CN101834060A - 一种高频高品质因数叠层电感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频高品质因数叠层电感器，其特征在于：其线圈的线宽度、线厚度、线圈包围图形的宽度的乘积，与相应瓷体宽度的立方的比值为2.5×10^-3～5.5×10^-3。其线圈电极的间距为0.05mm～0.15mm。本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明的叠层电感器是高频高品质因数的叠层片式电感器，在整个应用频段上，其Q值都大幅高于普通叠层片式电感器。由于其材料和制作工艺都采用现有普通叠层片式电感器的材料和制作工艺，只是在线圈结构设计上有所不同，因此，制作成本与普通叠层片式电感器基本相等。

Description

一种高频高品质因数叠层电感器

技术领域

本发明涉及电感器，特别是涉及一种高频高品质因数叠层电感器。

背景技术

在阻抗匹配或高次谐波陷波电路中所用的叠层电感器中，除了适合用途的电感量以及自谐振频率之外，还要求具有更高的品质因数(QualityFactor，简称Q)。Q值是衡量电感器件的主要参数。是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。电感的等效电路由电感、电容和电阻组成，其Q值表示储能和损耗的比例，即阻抗表达式中虚部和实部的比值：

$Q=\frac{2\mathrm{\πf}(L-{\mathrm{CR}}^2-{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2{L}^{2}C)}{R}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

式(1)中：f是电感器的工作频率；

         L是电感器的电感量；

         C是电感器的杂散电容；

         R是损耗，包括瓷体材料的介电损耗和导电电极的电阻性损耗。在0～3GHz的频率范围内，导电电极的电阻性损耗是主要的损耗。

当频率f达到电感的自谐振频率SRF时，Q值等于0，即令式(1)等于0，得到式(2)：

$\mathrm{SRF}=\frac{\sqrt{1-\frac{C}{L}{R}^2}}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

由于通常电感的寄生电容C＜＜L，所以

故式(2)可简化为：

$\mathrm{SRF}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

对式(1)求导数计算出Q值取最大值时的频率f_Qmax为：

$f_{Q\max }=\frac{\sqrt{1-\frac{C}{L}{R}^2}}{\sqrt{3}\×2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}=\frac{\mathrm{SRF}}{\sqrt{3}}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

进一步分析式(1)，可知在频率f＜SRF时，ω²L²C≈0，CR²＜＜L，式(1)可化简为：

$Q=\frac{2\mathrm{\πf}\×L}{R}\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

L值固定，在频率f＜SRF时，Q值与频率f成正比，与损耗R成反比。要提高Q值，必须一方面增加电感的自谐振频率SRF，即减小杂散电容C；另一方面减小电感损耗R。

减小杂散电容C，可通过增大线圈电极之间垂直距离实现，但同时增加了磁路长度，降低了电感量，又会使得Q值降低，因此单纯降低电容成分，即使可提高Q值，提高的幅度也很有限。

减小导体电阻性损耗R，可通过提高导体材料的导电率、增大导体的截面积，以及减小导体长度实现。

绕线高频电感器是现有Q值最高的电感器，但是成本也最高，而且产量低。叠层高频电感则弥补了这些缺陷，成本低、产量高，但是Q值却很低，只能应用在对电性能要求不高的场合。中国专利CN101038813A公开了一种能够以必要的电感获得高Q值的层叠电感器，其通过使线圈的线宽度为E、线厚度为T、线间距离为D时，由A＝D/E(T+D)的式子求出的A值处在5～20的范围内，能够以必要的电感获得高Q值。从本质上说，采用的也是增大线间距离，同时减小线宽降低电容，只是给出了一个相对平衡的取值范围。采用CN101038813A能提高叠层电感的Q值，但提高不多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种高频高品质因数叠层电感器。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种高频高品质因数叠层电感器的特点是：

其线圈的线宽度、线厚度、线圈包围图形的宽度的乘积，与相应瓷体宽度立方的比值为2.5×10^-3～5.5×10^-3。

即满足以下公式：

2.5×10^-3≤(Wc×Wh×W0)∶W³≤5.5×10^-3    ……(6)

式中：Wc是叠层电感器线圈的线宽度；

      Wh是叠层电感器线圈的线厚度；

      W0是叠层电感器的线圈包围图形的宽度；

      W是叠层电感器的相应瓷体宽度。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

这种高频高品质因数叠层电感器的线圈电极的间距为0.05mm～0.15mm。

即满足以下公式：

0.05mm≤D≤0.15mm                        ……(7)

式中：D是叠层电感器的线圈电极的间距。

本发明基于Q值是电感器储能和损耗的比例的一种量度，要大幅度提高Q值，可以通过优化叠层电感器的结构尽量减小电感的损耗。下面以圆形线圈举例说明。

电感量L由式(8)决定：

$L=\frac{k\×\mathrm{\μ}\×N^2\×S}{H}\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

式(8)中：

k为系数；

μ为磁导率；

N为线圈匝数；

S＝π×(W0/2)²，为线圈包围的面积，W0为线圈包围图形的宽度即圆形的直径；

H＝N×D，为磁路长度，D为电极垂直间距。

式(8)可变化为式(9)：

$L=\frac{k\×\mathrm{\μ}\×N^2\×\mathrm{\π}\×{(W0/2)}^2}{N\×D}\·\·\·\·\·\·\left(9\right)$

导体电阻损耗R由式(10)决定：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{p}{s}\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

式(10)中：

ρ为电极材料电阻率；

P＝2π×(W0/2)×N，为内电极导体长度；

S＝Wc×Wh为内电极导体的截面积，Wc是叠层电感器线圈的线宽度，Wh是叠层电感器线圈的线厚度。

式(10)可变化为式(11)：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{2\mathrm{\π}\×(W0/2)\×N}{\mathrm{Wc}\×\mathrm{Wh}}\·\·\·\·\·\·\left(11\right)$

因此，电感量L相对于导体电阻损耗R的比值为式(9)除以式(11)：

$\frac{L}{R}=\frac{\mathrm{k\μ}}{4\mathrm{\ρ}}\×\frac{W0\×\mathrm{Wc}\×\mathrm{Wh}}{D}\·\·\·\·\·\·\left(12\right)$

式(12)中为常数。

式(12)表明：线圈的线宽度、线厚度、线圈包围图形的宽度的乘积，与相应电极垂直间距的比值(Wc×Wh×W0)∶D，决定了电感量L相对于导体电阻损耗R的比值。因此，增大线圈的线宽度、线厚度、线圈包围图形的宽度的乘积(Wc×Wh×W0)，或者减小相应电极垂直间距D，可以明显提高叠层电感器的Q值。但是减小相应电极垂直间距D值会导致杂散电容变大，降低电感的谐振频率，使Q值降低。通常高频叠层电感采用的D较小，为0.03mm＜D＜0.05mm，导致其谐振频率较低，本发明方案的相应电极垂直间距D值的最佳值为：0.05mm＜D＜0.15mm，可以适用于高谐振频率。

(Wc×Wh×W0)∶W³是对叠层电感器尺寸的归一化处理，理论值越大越好，但受限于产品尺寸和工艺的限制，线圈包围图形的宽度W0必定小于相应瓷体宽度W，而线圈的线宽度Wc不能太大，线圈的线厚度Wh也比较小，所以(Wc×Wh×W0)∶W³值不能大于5.5×10^-3；同时，普通高频叠层电感器需要保证一定的切割留边量，线圈包围图形的宽度W0和线圈的线厚度Wh都比较小，所以(Wc×Wh×W0)∶W³值不能小于2.5×10^-3。

所述高频高品质因数叠层电感器，是长度和宽度符合行业惯用尺寸的叠层片式电感器，如1005型号的叠层片式电感器的长度为1.00±0.15mm、宽度为0.50±0.15mm，1608型号的叠层片式电感器的长度为1.60±0.15mm、宽度为0.80±0.15mm。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的叠层电感器是高频高品质因数的叠层片式电感器，在整个应用频段上，其Q值都大幅高于普通叠层片式电感器。由于其材料和制作工艺都采用现有普通叠层片式电感器的材料和制作工艺，只是在线圈结构设计上有所不同，因此，制作成本与普通叠层片式电感器基本相等。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的高Q值叠层电感器的俯视图；

图2是图1叠层电感器的宽度方向的侧视图；

图3是图1叠层电感器的长度方向的侧视图；

图4是图1叠层电感器的线圈11的解体示意图；

图5是图1的x-x剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明的方法进行说明。

一种如图所示的图1～6所示的型号为1005的高频高Q值叠层电感器，包括椭圆形线圈11、长方体状瓷体12，以及外部端电极13。外部端电极13设置在瓷体长度方向两端，分别与椭圆形线圈11两端连接。长方体状瓷体12的长度和宽度符合行业惯用尺寸：长度L为1±0.15mm、宽度W为0.5±0.15mm。

椭圆形线圈11由将五个单位导体线11a、11b、11c、11d、11e通过通孔VHa、VHb、VHc、VHd在高度方向上连接，最上位的单位导体线lla的端部和最下位的单位导体线lle的端部分别与一个外部端电极13连接。

在叠层电感的工艺环境中，导体的导电率主要取决于所使用的银浆，高固含量的银浆往往具有较高的导电率。增大导体的截面积，则要求印刷制作很厚的电极线条。在规定的电感量要求下，增大线圈的面积，减少圈数，就可以减小导体长度。

表1是本具体实施方式的高频高Q值叠层电感器与普通叠层电感的相关参数的对比。

表1

单位：mm	普通叠层电感	高Q叠层电感
			Wc	0.056	0.064
Wh	0.010	0.020
			W0	0.368	0.512
W	0.560	0.560
			D	0.041	0.085

单位：mm	普通叠层电感	高Q叠层电感
			(Wc×Wh×W0)∶W3	1.22×10-3	3.73×10-3
Q值峰值	45	72

表中：Wc是叠层电感器线圈的线宽度，Wh是叠层电感器线圈的线厚度，W0是叠层电感器线圈的包围图形的宽度，D是叠层电感器的线圈电极的间距。

表2是本具体实施方式的型号为1005的2.2nH高频高Q值叠层电感器与普通叠层电感的Q值测试数据对比。

表2

型号	100MHz	250MHz	500MHz	900MHz	1.8GHz
						普通叠层电感	9.7	15.8	22.9	32.3	46.8
高Q叠层电感	15.5	23.8	32.9	46.3	68.2

表3是本具体实施方式的型号为1005的3.9nH高频高Q值叠层电感器与普通叠层电感的Q值测试数据对比。

表3

型号	100MHz	250MHz	500MHz	900MHz	1.8GHz
						普通叠层电感	9.3	14.6	20.7	28.2	39.5
高Q叠层电感	18.0	28.1	39.1	52.9	71.2

表4是本具体实施方式的型号为1005的6.8nH高频高Q值叠层电感器与普通叠层电感的Q值测试数据对比。

表4

型号	100MHz	250MHz	500MHz	900MHz	1.8GHz
						普通叠层电感	8.9	14.3	20.6	27.9	38.0
高Q叠层电感	19.6	31.5	44.1	57.7	72.0

表1～表4的对比分析表明，本发明的叠层电感器是高频高品质因数的叠层电感器，在整个应用频段上，其Q值都大幅高于普通叠层电感。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (2)

1.一种高频高品质因数叠层电感器，其特征在于：

其线圈的线宽度、线厚度、线圈包围图形的宽度的乘积，与相应瓷体宽度立方的比值为2.5×10^-3～5.5×10^-3。

2.如权利要求1所述的高频高品质因数叠层电感器，其特征在于：

其线圈电极的间距为0.05mm～0.15mm。

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