CN102682951B

CN102682951B - 一种大功率扁平电感器及其制作方法

Info

Publication number: CN102682951B
Application number: CN 201210164318
Authority: CN
Inventors: 张亚平; 陈鑫
Original assignee: Shenzhen Microgate Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Microgate Technology Co ltd
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: CN102682951A

Abstract

一种大功率扁平电感器及其制作方法，涉及到电感器及电感器的制作方法技术领域，具体涉及一种具有高电流叠加特性和高频特性的功率电感器。解决现有电感器由于容易磁饱和，感应系数低，直流叠加特性差；传统的多层功率电感器中，插入用于形成间隙的非磁体层，容易产生磁泄露，包括有磁性实心填充体，在磁性实心填充体中设有由扁平铜导体在平面上绕制成两层以上螺旋层后堆叠的构成的电感线圈。线圈内部温差小，所以散热性能和磁场效率可获得更好的效能；可有效降低泄露磁通，容易提供手机，平板电脑，笔记本电脑，平板显示器等使用。本发明涉及一种线圈内填充有软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合体的功率电感器，保证高直流叠加特性而无需使用单独的非磁性体。适合于高电流的应用，大于1Tesla的高磁饱和特性，适合于高频率的应用，稳定的磁导率和较低的芯损，高磁饱和使得在高电流应用时有很出色的表现。

Description

一种大功率扁平电感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及到电感器及电感器的制作方法技术领域，具体涉及一种具有高电流叠加特性和高频特性的功率电感器。

背景技术

由于便携式设备的多样化，用于便携式设备的电源电路的工作电源的类型已经多样化。工作电源用于便携式设备，诸如LCD驱动器、功率放大模块、基带IC等。电源中的每一个功能均需要不同的工作电压，并且需要用于将从电源供给的电压转换成器电路的工作电压的电源电路。由于半导体尺寸的减小，其电源电路的电压相应减小，导致即使电压的小的变化也会导致设备发生故障。为了防止这种问题，通常使用分布式电源（POL）方案，其中电源布置在每个LSI(大规模集成电路)附近，通过利用电源和LSI或者配线电阻之间的线路电感来减小电压波动。结果，便携式设备需要用于控制每个LSI的电源，并且其中具有许多电源电路。

便携式设备的电源电路主要分成两组：线性调节器和开关调节器。近期趋势已朝向减少能量消耗以延长电池寿命，并且因此已经更普遍地使用在电压转换中受到较少功率损耗的开关调节器（通常称为DC-DC转换器）同时，在小型化方面，DC-DC转换器包括另外的附加部件（诸如电感器、电容器等），这增大了电源电路的尺寸；因而，为了使该设备小型化，可以通过增大DC-DC转换器的开关频率来减小电感器或者电容器的必需的常数。

通常用作多层功率电感器的磁体的铁氧体基金属氧化物具有高导磁性和高电阻而具有低的饱和磁通密度。因而，铁氧体基金属氧化物由于容易磁饱和，感应系数低，直流叠加特性差。

另外，在传统的多层功率电感器中，为了保证直流叠加特性，需要在层间插入用于形成间隙的非磁体层，容易产生磁泄露。

另外，在利用铁氧体制造电感器的过程中，将电路放置在铁氧体薄膜上，然后将其烧结；然而，在烧结过程中会使电感器变形，这在保证感应系数和直流叠加特性高于一定水平造成阻碍。

发明内容

综上所述，本发明的目的是主要是为了解决现有电感器由于容易磁饱和，感应系数低，直流叠加特性差；传统的多层功率电感器中，插入用于形成间隙的非磁体层，容易产生磁泄露，以及在烧结过程中会使电感器变形等技术不足，而提出的一种大功率扁平电感器及其制作方法。

为解决本发明所提出技术问题，采用的技术方案为：一种大功率扁平电感器，其特征在于：所述电感器包括有磁性实心填充体，在磁性实心填充体中设有由扁平铜导体在平面上绕制成两层以上螺旋层后堆叠的构成的电感线圈。

所述的磁性实心填充体由软磁铁氧体材料和磁化的金属合金材料混合粉末填充构成。

所述的软磁铁氧体材料粉末的材料规格为：至少包含重量百分比60%~80%的铁和重量百分比20%~30%的氧化锌；软磁铁氧体材料粉末平均粒径(d50， um)：4~8；初始磁导率：200~500；功率因数(0.5MHz)：80~100。

所述的磁化的金属合金材料粉末的材料规格为：至少包含重量百分比98%~99.5%的铁；磁化的金属合金材料粉末平均粒径(d50， um)：4~8；初始磁导率：37~63；功率因数(0.5MHz)：120~160。

所述的软磁铁氧体材料和磁化的金属合金材料均为粒径4-8微米的球形粉末。

所述的电感线圈由两层以上同心圆形的螺旋层堆叠构成。

一种制作上述电感器的制作方法，其特征在于所述方法包括有如下步骤：

1）、绕制线圈，用一根扁平的铜导体绕制两层以上依次相连同心圆形的螺旋层；

2）、压制磁性实心填充体，将成型模具置于第1步绕制完成的线圈外部，在成型模具中填充粒径4-8微米的软磁铁氧体材料和磁化的金属合金材料混合粉末，并添加粘合剂压合成型，填充包覆线圈；

3）、切出线圈的引脚，分离出单体的电感器；

4）、上端电极，将线圈的引脚放入自动沾银机沾银，烘干；

5）、表面处理，在银层上通过电镀覆盖镍层和锡层。

一种制作上述电感器的另一种制作方法，所述方法包括有如下步骤：

1）、制作电极脚，于薄板金属料带上冲压成型出两电极脚，该两电极脚的第二端部连接于料带上，两电极脚的第一端部正对并保持电气间隙；

2）、绕制线圈，用一根扁平的铜导体绕制两层以上依次相连同心圆形的螺旋层，将线圈的两端引脚分别与两电极脚的第一端部相连，然后在相连处涂覆锡膏；

3）、过烘烤炉，将前述步骤2组装有线圈的料带送入烘烤炉中进行加热，使锡膏熔化而将引脚与电极脚焊接连接；

4）、压制磁性实心填充体，将成型模具置于第2步绕制完成的线圈外部，在成型模具中填充粒径4-8微米的软磁铁氧体材料和磁化的金属合金材料混合粉末，并添加粘合剂压合成型，填充包覆线圈和两电极脚的第一端部；

5）、切电极脚，于料带上切断料带与电极脚第二端部的连接，分离出单体的电感器；

6）、折弯电极脚，将前述单体的电感器的电极脚折弯，使其第二端部紧贴于磁性实心填充体表面上。

所述的软磁铁氧体材料粉末的材料规格为：至少包含重量百分比60%~80%的铁和重量百分比20%~30%的氧化锌；软磁铁氧体材料粉末平均粒径(d50， um)：4~8；初始磁导率：200~500；功率因数(0.5MHz)：80~100；所述的磁化的金属合金材料粉末的材料规格为：至少包含重量百分比98%~99.5%的铁；磁化的金属合金材料粉末平均粒径(d50， um)：4~8；初始磁导率：37~63；功率因数(0.5MHz)：120~160。

本发明的益效果为：本发明内部线圈采用薄型的扁平线圈构造，扁平线圈与圆线材相比，扁平线在相同体积下，产品重量轻、电阻低、效率高，噪音小，低趋肤效应损失的特点。线圈内部温差小，所以散热性能和磁场效率可获得更好的效能；同时该结构线圈中无间隙，可有效降低泄露磁通，属于一种小尺寸，低损耗，大电流的功率电感器，可以容易提供手机，平板电脑，笔记本电脑，平板显示器等使用。本发明具有高电流叠加特性和高频特性，具体而言涉及一种线圈内填充有软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合体的功率电感器，保证高直流叠加特性而无需使用单独的非磁性体。适合于高电流的应用，大于1Tesla的高磁饱和特性，适合于高频率的应用，稳定的磁导率和较低的芯损，高磁饱和使得在高电流应用时有很出色的表现，球形结构使得在SMD的加工过程中有了很好的成型性能。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的线圈部分的立体结构示意图；

图4为本发明为银端电极时的立体结构示意图；

图5为本发明的电感量根据功率电感器的频率而变化的曲线图；

图6为本发明的电感量根据功率电感器的电流而变化的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和本发明优选的具体实施例，对本发明作进一步地说明。

参照图1、图2及图3中所示，本发明主要由电感线圈1和磁性实心填充体2组成。电感线圈1由一根扁平铜导体在平面上绕制成两同心圆形的螺旋层11、12，将两螺旋层11、12堆叠在一起后构成，附图中以两层螺旋层为例说明，在具体实施过程中，螺旋层的数量可以是三层或更多。电感线圈1镶嵌于磁性实心填充体2内，电感线圈1的两引脚伸出磁性实心填充体2外。磁性实心填充体2由具有低损耗，高饱和磁通密度的软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料的混合粉末填充构成混合体。软磁铁氧体材料粉末的材料规格为：至少包含重量百分比60%~80%的铁和重量百分比20%~30%的氧化锌；软磁铁氧体材料粉末平均粒径(d50， um)：4~8；初始磁导率：200~500；功率因数(0.5MHz)：80~100；所述的磁化的金属合金材料粉末的材料规格为：至少包含重量百分比98%~99.5%的铁；磁化的金属合金材料粉末平均粒径(d50， um)：4~8；初始磁导率：37~63；功率因数(0.5MHz)：120~160。

本发明实现了叠层小型化、薄层化、可耐受大电流等主要特征的新型功率电感，适用于便携设备领域的DC-DC转换用功率电感。具有低损耗，高饱和度，接近零的磁致伸缩，无热老化现象。电感线圈1采用一种特制的扁平铜导体在水平和垂直的方向进行绕制，并在其中部和四周用上述软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合粉末进行填充。扁平铜导体线材与圆线材相比，扁平铜导体线材在相同体积下，产品重量轻、电阻低、效率高，噪音小，低趋肤效应损失的特点。电感线圈1内部温差小，所以散热性能和磁场效率可获得更好的效能；同时该结构线圈中无间隙，可有效降低泄露磁通。另外，本发明填充用的软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合体的粉末粒径4-8微米，为球形粉粒，粒度细而分布窄、纯度高。

本发明填充所用的软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合粉末可用少量的粘合剂来压合到很高的密度。因此，当频率高至5MHz时，还是有相对较高的磁导率和很高的Q值。在一个宽范围的频率和电流应用中，具有既高又稳定的磁导率，并且芯损很低。

参照图5和图6中所示，本发明与现有间隙铁氧体相比，具有如下特点：

在磁通量比较方面，假设特定的50%下降设计点，软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合体磁通量是间隙铁氧体的2倍以上，这使磁芯的尺寸可缩小35%，设计时可以把磁芯的尺寸缩小30%至35%。

软饱和曲线设计本身具有容错能力，而间隙铁氧体则没有。

铁氧体磁能力随温度变化，而软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合体保持相对稳定。

在边缘损耗方面，软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合体不会发生边缘损耗，而间隙铁氧体有很大的边缘损耗。铁芯的间隙部分随着温度的增加损耗会增加。软磁铁氧体材料和高磁化密度的金属合金材料混合体也有间隙，但是这是均匀的分布式间隙，因为这个形式，在高功率的应用上会更好。

制本发明所述的大功率扁平电感器的方法包括有如下

3）、切出线圈的引脚，分离出单体的电感器；

4）、上端电极，将线圈的引脚放入自动沾银机沾银，烘干，形成图4所示结构；

5）、表面处理，在银层上通过电镀覆盖镍层和锡层，方便SMT焊接。

Claims

1.一种大功率扁平电感器，其特征在于：所述电感器包括有磁性实心填充体，在磁性实心填充体中设有由扁平铜导体在平面上绕制成两层以上螺旋层后堆叠的构成的电感线圈；所述的磁性实心填充体由软磁铁氧体材料和磁化的金属合金材料混合粉末填充构成；所述的软磁铁氧体材料粉末的材料规格为：至少包含重量百分比60%~80%的铁和重量百分比20%~30%的氧化锌；软磁铁氧体材料粉末平均粒径：4~8 um；初始磁导率：200~500；功率因数0.5MHz时：80~100；所述的磁化的金属合金材料粉末的材料规格为：至少包含重量百分比98%~99.5%的铁；磁化的金属合金材料粉末平均粒径：4~8um；初始磁导率：37~63；功率因数0.5MHz时：120~160。

2.根据权利要求1所述的一种大功率扁平电感器，其特征在于：所述的电感线圈由两层以上同心圆形的螺旋层堆叠构成。

3.一种制作权利要求1～2任一项所述电感器的制作方法，其特征在于所述方法包括有如下步骤： 1）、绕制线圈，用一根扁平的铜导体绕制两层以上依次相连同心圆形的螺旋层； 2）、压制磁性实心填充体，将成型模具置于第1步绕制完成的线圈外部，在成型模具中填充粒径4-8微米的软磁铁氧体材料和磁化的金属合金材料混合粉末，并添加粘合剂压合成型，填充包覆线圈； 3）、切出线圈的引脚，分离出单体的电感器； 4）、上端电极，将线圈的引脚放入自动沾银机沾银，烘干； 5）、表面处理，在银层上通过电镀覆盖镍层和锡层。