CN102163491A - 集成有电容特性的柔性绕组、电感及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种集成有电容特性的柔性绕组、电感及其制作方法。柔性绕组包括：第一金属层、介质薄膜和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层；所述第一金属层和所述第二金属层分别设置在所述介质薄膜的两侧表面，构成所述柔性绕组的薄膜电容结构；所述第一金属层与所述第二金属层分别作为所述薄膜电容结构的电极。所述电感的绕组由所述柔性绕组围绕磁芯进行缠绕形成。柔性绕组的制作方法包括：在介质薄膜的一侧表面上设置第一金属层，在另一侧表面上蒸镀一层具有瞬间自我恢复特性的第二金属层；将上述结构进行压合，得到具有第一金属层、介质薄膜和第二金属层的柔性绕组。

Description

集成有电容特性的柔性绕组、电感及其制作方法

技术领域

本发明实施例涉及集成滤波器技术，尤其涉及一种集成有电容特性的柔性绕组、电感及其制作方法。

背景技术

开关电源中，为了防止电磁干扰(Electromagnetic Interference，简称为：EMI)发射水平超过相关的标准，通常会采用EMI滤波器，传统的EMI滤波器通常由多个分立元件组成，分立元件包括共模电感、差模电感、X电容和Y电容。其中的共模电感和X电容体积较大。如果需要两级或者三级滤波，EMI滤波器所要使用的元件就更多，占用整个开关电源体积的1/4～1/3。这种被EMI滤波器占用过大体积的开关电源，会严重制约开关电源的功率密度的提高和成本的降低。

现有技术中，可以通过将分立元件进行集成的方式减小EMI滤波器的体积。例如，采用一种基于柔性电路板(Flexible Printed Circuit，简称为：FPC)加工技术制作的柔性多层绕组，将其缠绕在磁芯上实现电感功能的同时集成有电容特性。这种柔性多层绕组的基本结构可以如图1所示，依次由绝缘薄膜、第一铜箔、介质薄膜、第二铜箔和绝缘薄膜叠置构成。如图2所示，这种柔性多层绕组还可以根据使用需要制作为多层结构，类似于多层柔性电路板。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

这种柔性多层绕组是参考柔性电路板的制作方法设计的，在介质薄膜两侧制作铜箔，从而构成电容。这种柔性多层绕组虽然具有较为成熟的加工可行性，但是，这种柔性多层绕组的集成电容的两极都是铜箔，当介质薄膜被大电流击穿时会出现短路，导致EMI滤波器甚至开关电源起火或者出现电击，危及人身安全，不符合开关电源应用的安全规范；

这种柔性多层绕组的最外层至少有一层绝缘层，以用于在将柔性多层绕组围绕磁芯进行缠绕时最内层铜箔与最外层铜箔之间绝缘。但是如果最内层铜箔与最外层铜箔施加不同的电压，绝缘层的存在就相当于增加了一个寄生电容，对EMI滤波性能造成不良影响。

发明内容

本发明实施例提供一种集成有电容特性的柔性绕组、电感及其制作方法。消除了现有柔性绕组的安全问题及其对EMI滤波器的不良影响，减少了EMI滤波器的体积。

本发明实施例提供一种集成有电容特性的柔性绕组，包括：第一金属层、介质薄膜和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层；

所述第一金属层和所述第二金属层分别设置在所述介质薄膜的两侧表面，构成所述柔性绕组的薄膜电容结构；所述第一金属层与所述第二金属层分别作为所述薄膜电容结构的电极。

本发明实施例还提供了一种集成有电容特性的电感，所述电感绕组由上述柔性绕组围绕磁芯进行缠绕形成。

本发明实施例又提供了一种柔性绕组的制作方法，包括：

在介质薄膜的一侧表面上设置第一金属层，在另一侧表面上蒸镀一层具有瞬间自我恢复特性的第二金属层；

将上述结构进行压合，得到具有第一金属层、介质薄膜和第二金属层的柔性绕组。

本发明实施例的集成有电容特性的柔性绕组、电感及其制作方法，该柔性绕组包括介质薄膜以及介质薄膜两侧的第一金属层和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层，第一金属层与第二金属层可形成薄膜电容结构，这一薄膜电容结构的安规特性主要依靠具有瞬间自我恢复(自愈性)的第二金属层实现：当介质薄膜的介质在电弱处被击穿后，短路产生的高能量使击穿部分附近的第二金属层迅速逸散而形成空白区，从而重新恢复绝缘。采用蒸镀工艺制作的第二金属层，通常厚度为0.5um以下，具有良好的自愈性。从而，这一薄膜电容结构可以保证介质薄膜被击穿时不会发生起火或电击，不会危及人身安全。而且，这种柔性绕组可以通过介质薄膜本身实现绝缘功能。最重要的是，这种柔性绕组的厚度和体积都很小，如果将这种柔性绕组使用在EMI滤波器中，可以有效降低EMI滤波器的体积，提升滤波效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中柔性多层绕组的基本结构；

图2为现有技术柔性多层绕组的另一种基本结构；

图3为本发明一个实施例提供的集成有电容特性的柔性绕组的结构示意图；

图4为本发明另一个实施例提供的集成有电容特性的柔性绕组的结构示意图；

图5为绝缘薄膜5设置在图3所示的柔性绕组上的结构示意图；

图6为绝缘薄膜5设置在图4所示的柔性绕组上的结构示意图；

图7为图5所示的柔性绕组上第二金属层3为彼此分离的两个部分的结构示意图；

图8为图6所示的柔性绕组上第二金属层3为彼此分离的两个部分的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的第一种集成有电容特性的电感结构；

图10为图9的等效电路图；

图11为本发明实施例提供的第二种集成有电容特性的电感结构；

图12为图11的等效电路图；

图13为本发明实施例提供的第三种集成有电容特性的电感结构；

图14为本发明实施例提供的第四种集成有电容特性的电感结构；

图15为图14的等效电路图；

图16为本发明实施例提供的第五种集成有电容特性的电感结构；

图17为本发明一个实施例提供的柔性绕组的制作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图3为本发明一个实施例提供的集成有电容特性的柔性绕组的结构示意图，如图3所示，该柔性绕组包括：介质薄膜1，第一金属层2以及具有瞬间自我恢复特性的第二金属层3。其中，第一金属层2和第二金属层3分别设置在介质薄膜1的两侧表面，这种两层金属中间间隔一层绝缘层的结构构成了柔性绕组的薄膜电容结构，其中，第一金属层2与第二金属层3分别作为薄膜电容结构的电极。

本发明实施例提供了一种集成有电容特性的柔性绕组，该柔性绕组包括介质薄膜以及介质薄膜两侧的第一金属层和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层，第一金属层与第二金属层可形成薄膜电容结构，这一薄膜电容结构的安规特性主要依靠具有瞬间自我恢复(自愈性)的第二金属层实现：当介质薄膜的介质在电弱处被击穿后，短路产生的高能量使击穿部分附近的第二金属层迅速逸散而形成空白区，从而重新恢复绝缘。采用蒸镀工艺制作的第二金属层，通常厚度为0.5um以下，具有良好的自愈性。从而，这一薄膜电容结构可以保证介质薄膜被击穿时不会发生起火或电击，不会危及人身安全。

图4为本发明另一个实施例提供的集成有电容特性的柔性绕组的结构示意图，与图3所示的柔性绕组不同的是，本实施例提供的柔性绕组还包括：第二介质薄膜4；其中，第二介质薄膜4的一侧表面设置有具有瞬间自我恢复特性的第二金属层3，另一侧表面与第一金属层2相并联。这种柔性绕组相对于上述图3所示的柔性绕组而言，在一个电感上可以集成更多的薄膜电容结构，即第一金属层2分别与介质薄膜1一侧表面设置的第二金属层3、第二介质薄膜4一侧表面设置的第二金属层3形成薄膜电容结构。

本发明实施例还提供了一种集成有电容特性的柔性绕组，与图3或如4所示的柔性绕组不同的是，本实施例提供的柔性绕组还包括：绝缘薄膜5；该绝缘薄膜5设置上述实施例描述的柔性绕组的最外侧两侧表面。如图5和图6所示，图5为绝缘薄膜5设置在图3所示的柔性绕组上的结构示意图；图6为绝缘薄膜5设置在图4所示的柔性绕组上的结构示意图。

本发明实施例还提供了一种集成有电容特性的柔性绕组，与上述柔性绕组不同的是，本实施例提供的柔性绕组中，第一金属层2、第二金属层3可以为彼此分离的多个部分。优选为彼此分离的两个部分。如图7和图8所示，图7为图5所示的柔性绕组上第二金属层3为彼此分离的两个部分的结构示意图；图8为图6所示的柔性绕组上第二金属层3为彼此分离的两个部分的结构示意图。本实施例提供的柔性绕组相当于集成了多个电容，且这多个电容为并联结构。

需要说明的是，上述实施例中所提供的柔性绕组还可以制作为多层结构，例如两个或两个以上如图3或者图4所示的柔性绕组进行并联，这样做的好处在于：可以实现多个电容的电容值叠加，达到较高的电容值；而且多层设计可以在同样的面积上制作更大的电容量。

需要说明的是，上述各实施例中提供的柔性绕组：

1、介质薄膜1、第二介质薄膜4的材料可以为聚酯、聚丙烯、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)薄膜、聚碳酸酯(PC)薄膜等有机介质薄膜。

2、第二金属层3中的金属可以为铝Al、铝锌合金Al-Zn或者锌Zn。

3、第一金属层2可以为铜Au，除了可以利用铜箔之外，还可以采用导电铜浆或者导电铜涂料等使用铜作为填料的导电材料制作，其中优选使用导电铜浆。制作出的铜层具有可弯折特性，使得整个柔性绕组可以围绕磁芯进行缠绕，从而形成电感绕组，实现电容与电感的集成。

其中，柔性绕组的具体规格涉及集成电容的特性参数及电感的特性参数，因此柔性绕组的具体设计从电感、集成电容的功能特性上进行：

(1)、对于电感，首先根据EMI滤波器的工作频率、磁导率要求选择合适的磁芯，包含磁芯材料、磁芯的结构设计。对于集成EMI滤波器，还涉及到磁路设计。根据磁芯的尺寸及结构，可以确定柔性绕组的宽度。柔性绕组的宽度不能超过E型或者U型磁芯中磁柱高度，因为柔性绕组要绕着磁柱进行缠绕。宽度越宽，电容器的电极覆盖面积越大，可集成的容值越多。

根据电感所需电流大小，可以确定柔性绕组中第一金属层——铜层的厚度。结合所需电感的感量大小，通过共模电感的感量计算公式(1)，可以得出电感绕组的匝数n，继而可以得出柔性绕组的总长度L1(对应于下面计算公式1的le)。

$L_{\mathrm{cm}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0.{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}.n^2.A}{\mathrm{le}}---\left(1\right)$

其中，L_cm为共模电感的电感量，μ_eff为磁芯的等效相对磁导率，n为电感绕组的匝数，A为磁芯的有效截面积，le为等效磁路长度。

(2)、对于电容，首先根据工作电压、容值要求、工作温度范围、绝缘耐压要求、安规要求等选择合适的介质薄膜，其中包括薄膜类型、薄膜厚度、第二金属层的类型及厚度等。根据所选择的介质薄膜材料以及电容的容值要求，通过卷绕式薄膜电容结构的计算公式(2)，可以得出作为电极的第一金属层与第二金属层相重叠部分的有效长度：

其中，C为卷绕式薄膜电容结构的容值，ε为介质薄膜的相对介电常数。根据预设的电容值C，薄膜厚度，薄膜宽度，可得出薄膜长度L₂。

(3)、对于柔性绕组，L1和L2这两个数值是相互牵制的关系，即单个电容的L2不能超过L1。在实际应用中需要根据电感及电容的特性要求，进行柔性绕组的具体结构设计。其中，对于开关电源中的EMI滤波器电路中的无源元件，典型功能参数包括：共模电感：0.3mH～38mH；差模电感：几十～几百uH；X电容：0.47uF～10uF，一次电源通常使用1uF，2.2uF，3.3uF；Y电容：2200pF～0.1uF，通常为4.7nF。

使用上述柔性绕组结构，可以在差模电感或者共模电感上集成多个薄膜电容结构(X电容或者Y电容)。其中，绕组的具体实现有多种形式：

本发明实施例提供的第一种集成有电容特性的电感结构如图9所示，采用图3所示的柔性绕组结构，可以在1个共模电感上集成2个并联的X电容，图10为图9的等效电路图。需要说明的是，本实施例仅以环形磁芯为例，但并不仅限于环形磁芯，E型、U型或组合式磁芯均可以应用。

本发明实施例提供的第二种集成有电容特性的电感结构如图11所示，采用图3所示的柔性绕组结构，可以在1个共模电感上集成2个Y电容，图12为图11的等效电路图。

本发明实施例提供的第三种集成有电容特性的电感结构如图13所示，采用图3所示的柔性绕组结构，可以在2个开气隙的磁柱上各集成一个Y电容。

对于图3所示的柔性绕组结构，或者多个如图3所示的柔性绕组结构的并联，可以将柔性绕组结构中的第一金属层和第二金属层进行并联，这样在绕组形态上将不受限制。比如，4层柔性绕组结构中，将第一层第二金属层与第四层第一金属层相连且接相线，将第二层第一金属层与第三层第二金属层相连且接零线，然后将这个4层柔性绕组围绕磁芯缠绕N匝，可以实现一个共模电感与2个X电容的集成。

本发明实施例提供的第四种集成有电容特性的电感结构如图14所示，采用图4所示的柔性绕组结构，可以在1个共模电感上集成2个X电容、2个Y电容，图15为图14的等效电路图。

本发明实施例提供的第五种集成有电容特性的电感结构如图16所示，采用图8所示的柔性绕组结构，可以在1个共模电感上集成2个X电容、4个Y电容。

本发明实施例提供了一种集成有电容特性的柔性绕组，该柔性绕组包括介质薄膜以及介质薄膜两侧的第一金属层和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层，第一金属层与第二金属层可形成薄膜电容结构，这一薄膜电容结构的安规特性主要依靠具有瞬间自我恢复(自愈性)的第二金属层实现：当介质薄膜的介质在电弱处被击穿后，短路产生的高能量使击穿部分附近的第二金属层迅速逸散而形成空白区，从而重新恢复绝缘。采用蒸镀工艺制作的第二金属层，通常厚度为0.5um以下，具有良好的自愈性。从而，这一薄膜电容结构可以保证介质薄膜被击穿时不会发生起火或电击，不会危及人身安全。而且，这种柔性绕组可以通过介质薄膜本身实现绝缘功能。最重要的是，这种柔性绕组的厚度和体积都很小，如果将这种柔性绕组使用在EMI滤波器中，可以有效降低EMI滤波器的体积，提升滤波效率。在一个电感元件上集成多个满足安规需求的薄膜电容结构，至少可以减少多个Y电容的体积，减少一部分X电容的占地体积。考虑EMI滤波电路的结构，在不改变滤波电路设计的情况下，本实施例提供的柔性绕组可减少滤波电路占地面积30％～50％。

实施例二

图17为本发明一个实施例提供的柔性绕组的制作方法的流程图，这里所述的柔性绕组即为上述实施例中提供的柔性绕组。如图17所示，该方法包括：

步骤1701：在介质薄膜的一侧表面上设置第一金属层，并在介质薄膜的另一侧表面上蒸镀一层具有瞬间自我恢复特性的第二金属层；

其中需要说明的是，如果第一金属层可以为铜层，采用的是导电铜浆，那么在介质薄膜的表面上设置铜层具体可以为：在介质薄膜的非金属化面采用印刷等涂布方式，将导电铜浆涂布在介质薄膜上；加热使导电铜浆固化，形成铜层。由此可知，采用导电铜浆制作铜层具有如下优点：铜层可与介质薄膜直接粘接，工序简单；铜层与介质薄膜中间没有其他高分子绝缘层，有利于集成电容的电容值得控制；印刷或者帘涂等操作工艺简单方便，导电铜浆做成的可弯曲的铜层具有良好的市场价值。

如果铜层采用的是铜箔等，那么在介质薄膜的另一侧表面上设置铜层具体可以为：在介质薄膜的另一侧表面上涂布热塑性粘接材料，在热塑性粘接材料上设置铜层。其中，热塑性粘接材料的厚度可以控制在小于等于10微米。热塑性粘接材料可以为热塑性胶粘剂、热塑性导电粘接剂、热塑性薄膜或热塑性导电薄膜。根据柔性绕组对于集成电容的电容值的要求的不同而选择不同的热塑性粘接材料。热塑性粘接材料可以涂布在介质薄膜上，也可以涂布在铜层上。

步骤1702：采用热压工艺将上述结构进行压合，得到具有第一金属层、介质薄膜和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层的柔性绕组。

其中，按照热压工艺的要求，需要在一定温度、一定压力的情况下，将步骤1701中形成的结构进行压合，压合后可以得到介质薄膜的一面是蒸镀金属层，另一面是铜层的结构。具体使用的温度、压力及时间需要根据热塑性粘接剂的树脂成分而定。

本发明实施例提供了一种柔性绕组的制作方法，通过在介质薄膜的两侧设置第一金属层和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层后，采用热压工艺进行压合形成柔性绕组。这种方法的有益效果在于加工效率高，工艺过程容易控制。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到至少两个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种集成有电容特性的柔性绕组，其特征在于，包括：第一金属层、介质薄膜和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层；

所述第一金属层和所述第二金属层分别设置在所述介质薄膜的两侧表面，构成所述柔性绕组的薄膜电容结构；所述第一金属层与所述第二金属层分别作为所述薄膜电容结构的电极。

2.根据权利要求1所述的柔性绕组，其特征在于，还包括：第二介质薄膜；

所述第二介质薄膜设置在所述第一金属层的另一侧表面，所述第二介质薄膜的另一侧表面上还设置有具有瞬间自我恢复特性的第二金属层。

3.根据权利要求1或2所述的柔性绕组，其特征在于，还包括：绝缘薄膜；

所述绝缘薄膜设置在所述柔性绕组的最外侧两侧表面。

4.根据权利要求1或2所述的柔性绕组，其特征在于，所述第一金属层和/或第二金属层，为彼此分离的多个部分。

5.根据权利要求1或2所述的柔性绕组，其特征在于，所述介质薄膜为聚酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚酰亚胺薄膜或聚碳酸酯薄膜；所述第一金属层为铜箔、导电铜浆或导电铜涂料；所述第二金属层中的金属为铝、铝锌合金或锌。

6.一种集成有电容特性的电感，其特征在于，所述电感由权利要求1至5中任一项所述的柔性绕组围绕磁芯进行缠绕形成。

7.一种柔性绕组的制作方法，其特征在于，包括：

在介质薄膜的一侧表面上设置第一金属层，在另一侧表面上蒸镀一层在具有瞬间自我恢复特性的第二金属层；

将上述结构进行压合，得到具有第一金属层、介质薄膜和具有瞬间自我恢复特性的第二金属层的柔性绕组。

8.根据权利要求7所述的柔性绕组的制作方法，其特征在于，所述第一金属层与所述介质薄膜之间设置有热塑性粘接材料，所述热塑性粘接材料用于将所述第一金属层粘接在所述介质薄膜的一侧表面上。

9.根据权利要求8所述的柔性绕组的制作方法，其特征在于，所述热塑性粘接材料的厚度在10um以下。

10.根据权利要求8或9所述的柔性绕组的制作方法，其特征在于，所述热塑性粘接材料为：导电材料或绝缘材料。

11.根据权利要求10所述的柔性绕组的制作方法，其特征在于，当所述热塑性粘接材料为导电材料时，所述方法还包括：

在所述热塑性粘接材料中添加镍粉，用于抑制高频信号的干扰。

12.根据权利要求7所述的柔性绕组的制作方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述第一金属层的表面进行金属化处理，以抑制高频信号的干扰。

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