使用不同的系統結構。例如，盡管系統600/700包括單個CPU 630/730，但是對于其他實施例，多處理器系統(其中一個或多個處理器在結構和操作上類似于上述CPU 630/730)可以從各種實施例的所述多相變壓器中受益。此外，不同類型的系統或者不同類型的計算機系統，例如服務器、工作站、臺式計算機系統、游戲系統、嵌入式計算機系統、刀片式服務器等可以用于其他實施例。
已經公開了實施例和最優模式，但是在保持在下列權利要求所限定的本發明的實施例的范圍內的情況下，可以對所公開的實施例進行改進和變動。
權利要求
1.一種變壓器，包括初級電感線圈和次級電感線圈的串-并聯耦合的電感線圈拓撲，其被布置為提供作為N個輸入節點電壓的平均值的公共節點電壓，其中N是大于2的整數。
2.如權利要求1所述的變壓器，其中所述串-并聯耦合的電感線圈拓撲包括N個初級電感線圈，每個初級電感線圈耦合到N個輸入節點中的一個和公共輸出節點；以及N-1個次級電感線圈，其串聯耦合在一個輸入節點和所述公共輸出節點之間，所述N-1個次級線圈被布置為耦合來自所述初級電感線圈中的N-1個的能量，從而提供改進的降壓響應。
3.如權利要求2所述的變壓器，其中所述N-1個次級電感線圈中的每一個與所述N-1個初級電感線圈中的一個初級電感線圈并聯耦合，以耦合來自所述初級電感線圈中的N-1個的能量，從而提供作為N個輸入節點電壓的平均值的公共節點電壓。
4.如權利要求2所述的變壓器，其中所述N-1個次級電感線圈被布置為反并聯到第一初級電感線圈，使得所述N-1個次級電感線圈串聯耦合在第一節點和所述公共節點之間，以耦合來自所述初級電感線圈中的N-1個的能量，從而提供降壓的額外衰減。
5.如權利要求1所述的變壓器，其中N等于4。
6.如權利要求1所述的變壓器，其中所述串-并聯耦合的電感線圈拓撲包括N個初級電感線圈，每個初級電感線圈耦合到N個輸入節點中的一個和公共輸出節點；以及N組次級電感線圈，每組電感線圈至多包括N-1個串聯耦合在一個輸入節點和所述公共輸出節點之間的次級電感線圈，所述N組次級電感線圈被布置為耦合來自所述初級電感線圈的能量，從而提供改進的降壓響應。
7.如權利要求6所述的變壓器，其中N等于3。
8.如權利要求6所述的變壓器，其中N等于4。
9.如權利要求6所述的變壓器，還包括耦合到所述N個輸入節點中的每一個的一個N相電壓。
10.如權利要求1所述的變壓器，其中所述變壓器包括多相微型變壓器。
11.一種DC-DC變換器，包括變壓器，其包括初級電感線圈和次級電感線圈的串-并聯耦合的電感線圈拓撲，其被布置為提供作為N個輸入節點電壓的平均值的公共節點電壓，其中N是大于2的整數；N個橋，每個橋耦合到一個變壓器輸入節點；以及控制電路，其控制所述N個橋，以在變壓器公共節點處提供所述公共節點電壓。
12.如權利要求11所述的DC-DC變換器，其中所述串-并聯耦合的電感線圈拓撲包括N個初級電感線圈，每個初級電感線圈耦合到N個輸入節點中的一個和公共輸出節點；以及N-1個次級電感線圈，其串聯耦合在一個輸入節點和所述公共輸出節點之間，所述N-1個次級電感線圈被布置為耦合來自所述初級電感線圈中的N-1個的能量，從而提供改進的降壓響應。
13.如權利要求11所述的DC-DC變換器，還包括耦合到所述變壓器公共節點的電容器。
14.如權利要求11所述的DC-DC變換器，其中所述變壓器包括多相微型變壓器。
15.如權利要求11所述的DC-DC變換器，其中所述DC-DC變換器集成在處理器管芯上。
16.一種機器可讀介質，具有包含在其上的用于制造DC-DC變換器的電路設計，當制造時，該DC-DC變換器包括變壓器，其包括初級電感線圈和次級電感線圈的串-并聯耦合的電感線圈拓撲，其被布置為提供作為N個輸入節點電壓的平均值的公共節點電壓，其中N是大于2的整數；N個橋，每個橋耦合到一個變壓器輸入節點；以及控制電路，其控制所述N個橋，以在變壓器的公共節點處提供所述公共節點電壓。
17.如權利要求16所述的機器可讀介質，其中所述串-并聯耦合的電感線圈拓撲包括N個初級電感線圈，每個初級電感線圈耦合到N個輸入節點中的一個和公共輸出節點；以及N-1個次級電感線圈，其串聯耦合在一個輸入節點和所述公共輸出節點之間，所述N-1個次級電感線圈被布置為耦合來自所述初級電感線圈中的N-1個的能量，從而提供改進的降壓響應。
18.如權利要求16所述的機器可讀介質，其中所述DC-DC變換器還包括耦合到所述變壓器公共節點的電容器。
19.如權利要求16所述的機器可讀介質，其中所述變壓器包括多相微型變壓器。
20.如權利要求16所述的機器可讀介質，其中所述DC-DC變換器集成在處理器管芯上。
21.一種機器可讀介質，具有包含在其上的用于制造集成電路的電路設計，當制造時，該集成電路包括變壓器，包括N個初級電感線圈，每個初級電感線圈耦合到N個輸入節點中的一個和公共輸出節點，以及N-1個次級電感線圈，其串聯耦合在一個輸入節點和所述公共輸出節點之間，所述N-1個次級電感線圈被布置為耦合來自所述初級電感線圈中的N-1個的能量，其中N是大于2的整數；N個橋，每個橋耦合到一個變壓器輸入節點；以及控制電路，其控制所述N個橋，以在變壓器的公共節點處提供所述公共節點電壓。
22.如權利要求21所述的機器可讀介質，其中所述N個橋中的每一個包括耦合到輸入電壓的第一開關和耦合到地的第二開關。
23.如權利要求21所述的機器可讀介質，還包括耦合到所述變壓器公共節點的電容器。
24.如權利要求21所述的機器可讀介質，其中所述變壓器包括多相微型變壓器。
25.如權利要求21所述的機器可讀介質，其中所述DC-DC變換器集成在處理器管芯上。
26.一種電子系統，包括散熱片；耦合到所述散熱片的散熱器；耦合到所述散熱器的處理器管芯；DC-DC變換器，包括變壓器，其包括N個初級電感線圈，每個初級電感線圈耦合到N個輸入節點中的一個和公共輸出節點；以及N-1個次級電感線圈，其串聯耦合在一個輸入節點和所述公共輸出節點之間，所述N-1個次級電感線圈被布置為耦合來自所述初級電感線圈中的N-1個的能量，其中N是大于2的整數；N個橋，每個橋耦合到一個變壓器輸入節點，以及控制電路，其控制所述N個橋，以在變壓器的公共節點處提供所述公共節點電壓；耦合到所述處理器管芯的插入器；以及耦合到所述處理器管芯的存儲器系統。
27.如權利要求26所述的電子系統，其中所述DC-DC變換器集成在所述處理器管芯上。
28.如權利要求26所述的電子系統，其中所述DC-DC變換器包括DC-DC變換器管芯，其耦合在所述處理器管芯和所述插入器之間。
29.如權利要求26所述的電子系統，還包括耦合到所述變壓器公共節點的電容器。
30.如權利要求26所述的電子系統，其中所述變壓器包括多相微型變壓器。
全文摘要
介紹了一種用于多相變壓器(200)的方法和裝置。在一個實施例中，用于多相變壓器的耦合電感線圈拓撲包括N個初級電感線圈(210－240)。在一個實施例中，每個初級電感線圈耦合到N個輸入節點(201－1、201－2、201－3、201－4)中的一個輸入節點和公共輸出節點(250)。該變壓器還包括N－1個串聯耦合在一個輸入節點(201－1)和公共輸出節點(250)之間的次級電感線圈(222－242)。在一個實施例中，布置N－1個次級電感線圈(222－242)以耦合來自所述初級電感線圈(220－240)中的N－1個的能量，從而提供作為N個輸入節點電壓(201－1、201－2、201－3、201－4)的平均值的公共節點電壓(250)，其中N是大于2的整數。描述了其他實施例，并要求其權利。
文檔編號H02M3/158GK101031986SQ200580033427
公開日2007年9月5日 申請日期2005年9月1日 優先權日2004年9月30日
發明者格哈德·施羅姆, 彼得·哈祖哈, 唐納德·加德納, 維韋克·德, 塔納伊·卡爾尼克 申請人:英特爾公司