CN103997311B - 一种基于平面型耦合电感的3‑d全集成emi滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于平面型耦合电感的3‑D全集成EMI滤波器，包括平面磁芯，共模电容层，差模电容层和上下、两层结构的绕组层以及绕在绕组层的绕层。平面磁芯磁芯、共模电容层，差模电容层和绕组层上分别打有两排穿孔，通过两个绕组依次穿过相邻对角线上的穿孔，构成耦合电感。本发明的平面型结构易于集成，体积小，增大了功率密度；易于自动化生产，提高了生产效率，保证寄生参数的一致性。

Description

一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器

技术领域

本发明涉及一种电子设备，尤其涉及一种平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器。

背景技术

模块化，小型化，高功率密度是现在电力电子设备的发展趋势。一方面要求尽量减小电力电子设备中的每个元件的体积，另一方面针对严重的电磁干扰EMI(电磁干扰，Electromagnetic Interference)问题，对EMI滤波器的性能也要求越来越高。

传统分立型EMI滤波器，包括共模电感，共模电容和差模电容等。由于元件数量多，体积大，造成其空间利用率低。同时，对于传统的采用环形磁芯的共模电感，往往需要人工绕制，无法机械化生产，这严重降低的生成效率，增加了生产成本，人工绕制也造成了寄生参数的不可控性。

平面集成LC结构是构成平面磁集成EMI滤波器的基本单元，弗吉尼亚理工大学的Renggang Chen提出了能应用于开关电源系统的平面EMI滤波器(图1)，如图1所示，该滤波器采用平面EI磁芯(100,106)，由共模集成LC结构(102,104)，差模电容(101,105)及漏感层(103)组成，该结构实现了EMI滤波器的平面集成结构，减小了体积，提高了功率密度。但是由于平面集成LC结构以质地较脆的陶瓷板为基板制成，磁芯外部由于没有磁芯保护而容易断裂，在实际应用中不易进行安装。

发明内容

本发明提出一种平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，可机械化生产基于平面型耦合电感的3-D集成EMI滤波器，从而减小了其体积，增大功率密度，提高了生产效率。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，包括平面磁芯，共模电容层，差模电容层和上下、两层结构的绕组层以及绕在绕组层的绕层，其中平面磁芯包括第一平面磁芯201和第二平面磁芯206，共模电容层包括第一共模电容层203和第二共模电容层204，差模电容层包括第一差模电容层202和第二差模电容层205，绕组包括第一绕组和第二绕组；第一平面型磁芯201和第二平面磁芯206分别位于EMI滤波器的两侧，第一绕组和第二绕组分别穿过第一磁芯201，第一差模电容层202，第一共模电容层203，第二共模电容层204，第二差模电容层205和第二磁芯层206，构成耦合电感；第一绕组的一个端口400和第二绕组的一个端口500用导线引出，作为EMI滤波器的输入端；第一绕组的另一个端口410和第二绕组的另一个端口510用导线引出，作为EMI滤波器的输出端；第一差模电容层202，第二差模电容层205，第一共模电容层203和第二共模电容层204都分别由两个极板和极板之间的介电质材料层组成，第一差模电容层的两个极板601,602与滤波器的输入端相连，第二差模电容层的两个极板701,702与滤波器的输出端相连；第一共模电容层的一个极板801和第二共模电容层的第二个极板902与滤波器的输出端相连，第一共模电容层的另一个极板802与第二共模电容层的第一个极板901相连作为滤波器的公共地端。

进一步地，所述第一平面磁芯201，第二平面磁芯206，第一差模电容层202，第二差模电容层205，第一共模电容层203和第二共模电容层204上都分别设有两排穿孔，且所述绕层穿过各层对应的两排穿孔；

进一步地，两排穿孔之间的距离是每排穿孔与穿孔所在层边缘之间距离的两倍；

进一步地，所述绕层由第一绕组和第二绕组两部分组成，第一绕组由PCB绕组组成，位于第一平面磁芯201和第二平面磁芯206的表面；第二绕组由铜柱组成，为每个穿孔中的部分，第一绕组和第二绕组都分别从位于各自相邻的对角线上的穿孔依次穿过；

进一步地，第一差模电容层202与第二差模电容层205的电容值相等，第一共模电容层203和第二共模电容层204的电容值保持相等；

进一步地，所述介电质材料为陶瓷BaTiO₃；

进一步地，第一平面磁芯201和第二平面磁芯206采用铁氧体材料。

本发明产生的有益效果为：本发明由于采用了平面型的磁芯和电容，易于电感和电容集成，大大减小了EMI滤波器的体积，提高了功率密度；同时，电感的绕组由PCB绕组和铜柱组成，可实现机械化生产，提高生产效率，也有利于寄生参数的控制。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为现有技术的基于矩形平面集成LC结构的集成EMI滤波器；

图2为本发明的分解式结构示意图；

图3为本发明的组合式结构示意图；

图4为本发明的等效电路图；

图5为本发明第一绕组的结构示意图；

图6为本发明第二绕组的结构示意图；

图7为本发明第一差模电容层结构示意图；

图8为本发明第二差模电容层结构示意图；

图9为本发明第一共模电容层结构示意图；

图10为本发明第二共模电容层结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明实施例通过采用平面型耦合电感和平面型电容对EMI滤波器进行集成，减小滤波器的体积，增大整体功率密度；同时，通过采用PCB绕组和铜柱组构成电感绕组，使得易于机械化生产，提供生产效率，保证寄生参数的一致性。

如图2～3所示，本发明的平面型3-D全集成EMI滤波器，包括平面磁芯，共模电容层，差模电容层和上下、两层结构的绕组层200，207以及绕在绕组层的绕层，构成耦合电感，其中平面磁芯包括第一平面磁芯201和第二平面磁芯206，共模电容层包括第一共模电容层203和第二共模电容层204，差模电容层包括第一差模电容层202和第二差模电容层205，绕层包括第一绕组和第二绕组。平面磁芯，共模电容层，差模电容层和上下、两层结构的绕组层的每层上都设有两排穿孔，用于绕组穿过。为了保证磁芯合理利用，两排穿孔之间的距离分别为两侧距离的两倍。磁芯201和206采用铁氧体磁芯。由于铁氧体具有很好的屏蔽性能，因此，磁芯201和206位于EMI滤波器的两侧。绕层由第一绕组和第二绕组两部分组成，第一绕组由PCB绕组组成，位于第一平面磁芯201和第二平面磁芯206的表面；第二绕组由铜柱组成，为每个穿孔中的部分，第一绕组和第二绕组都分别从位于各自相邻的对角线上的穿孔依次穿过。

如图4所示本发明的等效电路图，图中第一差模电容层形成电容301，第二差模电容层型形成电容306，第一绕组形成电感302，第二绕组形成电感303，第一共模电容层形成电容304，第二共模电容层形成电容305。

如图5、图6所示，第一绕组由绕组层200，207上的PCB绕组401，402，403，404和铜柱405，406，407，408，409组成，第二绕组由PCB绕组层200，207上的绕组501，502，503，504和铜柱505，506，507，508，509组成。第一绕组的一个端口400和第二绕组的一个端口500用导线引出，作为滤波器的输入端；第一绕组的另一个端口410和第二绕组的另一个端口510用导线引出，作为滤波器的输出端。

如图7、图8所示，第一差模电容层202，第二差模电容层205，第一共模电容层203和第二共模电容层204都分别由两个极板和极板之间的介电质材料层组成，第一差模电容层的两个极板601,602与滤波器的输入端相连，第二差模电容层的两个极板701,702与滤波器的输出端相连，第一差模电容层202由极板601，602和电介质材料层603组成，第二差模电容层由极板701，702和电介质材料层703组成；第一差模电容层的第一个极板601与第一绕组的一个端口400相连，第二个极板602与第二绕组的一个端口500端相连；第二差模电容层的第一个极板701与第一绕组的另一个端口410相连，第二个极板702与第二绕组的一个端口500相连。为保证第一差模电容层与第二差模电容层大小一致，第一差模电容层的极板601,602与第二差模电容层的极板701,702面积都为S₁，第一差模电容层的电介质材料层603与第二差模电容层的电介质材料层703所用材料都为高介电常数的陶瓷材料BaTiO₃，其相对介电常数为ε_r1，厚度为d₁。

如图9、10所示，第一共模电容层由极板801,802和电介质材料803组成，第二共模电容层由极板901,902和电介质材料层903组成。第一共模电容层的第一个极板801与第一绕组的另一个端口410相连，第一共模电容层的第二个极板802与第二共模电容层的第一极板901相连，作为滤波器的公共地端，第二共模电容层的第二个极板902与第二绕组的另一个端口510相连。为了减小连接线路，第一共模电容层与第二共模电容层位于相邻的位置；为保证第一共模电容层与第二共模电容层大小一致，第一共模电容层的极板801,802与第二共模电容层的极板901,902的面积都为S₂，第一共模电容的电介质材料803与第二共模电容的电介质材料层903所用材料也都为高介电常数的陶瓷材料BaTiO3，其相对介电常数为ε_r2，厚度为d₂。

为保持耦合电感的对称性，第一绕组和第二绕组的匝数都为n，其等效磁路的长度都为l，平面磁芯的相对磁导率为μe，平面磁芯截面积为A，单边共模电感的大小为：

差模电容的大小为：

共模电容的大小为：

其中μ₀为平面磁芯的磁导率，ε₀为电介质材料层介电常数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，其特征在于，包括平面磁芯，共模电容层，差模电容层和上下、两层结构的绕组层以及绕在绕组层的绕层，其中平面磁芯包括第一平面磁芯(201)和第二平面磁芯(206)，共模电容层包括第一共模电容层(203)和第二共模电容层(204)，差模电容层包括第一差模电容层(202)和第二差模电容层(205)，绕组包括第一绕组和第二绕组；第一平面型磁芯(201)和第二平面磁芯(206)分别位于EMI滤波器的两侧，第一绕组和第二绕组分别穿过第一平面磁芯(201)，第一差模电容层(202)，第一共模电容层(203)，第二共模电容层(204)，第二差模电容层(205)和第二平面磁芯(206)，构成耦合电感；第一绕组的一个端口(400)和第二绕组的一个端口(500)用导线引出，作为EMI滤波器的输入端；第一绕组的另一个端口(410)和第二绕组的另一个端口(510)用导线引出，作为EMI滤波器的输出端；第一差模电容层(202)，第二差模电容层(205)，第一共模电容层(203)和第二共模电容层(204)都分别由两个极板和极板之间的介电质材料层组成，第一差模电容层的两个极板(601,602)与滤波器的输入端相连，第二差模电容层的两个极板(701,702)与滤波器的输出端相连；第一共模电容层的一个极板(801)和第二共模电容层的第二个极板(902)与滤波器的输出端相连，第一共模电容层的另一个极板(802)与第二共模电容层的第一个极板(901)相连作为滤波器的公共地端。

2.如权利要求1所述的一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，其特征在于，所述第一平面磁芯(201)，第二平面磁芯(206)，第一差模电容层(202)，第二差模电容层(205)，第一共模电容层(203)和第二共模电容层(204)上都分别设有两排穿孔，且所述绕层穿过各层对应的两排穿孔。

3.如权利要求2所述的一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，其特征在于，两排穿孔之间的距离是每排穿孔与穿孔所在层边缘之间距离的两倍。

4.如权利要求2所述的一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，其特征在于，所述绕层由第一绕组和第二绕组两部分组成，第一绕组由PCB绕组组成，位于第一平面磁芯(201)和第二平面磁芯(206)的表面；第二绕组由铜柱组成，为每个穿孔中的部分，第一绕组和第二绕组都分别从位于各自相邻的对角线上的穿孔依次穿过。

5.如权利要求1所述的一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，其特征在于，第一差模电容层(202)与第二差模电容层(205)的电容值相等，第一共模电容层(203)和第二共模电容层(204)的电容值保持相等。

6.如权利要求1所述的一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，其特征在于，所述介电质材料为陶瓷BaTiO₃。

7.如权利要求1所述的一种基于平面型耦合电感的3-D全集成EMI滤波器，其特征在于，第一平面磁芯(201)和第二平面磁芯(206)采用铁氧体材料。