技术领域

本发明总体上涉及一种电子电路的供电的改进，尤其涉及到一种改进 的微处理器的供电系统(power delivery system)。

                        背景技术

和先前的微处理器以及集成电路相比，当前的微处理器以及相关的集 成电路通常要求更高的电源。与更高的电源要求一起的还有，当前的微处 理器通常需要更高的电流。例如，很多的微处理器需要大约100安培的电 流来正常运行。另外，现代的微处理器以非常高的速率进行电流切换，例 如在1微秒或更短的时间内从0安培切换到100安培。总体来说，由于现代 的微处理器高速运转，所以其通常需要比先前所需要的更高的电源。

通常情况下，微处理器在较低的电压下工作，例如3.3伏特，同时以较 高的速度持续运行。然而这些微处理器的提高的性能和速度消耗大量的电， 尽管需要低电压。当前微处理器的较低电压需求通常需要一个自带的电源 转换器，例如直流-直流转换器(converter)，以减小供应至微处理器所在的 主板的电压。通常，转换器焊接在主板上或者是通过一个连接器插在主板 上。然后，较低的电压就通过主板上的导线或者印刷电路迹线传送给需要 较低电压的元件的连接器，例如微处理器。

许多的供电系统以及电源转换器被安装到板上或模块上。所述板或模 块然后被插入主板上的连接器。由于微处理器所需要的电压很低，同时电 源消耗又很大，所以提供给模块上的电流就会特别大。因此，从电源转换 器到主板的低电感、低阻抗路径难以建立。

然而，微处理器为了运行需要一个最小电源。通常情况下，如果提供 给微处理器的电压降低到某一电压以下的话，则微处理器就将无法正常运 行。由于主板上的长迹线所引起的电阻，转换器上的电压通常要高于通过 迹线提供给微处理器的电压。另外，由于通过迹线的电流转换非常快，长 迹线通常产生高电感。这就是说，电流变化越快，变化过程中微处理器上 的电压下降得越多。长迹线中电流高速变化会产生高的电压变化。随着变 化速度的提高，微处理器上的电压下降。随着微处理器上的电压下降，微 处理器的性能下降。

已经提出了一种系统，该系统试图通过在微处理器附近设置一个转换 器来解决集成电路以及微处理器中与阻抗和电感有关的问题。微处理器通 常包括一个与位于转换器上的连接器对接的插座接头。转换器通过另外一 个给转换器提供电源的连接器连接到主板上。于是，转换器能转换电源， 并且通过转换器连接器将转换后的电源提供给微处理器。微处理器通过插 座接头接受转换后的电源。

然而，与转换器和特殊的接口元件一起，还需要一个适合的主板连接 器，该接口元件包括至少一个转换器连接器和一个微处理器插座接头。该 系统通常会因为所用的这些附加部件而比其它系统昂贵。此外，当这些元 件需要维护或修理时，此系统就会出现问题。由于使用了额外的专门的部 件和元件，所以当这些专门部件中的一个出现问题的时候，其他的替换元 件也无法替换。还有，不同元件的出现将会减小系统的可靠性。每一个附 加元件和部件都容易出现问题。通常，如果一个元件或部件出现问题的时 候，整个系统都将无法工作。这样一来，更多元件和部件的出现提高了系 统出现问题的风险。

                      发明内容

本发明需要解决的一个问题就是如何提供一种比现有系统更加便宜并 且更为可靠的用于电子电路的供电系统。

本发明是一种从电源向安装在主板上的集成电路供电的装置。该装置 包括一个带有第一侧和第二侧的主板。一个带有电源触头的集成电路(IC) 被安装到主板的第一侧。转换器被安装到主板的第二侧上。转换器从一个 电源以第一直流电压接收电源，并且将第一直流电压转换成为第二直流电 压。转换器还包括与IC电源插脚相互连接以向IC提供第二直流电压的转 换器插脚。

                       附图说明

本发明将参照附图借助实施例进行说明，其中：

图1显示了一个根据本发明的优选实施例形成的电源模块系统的分解 顶视图；

图2显示了一个根据本发明的优选实施例形成的转换器的顶视图；

图3显示了一个根据本发明优选实施例形成的转换器的分解顶视图；

图4显示了一个根据本发明优选实施例形成的转换器的分解底视图；

图5显示了一个根据本发明优选实施例形成的垫板的顶视图；以及

图6显示了一个根据本发明优选实施例形成的垫板的底视图。

                    具体实施方式

图1显示了一个根据本发明优选实施例形成的电源模块系统100的分 解顶视图。电源模块系统100包括一个转换器110、一个主板130、以及一 个包括散热片螺丝152和位于散热片150周边的紧固开口154的散热片150。 转换器110支撑主板130，而主板130依次支撑散热片150。

图2显示了一个根据本发明的优选实施例形成的转换器110的顶视图。 转换器110包括一个带有向上伸出的散热片安装支架114的转换器顶面 112。支架114被设置以对准穿过主板130的开口148和散热片150上的开 口154。装配的时候，支架114螺纹啮合散射片螺丝152，使得散热片150 与转换器110之间紧密连接。转换器110还包括一个压力介面(compressive interface)116、一个电源连接罩122，以及侧通风孔128。压力介面116位于 转换器110的预面112上，并且紧贴顶面112中，以使得转换器110能够压 靠或非常紧密地邻接主板130的一侧。或者，压力介面116可以反向下沉以 紧贴顶面112。可选地，压力介面116也可以被置于安装支架114的中部， 以便确保均匀的力施加到压力介面116上。压力介面116包括选择性地行列 对齐的转换器触头118。转换器触头118可以包括输入电源插脚、输出电源 插脚以及控制输入/输出线。下文将参照附图3和4对转换器110进一步说 明。

参照图1，主板130包括一个主板第二侧132、一个主板第一侧136以 及一个与安装支架114对齐设置的安装螺栓开口148。主板第一侧136包括 一个用来固定IC 140的集成电路(IC)插座138。IC插座138带有可包括输入 以及输出插脚的电源触电，这些插脚从插座138向下伸出以通过位于主板 上的通孔连接到主板130上。或者是，主板130可以带有通孔，该通孔允许 插座138的输入和输出插脚伸出主板130的相对侧(第二侧132)。IC 140通 过IC插座138被固定到主板上。IC 140包含有微处理器(未示出)，所述微 处理器可以通过无引线栅阵列(LGA)、针栅阵列(PGA)、焊球阵列(BGA)等 方式连接到IC 140的电路板上。

IC 140通过IC插座138被连接到主板130上。优选的是，IC插座138 是一可压缩的塑料片，其中有在IC 140和主板130之间提供电流通道的柱 状导体材料，例如Tyco Electronic有限公司的MPI接口。或者是，IC插座 138可以是另外一种导电的可压缩材料。位于主板130上的通孔将主板第一 侧136电连接到主板第二侧132上。当IC 140被连接到主板130上时，例 如电镀通孔的通孔，延伸穿过主板第一侧136，并且连接到主板第二侧132 的焊点上。主板第二侧132上的焊点被设置成为与转换器110上的压力介面 116对齐。

或者是，一旦IC 140通过IC插座138连接到主板130，则IC 140的电 源接头可被转换器110的压力介面116所安放。当IC 140被连接到主板130 上，IC 140的电源接头就延伸穿过主板第一侧136并且从主板第二侧132 上伸出。由于电源接头伸出主板第二侧132，所以电源接头能被转换器110 的压力介面116安放。

主板130被固定在转换器110的顶部。主板130上的安装螺栓开口148 允许主板第二侧132将压力介面116压靠在转换器顶面112上。当主板第二 侧132接触压力界面116，且将压力介面116压靠在转换器顶面112上时， 该挤压将主板第二侧132电连接到转换器顶面112上。压力介面116的转换 器插脚118对准主板第二侧132上的焊点和转换器顶面112上的焊点。或者 是，压力介面116的转换器插脚118可以形成为对准并且安放位于IC 140 上的供电触点。优选的是，压力介面116是一可压缩的塑料，其中有在转 换器110和主板之间提供电流通道的柱状导体材料。或者是，压力介面116 可以是另外一种压力类型介面，例如短-V插脚或者micro-springTM插脚。

一旦主板130被连接到转换器110上，散热片150就被放置在IC 140 的顶部。散热片150的紧固开口154允许散热片150沿着散热片安装支架 114下滑，并直接与IC 140接触。当散热片150被放置到IC 140上之后， 散热片150通过散热片螺丝152被安装。散热片螺丝152被散热片安装支架 114所安放，该支架114通过安装螺栓开口148而穿过主板130向散热片150 延伸，并且通过紧固开口154穿入到散热片中。当散热片150被固定在IC 140 上后，散热片螺丝152被定位在紧固开口154上并在散热片安装支架114 上，该IC 140依次位于电源转换器110上。散热片螺丝152将散热片150 螺纹固定到IC 140上。由于散热片安装支架114设置在转换器表面112上， 所以将散热片150固定到散热片安装支架114上，这将散热片150和转换器 110挤压在一起，同时将IC 140以及IC插座138压在了一起。主板130被 压在散热片150以及转换器110之间。这就是说，主板第二侧132被压到散 热片150中，同时主板第一侧136被压入到转换器的顶侧112中。

在运行时，转换器110以第一直流电压接受来自电源(未示出)的电 能。转换器110通过压力介面116接收第一直流电压。转换器110将第一直 流电压转换成通过压力介面116提供给IC 140的第二直流电压。这就是说， 压力介面116上的转换器插脚118将第二直流电压提供给IC 140上的相邻 电源触头142。散热片150接受由IC 140产生的多余热量。

转换器110相对于IC 140的位置提供了介于转换器110和IC 140之间 较短的电流通路。介于转换器110和IC 140之间的较短的电流通路为位于 IC 140上的微处理器提供了较低电感以及低阻抗的高电流。

图3显示了一个根据本发明优选实施例形成的转换器110的分解顶视 图。该转换器110包括一个带有盖孔304的盖122、一个主印刷电路板310、 一个垫板330、一个电容器印刷电路板340以及压力介面116。图3显示了 主印刷电路板第一侧314、垫板第一侧336、转换器顶面112，以及压力介 面第一侧364。图4显示了一个根据本发明优选实施例的转换器110的分解 底视图。图4显示了主印刷电路板310第二侧312、垫板330的第二侧332、 电容器印刷电路板340的第二侧342以及压力介面116的第二侧360。

主印刷电路板310包括一个第二侧312、第一侧314以及允许盖螺丝 302穿过的孔324。第一侧314包括固定在其上的半导体316、降压变压器 318、电容器320以及互连插座322。

图5以及图6更加详细地显示了垫板330的情况。垫板330包括一个 第一侧336以及一个第二侧332。垫板330的第二侧332包括盖安装支架334。 垫板330的第一侧336包括散热器安装支架114。

电容器印刷电路板340包括一个第二侧342、转换器顶面112以及允许 盖螺丝302穿过的孔354。电容器印刷电路板340的第二侧342包括互连件 344以及从那里伸出的电容器组346。转换器顶面112包括迹线352。压力 介面116包括一个第二侧360、一个带有转换器触头118的第一侧364、以 及允许散热片安装支架114穿过的缺口。

盖122支撑主印刷电路板310。垫板330被置于主印刷电路板310以及 电容器印刷电路板340之间。垫板330确保了转换器110被稳定的固定在一 起。

垫板330上的盖安装支架334通过孔324延伸穿过主印刷电路板310 到达盖122上。盖安装支架334对准盖孔304。盖安装支架334安放通过盖 孔304啮合盖安装支架334的盖螺丝302。盖螺丝302确保了垫板330固定 到盖122上。由于主印刷电路板310设置在垫板330和盖122之间，所以当 垫板330上的盖安装支架334通过盖螺丝302牢固地固定到盖122上的时候， 主印刷电路板310被固定在盖122内。

垫板330的散热片安装支架114通过孔354穿过电容器印刷电路板340。 散热片安装支架114穿过孔354并向上延伸穿过压力介面116的缺口366。 压力介面116上的缺口366被设置，使得压力介面116与每一个散热片安装 支架114都相邻，并且被稳固地装配在由散热片安装支架114所围成的区域 内。由于电容器印刷电路板340位于垫板330与压力介面116之间，所以当 压力介面116通过缺口366被散热片安装支架114固定时，电容器电路板 340就被可靠地固定到垫板330与压力介面116之间。

电容器印刷电路板340通过安放电容器印刷电路板340的互连件344 的互连插座322被电连接到主印刷电路板310上。互连件344依次电连接到 位于转换器顶面112上的迹线352上。当压力介面116以及转换器顶面112 被压到一起时，压力介面116的转换器触头118接触迹线352，从而在压力 介面116与转换器110之间形成电通路。

为了牢固地将转换器110固定在一起，垫板330还提供转换器110以 支撑。转换器110内不同部件之间的压力在转换器110内引发了压力和张 力。此外，在转换器110顶部的主板130的以及主板130顶部上的散热片 150的设置在转换器110上引发了更大的压力和张力。垫板330为转换器110 提供了物理支撑，从而阻止了转换器110在由不同部件的挤压而引起的压 力与张力下产生松动与弯曲。

半导体316、降压变压器318、电容器320以及互连插座322被固定到 主印刷电路板310的第一侧314上，优选的是通过焊接连接。另外，电容器 组346和互连件344优选地焊接到电容器印刷电路340的第二侧342上。电 容器印刷电路340上的电容器组346位于转换器顶面112下方的电容器印刷 电路板340的第二侧342上。电容器组346电连接到迹线152上，当压力介 面116与电源转换器110压到一起时，该电容器组也依次电连接到转换器触 头118上。

当主板130靠近转换器110定位，并压靠在其上时，电容器组346紧 邻IC 140。另外，电容器组346可以被设置到电容器印刷电路板340的边缘， 而不直接位于IC 140的微处理器下方。作为选择，可以将电容器组346直 接放置在IC 140的正下方。也就是说，垫板330的中央部分可被割去以提 供电容器组346从电容器印刷电路板340的第二侧360向下伸出的空间。

在运行中，转换器110以第一直流电压接受来自电源(未显示)的电能。 转换器110通过压力介面116接收第一直流电压。第一直流电压穿过压力介 面116的转换器插脚118以及位于转换器顶面112上的迹线352。互连件344 于是接收来自迹线352的第一直流电压。然后，位于主印刷电路板第一侧 314上的互连插座322接收第一直流电压。降压变压器318于是通过位于主 印刷电路板第一侧314上的迹线(未显示)接收第一直流电压。降压变压 器318然后将第一直流电压转化成为第二直流电压。半导体316控制逻辑与 电源输入和输出操作。互连插座322于是通过主印刷电路板第一侧314上的 迹线接收第二直流电压。互连件344于是从互连插座322接收第二直流电压 并将第二直流电压传送给迹线352。迹线352随后将第二直流电压传送给转 换器触头118。

当电流被转变的时候，转换器110并不能够快到足以为IC 140微处理 器提供高的电流。高速地(例如1ms或更快)从低电流向高电流转化(例 如0A至100A或更高)会阻碍转换器为IC 140微处理器提供较恒定的电压。 电容器组346中的电容器的使用就是为了保持IC 140的一个相对恒定的电 压。电容器组346储存从主印刷电路板310获得的电能。来自主印刷电路板 310的电能从互连插座322输送到互连件344上。然后迹线352接收来自互 连件344的电源，然后将其分配给电容器组346的电容器。

在电流变换的时候，电容器组346中的电容器为IC 140的微处理器提 供附加的能量。在电流被从0变化到100安培的瞬间，存储在电容器组346 中的能量立刻提供给IC 140中的微处理器所需的额外电能。优选的是，转 换器110在1/2伏特与2伏特之间的电压下向电容器组346提供电能。在快 速电流瞬变过程中，电容器组346中的电容器为IC 140的微处理器提供电 能以保持微处理器上的电压，直到转换器110能够反应过来给电容器组346 充电并向IC 140提供一个相对恒定的电压。

电容器组346通过迹线352将电源传递给压力介面116上的转换器触 头118。主板130上的焊点以及通孔连接位于IC插座138上的电源触点， 该电源触点依次连接到IC 140上。还可以这样，IC 140上的电源触头142 接收到来自被压靠在电源触头142上的转换器触头118的电能。在电容器组 346的电容器与IC 140之间的能量传递维持了IC 140以及在IC 140内部的 微处理器的一个相对恒定的电压供给。在快速电流切换过程中，到IC 140 的输出电压变化不超过5％。从而，电容器组346阻止了从电源向IC 140 的输入电压的过度变化。

电感以及阻抗部分地由于转换器110被置于IC 140的下方而减至最小。 由于转换器110以及IC 140的微处理器通过短迹线连接，所以由于长迹线 而产生的与电感和阻抗相关的问题就被大大减少。转换器110和电容器组 346都非常靠近IC 140，这就允许以低电感和低阻抗进行高电流转换。IC 140 以及IC 140内部的微处理器非常靠近转换器110以及电容器组346的电容 器，这缩短了IC 140、转换器110以及电容器组346间的迹线的长度。较短 的迹线产生较低的电感和阻抗。

另外，将电容器组346设置在IC 140的下方为IC 140提供了更好的气 流。因为电容器组346设置在IC 140的下方，电容器组346不会阻挡流向 微处理器以及IC 140的其他元件的气流。这样一来，通过将电容器设置在 IC 140的下方，微处理器周围的空间是开放的，进而更多的气流在IC 140 的周围流动，从而冷却IC 140。因此，由于IC 140通过气流有效地冷却， 一个更小、更轻、更加便宜的散热片150就可以用来对IC 140进行冷却。

作为可以选择的方案，电容器组346还可以被放置到其他不同的地方。 例如，电容器组346可以被设置在主板130的第一侧136或第二侧132的外 部边缘上。

另外，转换器110的侧部通风口128为转换器110内部提供了气流。 因为侧部通风口128设置在转换器110的周围，所以将与IC 140周围的气 流所不同的气流供给至转换器110。这就是说，当电能提供给IC 140的时候， IC 140加热了周围的空气并会带来额外的热问题。设置在转换器110侧面的 侧部通风口128提供了两种不同的热处理气流：一个气流给转换器110；另 外一个气流给IC 140。这样一来，转换器110就不会被已经被IC 140加热 过的空气所冷却了。