[發(fā)明專利]多匝電感

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080062014.6
• 申請日: 2010-12-16
• 公開（公告）號: CN102763179A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 亞歷山德·伊克拉納科夫
• 申請（專利權(quán)）人: 沃特拉半導(dǎo)體公司
• 主分類號: H01F17/06
• 分類號: H01F17/06;H01F27/28;H01F27/29;H01F27/30
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11204
• 代理人: 余朦;施蕾

背景技術(shù)

諸如DC-DC的開關(guān)變換器的開關(guān)功率變換器是已知的。與具有相應(yīng)的額定功率的線性功率變換器相比，開關(guān)功率變換器通常具有更高的效率和更小的尺寸。因此，開關(guān)功率變換器廣泛地用于需要小尺寸和高效率的應(yīng)用中，例如由電池供電的便攜式電子設(shè)備中。

許多開關(guān)功率變換器需要一個或多個電感，以便在每個變換器開關(guān)周期中暫時存儲能量。需要電感的開關(guān)功率變換器的一個示例是降壓型DC-DC變換器，其至少需要一個電感。開關(guān)功率變換器的電感通常處理大幅值且高頻的交流電。因此，由于包括繞組的電阻功率損耗（隨繞組電流平方的增加而增加）和磁芯損耗（隨開關(guān)變換器的操作頻率的增加而增加）的一些因素，所以有相當大的功率消耗于電感中。電感的功率損耗是不期望出現(xiàn)的，尤其是在電池供電的便攜式應(yīng)用中，在這種應(yīng)用中，希望節(jié)省電池功率并且使散發(fā)因功率損耗所產(chǎn)生的熱量的冷卻部件（例如散熱器和/或風扇）的使用最小化。

通常在開關(guān)變換器中使用的一種已知電感包括通過鐵氧體磁芯纏繞的單匝“訂書釘（staple）”繞組。有利地是，這種單匝電感具有較低的成本與繞組電阻。相對于其他磁芯材料（例如鐵粉），鐵氧體材料還在高操作頻率處呈現(xiàn)出低磁芯損耗。但是，該單匝電感可能不適用于需要小電感尺寸的應(yīng)用，尤其是需要大的電感值和高的效率時。該電感的電感值與磁芯的橫截面積成正比，磁芯損耗與磁芯的橫截面積成反比。因此，對于給定的磁芯材料和繞組結(jié)構(gòu)，可以增加磁芯的橫截面積，從而增加電感值和/或減少磁芯損耗。但是，但是增加磁芯的橫截面積相應(yīng)地增加了電感的物理尺寸（例如高度）。在很多應(yīng)用中（例如在空間受限的便攜式設(shè)備應(yīng)用中），大電感是不期望出現(xiàn)的或無法接受的。增加磁芯的橫截面積通常還增加了電感成本。

單匝電感通常在其磁芯中具有氣隙，并且通過減少該氣隙的厚度也可以增加電感值。但是，減少氣隙的厚度相應(yīng)地增加了磁芯的磁通量密度，這通常增加了磁芯損耗。磁芯損耗通常隨通量密度的增加而增加，例如與通量密度的平方乃至立方成比例。因此，當氣隙的厚度減少時，磁芯損耗可快速增加。此外，小的氣隙厚度使電感在較低電流處飽和，因此限制了電感的最大工作電流。

通過將匝數(shù)增加為兩個或更多個，可以克服單匝電感的某些缺陷。電感與匝數(shù)的平方成比例。此外，增加匝數(shù)可以在保持相同電感值的同時增加磁芯的氣隙厚度，因此降低了磁通量密度和相關(guān)的磁芯損耗。因此，增加匝數(shù)可以增加電感值或減少磁芯損耗，而不增加磁芯的橫截面積。但是，目前的多匝電感通常存在一些問題，例如難以制造且制造成本高和/或具有高繞組電阻。

因此人們已嘗試制造低成本的多匝電感。例如，圖1示出了一種現(xiàn)有的表面安裝的電感100的立體圖，電感100包括矩形磁芯102和通過磁芯102纏繞的兩個單匝訂書釘線圈104、106。在圖1中僅示出了磁芯102的輪廓，以使線圈104、106可見。可以通過將線圈104、106串聯(lián)地電連接在一起，將電感100設(shè)置為兩匝電感。例如，可以使用電感下面的印刷電路板（“PCB”）跡線將焊片（tab）108、110串聯(lián)地電連接在一起，以使繞組104、106串聯(lián)地電連接并且使焊片112、114為串聯(lián)線圈的每個端部提供電接口。每個繞組104、106具有例如0.52毫歐的DC電阻。通常單匝訂書釘線圈的制造成本較低，因此即便電感100可以設(shè)置為兩匝電感，電感100的制造成本也較低。但是，在典型的應(yīng)用中，電感100的這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了高的電阻功率損耗。

例如，圖2是與兩匝結(jié)構(gòu)的電感100使用的一種印刷電路板封裝200的俯視圖。封裝200包括分別與繞組104、106的焊片108、110、112、114連接的焊盤202、204、206、208。焊盤202、204經(jīng)由PCB跡線210電連接在一起。PCB跡線210通常是具有較高電阻的薄銅箔。例如，在便攜式高密度應(yīng)用的PCB跡線通常由“1盎司”的銅箔形成，其厚度約為35微米。在一種代表性的結(jié)構(gòu)中，在焊盤202和204之間的PCB跡線210具有約0.6毫歐的電阻，其大于每個繞組104、106的DC電阻。因此，雖然電感100可以設(shè)置為兩匝表面安裝電感，但是由于將繞組104、106串聯(lián)連接的所需要的PCB跡線210的高電阻，將損耗相當大的功率。

發(fā)明內(nèi)容