一種用於電源塊的方法

2023-06-18 11:05:51

專利名稱：一種用於電源塊的方法
技術領域：
本發明涉及電源塊，更具體地說，涉及一種具有共同的封裝佔用尺寸(footprint)的集成電源塊族。
技術背景.傳統的網絡負載點(POL)解決方案一般包括有外部場效應管(FET)。 外部場效應管的尺寸一般基於電路和板級設計者提出的最差狀況的功率預算。 按照慣例，功率預算由最壞狀況模式中的設計過程生成以確保最終設計負載所 需的實際功率不超過初始設計的FET的容量。如果最終設計負載的檢測顯示功率需求超過初始設計的FET容量，那麼 由於尺寸上的改變，將導致一連串的設計改變，從而改變FET的容量。在FET 與控制器一起集成在電源塊中時，改變的傳播將更加明顯。在這種情況下，由 於FET尺寸的增加，需要改變整個電源塊的封裝佔用尺寸。電源塊的封裝佔 用尺寸的改變使得電路板設計需要巨大的改變以適應新的設計。通常，電路板 設計晚期修正關聯的風險會導致設計過程中功率預算的保守估計。採用保守功率估計的負面效果是電源塊設計大大超過最終設計的負載的 功率需求。由於FET尺寸的縮小也使得需要改變晚期設計，設計者被迫將採 用超過需求的FET。這導致最後產品相關的成本增加，最終導致產品在市場上 競爭力的下降。因此需要一種在設計過程中提供靈活性的電源模塊設計。發明內容本發明要解決的技術問題在於，提供用於一種具有單一封裝佔用尺寸的集 成電源塊家族的系統和/或方法，結合至少一幅附圖進行了充分的展現和描述， 並在權利要求中得到了更完整的闡述。4
根據本發明的一個方面， 一種用於電源塊的方法包括為一類電源塊定義 單一封裝佔用尺寸，所述單一封裝佔用尺寸由分配到所述一類電源塊的所有電 源塊共有；將第一電源塊分配到所述一類電源塊，所述第一電源塊具有集成的第一功 率電晶體，以第一級傳送功率；將第二電源塊分配到所述一類電源塊，所述第二電源塊具有集成的第二功 率電晶體，以第二級傳送功率，所述第二功率電晶體具有與所述第一功率晶體 管不同的尺寸；其中，針對設計用於具有所述定義的封裝佔用尺寸的電源塊的電路板布 設，所述第一電源塊和所述第二電源塊是可互換的。優選地，所述定義的步驟包括為相應的多類電源塊定義多個器件封裝佔用尺寸。根據本發明的一個方面， 一種用於電源塊的方法包括確定用於電源塊的 功率電晶體的尺寸，所述確定的尺寸取決於所述功率電晶體設計的功率傳輸 級；將所述功率電晶體合併在所述電源塊中，其中所述電源模塊具有基於封裝 佔用尺寸規範的封裝佔用尺寸，所述封裝佔用尺寸規範由具有不同功率電晶體 尺寸的多個電源塊共用。優選地，所述確定的步驟包括確定場效應電晶體的尺寸。 優選地，所述合併的步驟包括將所述功率電晶體和所述控制器一起合併在 單個晶片上。優選地，所述合併的步驟包括將所述功率電晶體合併在多晶片模塊的一個 晶片上，所述多晶片模塊包括具有控制器的第二晶片。優選地，所述確定的步驟包括確定多個功率電晶體的尺寸，所述合併包括 將所述多個功率電晶體合併在所述電源塊內。根據本發明的一個方面， 一種用於電源塊的方法包括定義電源塊的封裝 佔用尺寸，所述電源塊包括控制器和功率電晶體，在電路板布設上，所述定義 的封裝佔用尺寸支持合起來能夠滿足所述電源塊的功率需求範圍的多個電源 塊中的一個電源塊的插入；確定由所述電源塊供電的一個或多個負載的功率需求，其中所述確定在定義了所述封裝佔用尺寸之後發生；以及根據所確定的功率需求，選擇所述多個電源塊中的一個。優選地，所述定義的步驟包括定義負載點電源塊的封裝佔用尺寸。優選地，所述定義的步驟包括定義用於乙太網供電應用中的加電設備的電源塊的封裝佔用尺寸。優選地，所述定義的步驟包括定義用於乙太網供電應用中的電源設備的電源塊的封裝佔用尺寸。優選地，所述電源塊是多晶片模塊，其功率電晶體和控制器位於不同的晶片上。


為了描述本發明上述方式和其它獲得的優點和特徵，將結合具體實施例和 附圖對上述簡要說明做詳細的描述。需要了解的是，這些附圖僅僅描述了本發 明的典型實施例，在此並不能看作是本發明的範圍的限制，將結合以下的附圖 對本發明作出更加具體詳細的解釋和說明圖l示出了電源塊的實施例；圖2示出了具有單個晶片的電源塊實例；圖3A-3C示出了電源塊家族的實例；圖4示出了定義電源塊家族的過程的流程圖；圖5示出了平衡電源塊家族的設計過程的流程圖；圖6示出了乙太網供電應用實例。
具體實施方式
以下詳細介紹了本發明的各種實施例。應當理解，雖然以上所討論的是特 定的配置和設置，但這僅是為舉例說明的目的。本領域的技術人員知悉，也可 使用其它的配置和設置，而不脫離本發明的精神和範圍。
已知，電源塊技術正朝著集成FET設計發展。圖l示出了集成電晶體設 計的一個實例。如圖所示，POL電源塊100包括二相設計的集成FET。具體 地，脈寬調製(PWM)控制器110設計用於控制FET112，進而驅動負載114。 脈寬調製(PWM)控制器120用於控制FET122，進而驅動負載124。應了解 的是，負載114和124可代表各種類型的幹線被斷電的系統/子系統。例如， 負載114和124可為通信系統組件，如線卡、母板等。在圖1的例子中，電源塊100設計用於驅動兩個負載。應了解，電源塊 100可設計為分配功率到任意數量的負載，其中每個負載設計為在如0.6V、 0.9V、 l.OV、 I.IV、 1.2V、 1.25V、 1.5V、 1.8V、 2.5V、 3.3V、 5.0V等特定電 壓下運行。通過以下的描述將明顯可知，本發明的原理並不是依賴於某些電源塊的設 計選擇。例如，電源塊100可設計為轉換AC或DC輸入功率到AC或DC輸出功率 中的一個。更進一步地，電源塊100可設計為包括有不同於PWM控制器的控制 器。例如，電源塊100也可設計為使用共振模式控制器、滯環控制器、模糊邏 輯控制器或類似物。已知，傳統系統設計過程一般估計特定負載的最差狀況的功率需求。該最 差狀況的功率需求估計然後用於驅動電源塊中FET的尺寸大小調整。特定負載的實際功率需求只有在系統載入和構建之後才檢測。一般地，負載所消耗的實際功率遠遠小於初始保守功率估計。這是由於存 在對於最終設計的負載電源塊改小了的可能。如果初始功率估計被證明是過小 的，那麼系統設計者需要加強FET的容量(即尺寸)，從而導致設計上的全部 重新布置。相反地，如果初始功率估計證明是過高的，那麼系統設計者能選擇 降低FET的容量，這也將導致設計的完全重新布置。應了解的是，在任何情況 中，生成負載的初始功率估計所存在的固有難點導致在產品研製周期中布設設 計變化推遲。本發明試圖為系統設計者提供在設計過程中適應功率需求的持續變化的 靈活性。當然本發明的一個技術特徵是系統設計者能選擇具有與一系列功率級 別相容的封裝佔用尺寸的單個電源塊用於系統設計。在這個過程中，選擇用於
電源塊的特定功率級別可在設計過程中推遲指定，其中對功率需求的調整將不 會導致整個電源塊尺寸的改變。為了說明本發明的這個特徵，參照圖2所示的示例電源塊。在這個示例中， 電源塊200包括集成FETs214和控制器212的單晶片210。接著單晶片210與插腳 1-44連接以形成電源塊200。在這一點上，需要注意的是，電源塊也能設計為 多晶片模塊，其中包括多個晶片。該多晶片模塊設計也可實現本發明在此公開的益處。如圖示，電源塊200的插腳l-44定義了封裝佔用尺寸，己由系統設計者在 合併有電源塊的電路板布設中使用。在傳統設計過程中，該封裝佔用尺寸一般 與電源塊的功率容量成比例。 一旦產生了保守功率估計，接著將設計電源塊以 符合所需的功率規格。然後根據電源塊內結合使用的晶片來調整電源塊設計的 封裝佔用尺寸大小。接著該封裝佔用尺寸將用於電路板布設設計。由於封裝佔 用尺寸一般都相對於其內包含的晶片進行了最小化，晶片尺寸上的變化一般都 會迫使封裝佔用尺寸需要改變。如上所述，封裝佔用尺寸的這一改變會產生電 路板布設中關聯的一系列變化。根據本發明，電源塊的封裝佔用尺寸是並非僅僅基於內部包含的晶片的尺 寸這一考慮來確定的。其它的一些考慮事項集中在設計過程中的生產靈活性， 消除對保守功率估計的沉重依賴。為了說明本發明的這個特徵，參照圖3A-3C所示的電源塊家族。在此圖中， 電源塊200在圖3B中作為電源塊320出現。圖3A和3C分別示出了電源塊310和 330。如圖示，各個電源塊310、 320和330容置有單晶片，其中各個晶片具有不 同的尺寸。不同的晶片尺寸與電源塊310、 320和330不同的功率容量對應。雖 然具有這些不同的功率容量，各個電源塊310、 320、 330的封裝佔用尺寸是相 同的。這樣的話，電源塊310、 320、 330表示針對特定封裝佔用尺寸提供多種 功率容量的電源塊家族。應了解，針對特定封裝佔用尺寸的功率容量的範圍可 進行定義以包括任何數量的電源塊。圖4顯示了定義具有單一封裝佔用尺寸的電源塊家族的流程圖。如圖示， 這個過程始於步驟402，電源塊供應方確定將由一個電源塊家族提供的多種功
率輸出的範圍。該功率輸出範圍可由多種方式進行定義。例如，該功率輸出範 圍可取決於用於特定應用的預定的功率級別、事實標準或電源塊供應者的各種 考慮如體積、製造效率、消費者記錄、預期需求等。一旦確定了功率輸出範圍，在步驟404中，選擇單個封裝佔用尺寸以適用 於跨越該功率輸出範圍的各個電源塊。圖3A-3C示出選擇用於電源塊家族310、 320和330的單一封裝佔用尺寸的示例。 一種設計方案中，可選擇單一封裝佔用 尺寸為能適用於提供功率輸出範圍中最高功率輸出所需的最大FET尺寸的最 小尺寸。然而，這不是必需的。通常，該單一封裝佔用尺寸可選擇為適用於該 級別中各種FET尺寸的任何封裝佔用尺寸。在圖4的流程圖中，功率輸出範圍的定義先於該單一封裝佔用尺寸。需要 注意的示，在另一可選實施例中，可首先定義該單一封裝佔用尺寸，然後根據 所選的單一封裝佔用尺寸定義功率輸出的範圍。不管步驟402和404的次序如何，提供一個電源塊家族的關鍵是在步驟406 中定義為該電源塊家族定義多個離散FET尺寸。在一個實施例中，這些離散的 FET尺寸是以遞增量(incremental steps)預先定義的，以覆蓋功率輸出的整個 範圍。這個實施例將實現用戶選擇將滿足最後確定的功率需求的具有下一最大 尺寸的FET。假設該遞增量具有合理的間隔尺寸，用戶將能夠較為接近地匹配 FET尺寸和最後確定的功率需求。需要注意的是，在一個實施例中，遞增的FET尺寸不需要提前預設。用戶 可從適合單一封裝佔用尺寸的一系列連續FET尺寸中指定特定的FET尺寸。最後，在步驟408中，該離散FET尺寸結合使用在具有同樣的封裝佔用尺 寸的電源塊內。無論是採用預先定義的遞增FET尺寸還是生成用戶指定尺寸， 多個FET尺寸都匹配具有同樣封裝佔用尺寸的電源塊。這樣的電源塊家族的制 造是在設計過程中實現所需的靈活性的一個重要方面。描述了具備上述單一封裝的電源塊家族的定義之後，該電源塊家族在設計 過程中的實用性結合圖5給出。如圖示，設計過程始於步驟502，在此確定了起 始功率估計值。該起始功率估計可採用傳統系統設計方法確定。根據本發明， 該起始功率估計不需要由過度保守的方式確定。這是由於如下所述的設計過程
中的已知靈活性。一旦生成初始功率估計值後，在步驟504中，便可確定電源塊家族共有的、 滿足初時功率估計值(包括預期的各種變化)的封裝佔用尺寸。在一個實施例 中，該封裝佔用尺寸可根據電源塊供應方提供的滿足功率輸出範圍的數據表來 確定。該單一封裝佔用尺寸接著可用於邏輯主板的布線。下一步，在步驟506中，確定系統中負載的實際功率需求。如上所知，該 實際功率需求直到設計和測試了實際電路後才能知曉。這發生在設計過程的晚 期。一旦從某種程度上確信己知了實際功率需求，在步驟508中，選擇具有所 確定的封裝佔用尺寸的電源塊家族中的一個電源塊。在一個實施例中，可從多 個預設電源塊中選擇出一個電源塊。所選的電源塊和實際功率需求之間的匹配 的選擇取決於多個預定的電源塊之間差值的間隔量。在另一可選實施例中，可 根據實際功率需求確定電源塊。在此，可確定該電源塊以接近匹配實際功率需 求。通常，這兩個途徑的區別只在於為用戶提供電源塊的時間。最後在步驟510中，所選的電源塊合併入系統設計中原始確定的電源塊的 封裝佔用尺寸內。很明顯，在設計過程中初始確定的封裝佔用尺寸並不改變。 更確切地，該封裝佔用尺寸是根據其將覆蓋的實際功率需求和初始功率估計之 間的期望差異來初始選擇的。因此，這一靈活性確保了由於錯誤功耗估計而導 致的布線重設計的最小化。特別是，系統設計者現在具有增大或減小FET容量 的能力，而不需考慮重新布線設計的成本。雖然前文中以POL電源塊論述了本發明，本發明的原理並不限於此範圍。 本發明的原理可用於將從具有共同封裝佔用尺寸的電源塊家族所產生的設計 靈活性中獲益的眾多其它電源塊。一個實例應用是乙太網供電(power over Ethernet,縮寫為PoE)應用。在 PoE應用中，電能通過乙太網電纜傳輸，為如國際網際網路電話和無線網關等遠 端設備供電。因此不需要單獨的電源線。圖6示出了從本發明原理獲益的PoE應用的高層示意圖。在圖示中，電源設 備(PSE) 610發送功率到加電設備(PD) 620。通常，電源設備610可發送高達15.4W的功率到多個加電設備(為了簡化，圖6中僅顯示一個加電設備)。從 電源設備610發送功率到加電設備620的細節由IEEE 802.3a訝示準規定。如圖6進一步所示，加電設備620包括802.3af漠塊622。這個模塊包括可實 現加電設備620與電源設備610根據802.3aff示準通信的電子器件。加電設備620 還包括電源塊624，其進一步包括PWM控制器626和功率PET628。如上所述， PWM控制器626和功率FET628可合併在單個晶片上或位於作為多晶片模塊的 一部分的不同晶片上。在IEEE 802.3aft示準中，不同類的加電設備根據加電設備處將傳送的功率 級別來定義。 一旦分類了加電設備，然後電源設備根據所確定的分類確定發送 哪個功率級別到該加電設備。在802.3a討示準中，電源設備設計為發送4.0W、 7.0W或15.4的最小輸出功率到分類的加電設備。上述的PoE應用示出了根據其功率分級來定義不同的加電設備家族的示 例。在一個實施例中，每個功率分級可用於定義其自己的電源塊家族。例如， 4.0W的功率分級將具有第一電源塊家族，而7.0W的功率分級具有第二電源塊 家族。採用這種安排，加電設備設計者們可接著設計適應於電源塊的布線，該 電源塊具有用於預期設備類別的封裝佔用尺寸。直到精確的電源需求已知時才 需要確定選擇精確的電源塊。無論從該家族中選擇哪個電源塊，都將僅僅設置 在為該家族所定義的封裝佔用尺寸內。應了解，所述電源塊家族不是必需根據標準化的功率分級定義的。在其它 實施例中，可定義該電源塊家族覆蓋一個或多個功率分級的全部或部分。在與圖6的加電設備實施例相似的構成中，本發明的原理也能用於電源設 備中的模塊。在一個實施例中，電源設備可包括電源塊，其包含有802.3af電路 和FET。此時，可有多個版本的PSE電源塊與FET—起集成在封裝內。具體地， 802.3a徵分可固定，但是內部的FET針對不同的功率級進行調整。例如，可設 計FET用於8W (低功率)、15.4W (標準功率)、25W (增強功率)或30W (未 來標準功率)。應了解，這些集成電源塊可用於單個或多個電源設備。本發明原理的另一個應用例子是用於繼電器開關領域，如汽車工業中。在 這種應用中，功率控制器用於提供發送功率到汽車子系統(如燈)的FET的開
關功能。此時，可定義出具有共同封裝佔用尺寸或其它封裝特徵的繼電器家族。根據特定的子系統所需的功率(如5-50安培)，系統設計者可從繼電器家族中 選擇特定的繼電器。此外，這一選擇可推遲到實際功率需求為己知時，其最後 一分鐘的改變不會導致系統重新設計。通過回顧以上的詳細描述，本發明的各個方面對於本領域的普通技術人員 來說是顯而易見的。這些實施例的描述僅出於舉例說明的目的，不是對本發明 的限制。其它各種實施例也是可以實現的，並涵蓋在本發明的範圍內。基於本 申請中介紹的內容，對於本領域的普通技術人員來說，其它各種實施例的實現 是顯而易見的。因此，本發明的範圍不受上述任何具體實施例所限制。需要理 解的是，在此採用的措辭和術語也是為了解釋說明而不應認為是限定。
權利要求
1、一種用於電源塊的方法，其特徵在於，所述方法包括為一類電源塊定義單一封裝佔用尺寸，所述單一封裝佔用尺寸由分配到所述一類電源塊的所有電源塊共有；將第一電源塊分配到所述一類電源塊，所述第一電源塊具有集成的第一功率電晶體，以第一級傳送功率；將第二電源塊分配到所述一類電源塊，所述第二電源塊具有集成的第二功率電晶體，以第二級傳送功率，所述第二功率電晶體具有與所述第一功率電晶體不同的尺寸；其中，針對設計用於具有所述定義的封裝佔用尺寸的電源塊的電路板布設，所述第一電源塊和所述第二電源塊是可互換的。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述定義的步驟包括為相 應的多類電源塊定義多個器件封裝佔用尺寸。
3、 一種用於電源塊的方法，其特徵在於，所述方法包括 確定用於電源塊的功率電晶體的尺寸，所述確定的尺寸取決於所述功率電晶體設計的功率傳輸級；將所述功率電晶體合併在所述電源塊中，其中所述電源模塊具有基於封裝 佔用尺寸規範的封裝佔用尺寸，所述封裝佔用尺寸規範由具有不同功率電晶體 尺寸的多個電源塊共用。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述確定的步驟包括確定場效應電晶體的尺寸。
5、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述合併的步驟包括將所述功率電晶體和所述控制器一起合併在單個晶片上。
6、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述合併的步驟包括將所 述功率電晶體合併在多晶片模塊的一個晶片上，所述多晶片模塊包括具有控制器的第二晶片。
7、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述確定的步驟包括確定多個功率電晶體的尺寸，所述合併包括將所述多個功率電晶體合併在所述電源塊內。
8、 一種用於電源塊的方法，其特徵在於，所述方法包括 定義電源塊的封裝佔用尺寸，所述電源塊包括控制器和功率電晶體，在電路板布設上，所述定義的封裝佔用尺寸支持合起來能夠滿足所述電源塊的功率 需求範圍的多個電源塊中的 一個電源塊的插入；確定由所述電源塊供電的一個或多個負載的功率需求，其中所述確定在定 義了所述封裝佔用尺寸之後發生；以及根據所確定的功率需求，選擇所述多個電源塊中的一個。
9、 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述定義的步驟包括定義 負載點電源塊的封裝佔用尺寸。
10、 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述定義的步驟包括定義 用於乙太網供電應用中的加電設備的電源塊的封裝佔用尺寸。
全文摘要
本發明涉及一種用於電源塊的方法。本發明的方法和系統用於形成具有共同封裝佔用尺寸的電源塊家族，允許用戶靈活地選擇電源塊尺寸而不會導致系統設計的重新布設成本。在一個實施例中，所述電源塊由點載荷功率控制器控制。
文檔編號H01L25/00GK101165892SQ200710181388
公開日2008年4月23日 申請日期2007年10月16日 優先權日2006年10月17日
發明者夏默恩·埃爾卡亞穆, 韋爾·威廉·戴博 申請人:美國博通公司