CN107146690B - 一种薄膜电感、电源转换电路和芯片 - Google Patents

一种薄膜电感、电源转换电路和芯片 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种薄膜电感，该薄膜电感包括多层磁性薄膜，该多层磁性薄膜至少包括相邻的第一磁性薄膜和第二磁性薄膜，所述第一磁性薄膜嵌套在所述第二磁性薄膜内，且所述第一磁性薄膜的相对磁导率小于所述第二磁性薄膜的相对磁导率，且所述第一磁性薄膜的相对磁导率和所述第二磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于第一阈值，其中，在所述第二磁性薄膜的磁感应强度达到所述第二磁性薄膜的饱和磁感应强度的情况下，所述第一磁性薄膜的磁感应强度小于或等于所述第一磁性薄膜的饱和磁感应强度。采用本申请能够避免该第一磁性薄膜由于易于达到磁饱和而导致的该薄膜电感的电感量急剧下降的问题。另外，本申请还提供了相应的电源转换电路和芯片。

Description

一种薄膜电感、电源转换电路和芯片
技术领域
本申请涉及电路领域，并且更具体地，涉及一种薄膜电感、电源转换电路和芯片。
背景技术
现有技术中，薄膜电感的薄膜磁芯是有多层磁性薄膜层层嵌套而成的。在该多层磁性薄膜中，通常，内层磁性薄膜的磁感应强度达到该内层磁性薄膜的饱和磁感应强度要比外层磁性薄膜达到该外层磁性薄膜的饱和磁感应强度更快一些。在内层磁性薄膜的磁感应强度达到该内层磁性薄膜的饱和磁感应强度的情况下，该内层磁性薄膜的相对磁导率将接近于零，从而使得该薄膜电感的电感量急剧下降。在该薄膜电感位于电源转换电路中时，该电源转换电路中的电流将会激增，严重时会烧毁负载。
因此，如何降低上述薄膜电感中内层磁性薄膜的磁感应强度易饱和的可能性，已成为亟需解决的问题。
发明内容
本申请提供一种薄膜磁芯、薄膜电感和电源转换电路，能够有效地降低内层磁性薄膜的磁感应强度容易饱和的可能性。
第一方面，本申请提供了一种薄膜电感，所述薄膜电感包括薄膜磁芯和至少一个导电体，所述薄膜磁芯呈两端开口的筒状结构，所述薄膜磁芯包括多层磁性薄膜，每层磁性薄膜均呈两端开口的筒状结构，所述多层磁性薄膜层层嵌套，每相邻两层磁性薄膜之间间隔有绝缘层，所述至少一个导电体位于所述多层磁性薄膜中最内层薄膜磁性的内腔中；
每相邻两层磁性薄膜包括内层磁性薄膜和外层磁性薄膜，所述内层磁性薄膜嵌套在所述外层磁性薄膜内，所述内层磁性薄膜的相对磁导率小于或等于所述外层磁性薄膜的相对磁导率，
所述多层磁性薄膜至少包括相邻的第一磁性薄膜和第二磁性薄膜，所述第一磁性薄膜嵌套在所述第二磁性薄膜内，且所述第一磁性薄膜的相对磁导率小于所述第二磁性薄膜的相对磁导率，且所述第一磁性薄膜的相对磁导率和所述第二磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于第一阈值，其中，在所述第二磁性薄膜的磁感应强度达到所述第二磁性薄膜的饱和磁感应强度的情况下，所述第一磁性薄膜的磁感应强度小于或等于所述第一磁性薄膜的饱和磁感应强度。
因此，在本申请提供的薄膜电感中，虽然第一磁性薄膜被嵌套在第二磁性薄膜的内部，但是通过限定第一磁性薄膜的相对磁导率小于第二磁性薄膜的相对磁导率，以及限定第一磁性薄膜的相对磁导率和第二磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于50，使得在第二磁性薄膜的磁感应强度达到第二磁性薄膜的饱和磁感应强度时，第一磁性薄膜的磁感应强度小于或等于第一磁性薄膜的饱和磁感应强度。也即，在本申请提供的薄膜电感中，由于位于内层的第一磁性薄膜的磁感应强度达到该第一磁性薄膜的饱和磁感应强度要比位于外层的第二磁性薄膜的磁感应强度达到该第二磁性薄膜的饱和磁感应强度更晚一些。由于在设置该第二磁性薄膜时，会考虑到避免该第二磁性薄膜达到磁饱和的问题。因此，在第一磁性薄膜不会先于第二磁性薄膜达到磁饱和的情况下，能够避免现有技术中由于第一磁性薄膜易于达到磁饱和而导致的薄膜电感的电感量急剧下降的问题。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，每相邻两层磁性薄膜中，所述内层磁性薄膜的相对磁导率和所述外层磁性薄膜的相对磁导率之间的差值均大于或等于所述第一阈值，其中，在所述外层磁性薄膜的磁感应强度达到所述外层磁性薄膜的饱和磁感应强度的情况下，所述内层磁性薄膜的磁感应强度小于或等于所述内层磁性薄膜的饱和磁感应强度。
通过限定位于薄膜电感内的每相邻两层磁性薄膜之间的关系均满足第一磁性薄膜和第二磁性薄膜之间的关系，使得该薄膜电感中除了最外层磁性薄膜之外的每一层磁性薄膜均不会领先于该最外层磁性薄膜达到磁饱和，从而避免了由于位于该薄膜电感内层的磁性薄膜易于达到磁饱和而导致该薄膜电感的电感量急剧下降的问题。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述第一阈值的取值为50。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式或第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，在所述第一磁性薄膜所采用的材料和所述第二磁性薄膜所采用的材料不相同的情况下，所述第一磁性薄膜的厚度值等于所述第二磁性薄膜的厚度值。
为了实现第一磁性薄膜的相对磁导率比第二磁性薄膜的相对磁导率小50以上的目的，可以通过材料的选取直接达到这个目的，也可以通过材料的选取和厚度的设置共同达到这个目的。换句话说，在第一磁性薄膜和第二磁性薄膜分别采用不用的材料制成的情况下，该第一磁性薄膜的厚度和该第二磁性薄膜的厚度可以是相同的，也可以是不同的。限定第一磁性薄膜的厚度和该第二磁性薄膜的厚度相同，是为了在工艺上更简单。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式或第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，在所述第一磁性薄膜所采用的材料和所述第二磁性薄膜所采用的材料相同的情况下，所述第一磁性薄膜的厚度值大于所述第二磁性薄膜的厚度值，且所述第一磁性薄膜的厚度值与所述第二磁性薄膜的厚度值之间的差值大于或等于0且小于或等于第二阈值，所述第二阈值为所述第二磁性薄膜的厚度值的五倍。
本实施例中，在第一磁性薄膜和第二磁性薄膜采用相同的材料制成时，通过调节厚度来实现第一磁性薄膜的相对磁导率比第二磁性薄膜的相对磁导率小50以上的目的。好处在于不必关注每层磁性薄膜的形状以及制成方式，仅通过调节厚度就能实现对相对磁导率的改变，从而使工艺实现上更加简单。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第一方面的第三种可能的实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，
所述第一磁性薄膜为Ni45Fe55，所述第二磁性薄膜为Ni80Fe20；或，
所述第一磁性薄膜为CoZrO，所述第二磁性薄膜为CoZrTa；或，
所述第一磁性薄膜为CoZrO，所述第二磁性薄膜为Ni80Fe20；或，
所述第一磁性薄膜为CoZrTa，所述第二磁性薄膜为Ni80Fe20。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第一方面的第五种可能的实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，
所述至少一个导电体中每一导电体的长度方向与所述最内层磁性薄膜的长度方向相同，所述最内层磁性薄膜的长度方向为沿所述最内层磁性薄膜的一端开口延伸到所述最内层磁性薄膜的另一端开口的方向；所述至少一个导电体中每一导电体均与所述最内层磁性薄膜的内壁之间是绝缘的；
在所述至少一个导电体为两个以上导电体的情况下，所述两个以上导电体是相互隔离的。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第一方面的第六种可能的实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述薄膜电感的每层磁性薄膜均包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一端和第二端，所述第一端和第二端分别和所述第二部分的不同区域相接触。
在本实施例中，第一端和第二端均是直接和第二部分的不同区域接触的，也即第一部分和第二部分是物理接触的，从而使得磁阻较小，带来的好处是能够提升该薄膜电感的电感量。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第一方面的第七种可能的实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述第二磁性薄膜的相对磁导率的选择需要考虑所述第二磁性薄膜在第一平面上的周长和所述第二磁性薄膜的饱和磁感应强度，其中，第一方向为从所述第二磁性薄膜的一端开口延伸至所述第二磁性薄膜的另一端开口的方向，所述第一平面是所述第二磁性薄膜在沿垂直于所述第一方向的方向上的截面所在的平面。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第一方面的第七种可能的实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第九种可能的实现方式中，所述第一磁性薄膜的相对磁导率的选择需要考虑所述第一磁性薄膜在第一平面上的周长和所述第一磁性薄膜的饱和磁感应强度，其中，第一方向为从所述第一磁性薄膜的一端开口延伸至所述第一磁性薄膜的另一端开口的方向，所述第一平面是所述第一磁性薄膜在沿垂直于所述第一方向的方向上的截面所在的平面。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式至第一方面的第九种可能的实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第十种可能的实现方式中，
所述薄膜磁芯的厚度d1满足条件：0微米<d1≤50微米。
结合第一方面的第十种可能的实现方式，在第一方面的第十一种可能的实现方式中，所述多层磁性薄膜中每层磁性薄膜的厚度d2满足条件：0微米<d2≤10微米。
结合第一方面的第十种可能的实现方式或第一方面的第十一种可能的实现方式，在第一方面的第十二种可能的实现方式中，每层绝缘层的厚度d3满足条件：0微米<d3≤2微米。
第二方面，本申请提供了一种电源转换电路，包括第一开关管、第二开关管、电容和如第一方面或第一方面任一种可能的实现方式所述的薄膜电感；
所述第一开关管的一端与所述第二开关管的一端相连，
所述薄膜电感的一端连接在所述第一开关管的一端和所述第二开关管的一端之间，所述薄膜电感的另一端与所述电容的一端相连；所述电容的另一端与所述第二开关管的另一端相连；
在所述第一开关管导通且所述第二开关管关断的情况下，流经所述薄膜电感的电流变大；
在所述第一开关管关断且所述第二开关管导通的情况下，所述电容两端的电压反向的加载在所述薄膜电感上，流经所述薄膜电感的电流变小。
在本申请提供的电源转换电路中，由于所采用的薄膜电感的内层磁性薄膜先于外层磁性薄膜达到磁饱和，所以该薄膜电感能够正常工作。也即，该薄膜电感的电感量不会骤然下降到接近于零，从而使得采用了该薄膜电感的电源转换电路中的器件不会由于电流过大而烧毁。
第三方面，本申请提供了一种芯片，包括如第二方面所述的电源转换电路和负载，所述电源转换电路与所述负载连接且用于向所述负载供电。
在本申请提供的芯片中，由于所采用的薄膜电感的内层磁性薄膜先于外层磁性薄膜达到磁饱和，所以该薄膜电感能够正常工作。也即，该薄膜电感的电感量不会骤然下降到接近于零，从而使得采用了该薄膜电感的电源转换电路中的器件不会由于电流过大而烧毁。进一步地，也提高了该芯片的安全性能。
附图说明
图1A是现有技术中薄膜电感的截面结构图；
图1B是使用Ni80Fe20材料的磁包铜薄膜电感的磁感应强度的分布图；
图2是本申请提供的一种薄膜电感的截面结构图；
图3是本申请提供的一种薄膜电感的侧视图；
图4是本申请提供的一种电源转换电路的示意图；
图5是本申请提供的另一种电源转换电路的示意图；
图6是本申请提供的应用图4所示电源转换电路的芯片的内部电路图；
图7是本申请提供的另一种应用图4所示电源转换电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚且完整地描述。
应理解，本申请的薄膜电感可以应用于电源转换电路中，也可以应用于其他的电路中，本申请对此不作限定。
首先对于现有技术中的薄膜电感做简单的介绍。参见附图1A，图1A为现有技术中薄膜电感的截面图。该薄膜电感100包括薄膜磁芯110和导电体120，导电体120位于该薄膜磁芯110的内腔。该导电体120通电后，该薄膜磁芯110中每层磁性薄膜产生的磁通路径为对应的磁性薄膜在如图1A所示的截面图中的环形路径。为了减少薄膜磁芯110上的涡流损耗，薄膜磁芯110都是由多层磁性薄膜构成，多层磁性薄膜层层套嵌，每层磁性薄膜均呈筒状结构，每层磁性薄膜在图1A所示截面所在平面上的周长都是不一样的。以图1A所示的磁性薄膜111和112为例，靠近该导电体120的磁性薄膜111为内层磁性薄膜，相对的，远离该导电体120的磁性薄膜112为外层磁性薄膜。磁性薄膜111的周长小于磁性薄膜112的周长，对应地，磁性薄膜111的磁通路径的等效长度也短于磁性薄膜112的磁通路径的等效长度。这意味着磁性薄膜111的磁阻小于磁性薄膜112的磁阻，相应的，磁性薄膜111相对于磁性薄膜112来说，具有更大的磁感应强度(也可以理解为磁通密度)。那么，在相同条件下，相较于磁性薄膜112而言，磁性薄膜111的磁感应强度很容易率先达到磁饱和状态，从而导致磁性薄膜111的相对磁导率接近为零，进而使得薄膜电感100的电感量急剧下降。相应的，采用薄膜电感100的电源转换电路中的电流将会激增，严重时甚至烧毁该电源转换电路中的元器件。
需要说明的是，每层磁性薄膜均是有一定厚度的，也即每层磁性薄膜均存在内表面和外表面。应当知道的是，内表面的磁通路径的长度小于外表面的磁通路径的长度。其中，参见附图1A，所谓磁通路径的长度是指磁通路径在图1A所示截面所在平面中的长度。由于每层磁性薄膜均具有一定的厚度，因此磁性薄膜的磁通路径的长度是不容易准确地确定的，所以上文中用“磁性薄膜的磁通路径的等效长度”来描述磁性薄膜的磁通路径的长度。容易理解的是，磁性薄膜的磁通路径的等效长度是位于该磁性薄膜的内表面的磁性路径的长度和该磁性薄膜的外表面的磁性路径的长度之间的。
其次，结合图1A，通过下述公式描述各个参数之间的关系：
R＝L/μ0μrA，其中，R为某层磁性薄膜的磁阻，L为通电后的导电体在该层磁性薄膜中产生的磁通回路的等效长度，μ0为真空磁导率，μr为磁性薄膜的相对磁导率，A该层磁性薄膜的厚度与该层磁性薄膜的长度的乘积，所谓该层磁性薄膜的长度是自该层磁性薄膜所呈现的筒状结构的一端开口向另一端开口延伸的长度；
φ＝NI/R，其中，φ为通电后的导电体在该磁性薄膜中产生的磁通，N为导电体的线圈匝数，I为流经于导电体的电流；
B＝φ/A，其中，B为该层磁性薄膜所产生的磁感应强度；
由上述三个公式可以得到：B＝NIμ0μr/L，即，在参数N、I、μ0和μr均相同的情况下，磁感应强度B与磁性薄膜的磁通路径的等效长度L成反比。
这进一步验证了，在内层磁性薄膜的饱和磁感应强度和外层磁性薄膜的饱和磁感应强度相同，且内外层磁性薄膜的参数N、I、μ0和μr也相同的情况下，由于内层磁性薄膜的长度L较小，所以内层磁性薄膜将会比外层磁性薄膜更快达到磁饱和状态。
图1B所示为使用Ni80Fe20材料的磁包铜薄膜电感的磁感应强度的分布图。图1B所示的水平方向的横轴即为图1A中所示的y轴方向，且横轴对应的坐标范围为该薄膜电感在图1A所示的y轴方向的40um的区域，图1B所示的竖直方向的纵轴用于表示该薄膜电感中的磁性薄膜的磁感应强度。Ni80Fe20的最大磁感应强度BS为1T，从图1B中可以看出，在区域d1和d2范围内的磁性薄膜(即包括磁性薄膜112在内的靠近导电体的磁性薄膜)的磁感应强度大于或等于材料的最大磁感应强度，达到饱和状态，从而导致达到磁饱和的磁性薄膜的相对磁导率接近为零，进而使得该薄膜电感的电感量急剧下降。
针对现有技术存在的问题，本申请提供一种薄膜电感。参见附图2，图2为本申请提供的薄膜电感的截面结构图。如图2所示，该薄膜电感200包括薄膜磁芯210和至少一个导电体220，所述薄膜磁芯200呈两端开口的筒状结构，所述薄膜磁芯200包括多层磁性薄膜(211,212,213,214)，每层磁性薄膜均呈两端开口的筒状结构，所述多层磁性薄膜层层嵌套，每相邻两层磁性薄膜之间间隔有绝缘层，所述至少一个导电体220位于所述多层磁性薄膜中最内层薄膜磁性211的内腔中。
每相邻两层磁性薄膜包括内层磁性薄膜和外层磁性薄膜，所述内层磁性薄膜嵌套在所述外层磁性薄膜内，所述内层磁性薄膜的相对磁导率小于或等于所述外层磁性薄膜的相对磁导率。所述多层磁性薄膜至少包括相邻的第一磁性薄膜和第二磁性薄膜，所述第一磁性薄膜嵌套在所述第二磁性薄膜内，且所述第一磁性薄膜的相对磁导率小于所述第二磁性薄膜的相对磁导率，且所述第一磁性薄膜的相对磁导率和所述第二磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于第一阈值，其中，在所述第二磁性薄膜的磁感应强度达到所述第二磁性薄膜的饱和磁感应强度的情况下，所述第一磁性薄膜的磁感应强度小于或等于所述第一磁性薄膜的饱和磁感应强度。
作为本发明的一个实施例，所述第一阈值为50.
值得注意的是，对于“所述薄膜磁芯100呈两端开口的筒状结构”，可以参见附图3所示的薄膜电感。图3是本发明提供的薄膜电感300的外部结构图，容易看出，该薄膜电感300的两端均呈开口状，且位于该两端之间的是一筒状结构。还需要说明的是，图3中箭头所指的方向即为从薄膜电感300的一端开口向另一端开口的延伸方向。
需要说明的是，所谓的多层磁性薄膜层层嵌套，可以理解为该多层磁性薄膜的形状是相同的，不过尺寸不同而已。具体的，在层层嵌套的多层磁性薄膜中，位于外层的磁性薄膜的尺寸要大于位于内层的磁性薄膜的尺寸。以附图2所述的薄膜电感为例进行说明，参见附图2，磁性薄膜212相对于磁性薄膜211来说，磁性薄膜212是外层磁性薄膜，磁性薄膜211是内层磁性薄膜。在Y轴用于表示磁性薄膜的高度所在的方向，且X轴用于表示磁性薄膜的宽度所在的方向的情况下，则磁性薄膜212的高度大于磁性薄膜211的高度，且磁性薄膜212的宽度大于磁性薄膜211的宽度。
值得注意的是，磁性薄膜的相对磁导率μr，是磁性薄膜的磁导率μ和真空磁导率μ0的比值：磁性薄膜的磁导率μ是磁性薄膜对一个外加磁场线性反应的磁化程度。真空磁导率μ0，也被称为磁场常数、磁常数或自由空间磁导率，是一物理常数。在国际单位制中，真空磁导率的数值为：
μ0＝4π×10-7V.s/(A.m)≈1.2566370614...×10-6H.m或N.A-2或T.m/A或Wb/(A.m).
应当知道的是，磁性薄膜的磁导率不仅与该磁性薄膜所采用的材料有关，也与该磁性薄膜的厚度或加工工艺等因素有关。其中，所谓加工工艺包括溅射电压、功率或温度等性能。相应的，磁性薄膜的相对磁导率也不仅与该磁性薄膜所采用的材料有关，也与该磁性薄膜的厚度或加工工艺等因素有关。
磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度，是一个表示贯穿一个标准面积的磁通量的物理量，其符号是B，国际单位制导出单位是T。饱和磁感应强度，也就是饱和磁通密度。当给一个磁体施加一个磁场以后，随着磁场强度的增大，磁通密度也随之增大。但是磁通密度有一个极限值，到了这个极限值以后，磁场强度再增大，磁通密度也无法随之增大了，此即为饱和磁通密度。
磁性薄膜的饱和磁感应强度仅仅和磁性薄膜所采用的材料有关。在磁性薄膜所采用的材料确定的情况下，该磁性薄膜的饱和磁感应强度也是确定的。若两个磁性薄膜分别采用不同的材料，则通常来说，这两个磁性薄膜的饱和磁感应强度是不同的。
需要说明的是，前述绝缘层所采用的材料可以是二氧化硅、氮化硅或者其他绝缘的有机材料涂层。
值得注意的是，所谓的多层磁性薄膜的层数是指两层或两层以上。不过，实际应用中，多层磁性薄膜的层数通常是十层以上。
针对“所述多层磁性薄膜至少包括相邻的第一磁性薄膜和第二磁性薄膜，所述第一磁性薄膜嵌套在所述第二磁性薄膜内”的限定。作为本发明的一个实施例，该第一磁性薄膜可以为所述多层磁性薄膜中最内层的磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜211)。作为本发明的另一个实施例，该第二磁性薄膜可以为所述多层磁性薄膜中最外层的磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜214)。作为本发明的再一个实施例，则该第一磁性薄膜不是所述多层磁性薄膜中最内层的磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜212)，且该第二磁性薄膜不是所述多层磁性薄膜中最外层的磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜213)。
若所述多层磁性薄膜的层数为两层，则该第一磁性薄膜必然为最内层的磁性薄膜，且该第二磁性薄膜必然为最外层的磁性薄膜。
在所述多层磁性薄膜的层数为三层的时候，如果该第一磁性薄膜为所述多层磁性薄膜中最内层的磁性薄膜，则最外层磁性薄膜的相对磁导率大于或等于该第二磁性薄膜的相对磁导率。
可选的，该最外层磁性薄膜的相对磁导率和该第二磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于所述第一阈值，且在该最外层磁性薄膜的磁感应强度达到该最外层磁性薄膜的饱和磁感应强度时，该第二磁性薄膜的磁感应强度小于或等于该第二磁性薄膜的饱和磁感应强度。
在所述多层磁性薄膜的层数为三层的时候，如果该第二磁性薄膜为所述多层磁性薄膜中最外层的磁性薄膜，则该第一磁性薄膜的相对磁导率大于或等于该最内层磁性薄膜的相对磁导率。
可选的，该第一磁性薄膜的相对磁导率和该最内层磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于所述第一阈值，且在该第一磁性薄膜的磁感应强度达到该第一磁性薄膜的饱和磁感应强度时，该最内层磁性薄膜的磁感应强度小于或等于该最内层磁性薄膜的饱和磁感应强度。
在所述多层磁性薄膜的层数为四层或四层以上的时候(参见附图2)，如果该第一磁性薄膜为所述多层磁性薄膜中最内层的磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜211)，则位于该第二磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜212)外侧且与该第二磁性薄膜相邻的磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜213)的相对磁导率大于或等于该第二磁性薄膜的相对磁导率，并且，在位于该第二磁性薄膜外侧的每相邻两层磁性薄膜中，外层磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜214)的相对磁导率大于或等于内层磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜213)的相对磁导率，其中在每相邻两层磁性薄膜中，内层磁性薄膜是被嵌套在外层磁性薄膜内的。
可选的，位于该第二磁性薄膜外侧且与该第二磁性薄膜相邻的磁性薄膜的相对磁导率与该第二磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于所述第一阈值，且在位于该第二磁性薄膜外侧且与该第二磁性薄膜相邻的磁性薄膜的磁感应强度达到位于该第二磁性薄膜外侧且与该第二磁性薄膜相邻的磁性薄膜的饱和磁感应强度时，该第二磁性薄膜的磁感应强度小于或等于该第二磁性薄膜的饱和磁感应强度。并且在位于该第二磁性薄膜外侧的每相邻两层磁性薄膜中，外层磁性薄膜的相对磁导率和内层磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于所述第一阈值，且在外层磁性薄膜的磁感应强度达到该外层磁性薄膜的饱和磁感应强度时，内层磁性薄膜的磁感应强度小于或等于该内层磁性薄膜的饱和磁感应强度。
在所述多层磁性薄膜的层数为四层或四层以上的时候(参见附图2)，如果该第二磁性薄膜为所述多层磁性薄膜中最外层的磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜214)，则该第一磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜213)的相对磁导率大于或等于位于该第一磁性薄膜内侧且与该第一磁性薄膜相邻的磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜212)的相对磁导率，并且，在位于该第一磁性薄膜内侧的每相邻两层磁性薄膜中，外层磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜212)的相对磁导率大于或等于内层磁性薄膜(如图2中的磁性薄膜211)的相对磁导率，其中在每相邻两层磁性薄膜中，内层磁性薄膜是被嵌套在外层磁性薄膜内的。
可选的，该第一磁性薄膜的相对磁导率与位于该第一磁性薄膜内侧且与该第一磁性薄膜相邻的磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于所述第一阈值，且在该第一磁性薄膜的磁感应强度达到该第一磁性薄膜的饱和磁感应强度时，位于该第一磁性薄膜内侧且与该第一磁性薄膜相邻的磁性薄膜的磁感应强度小于或等于位于该第一磁性薄膜内侧且与该第一磁性薄膜相邻的磁性薄膜的饱和磁感应强度。并且在位于该第一磁性薄膜内侧的每相邻两层磁性薄膜中，外层磁性薄膜的相对磁导率和内层磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于所述第一阈值，且在外层磁性薄膜的磁感应强度达到该外层磁性薄膜的饱和磁感应强度时，内层磁性薄膜的磁感应强度小于或等于该内层磁性薄膜的饱和磁感应强度。
由上可知，因为在该多层磁性薄膜的每相邻两层磁性薄膜中，内层磁性薄膜均不会先于外层磁性薄膜达到磁饱和，从而解决了现有技术中，由于内层磁性薄膜先于外层磁性薄膜达到磁饱和而导致的该薄膜电感的电感量急剧下降的问题。
作为本发明的一个实施例，在第一磁性薄膜所采用的材料和第二磁性薄膜所采用的材料相同的情况下，为了实现第一磁性薄膜的相对磁导率比第二磁性薄膜的相对磁导率小所述第一阈值以上的目的。可选的，第一磁性薄膜的厚度值大于第二磁性薄膜的厚度值，且第一磁性薄膜的厚度值与第二磁性薄膜的厚度值之间的差值小于或等于第二阈值，其中该第二阈值为该第二磁性薄膜的厚度值的五倍。
参见前述所述，应当知道的是，除了磁性薄膜所选用的材料和磁性薄膜的厚度以外，影响磁性薄膜的相对磁导率的还有其他因素，比如该磁性薄膜的周长和该磁性薄膜的加工工艺等。所以在具体限定第一磁性薄膜的厚度和第二磁性薄膜的厚度时，作为本领域的技术人员应当知道，还需要参考磁性薄膜的周长和该磁性薄膜的加工工艺等其他影响因素。需要说明的是，所谓的磁性薄膜的周长是指该磁性薄膜在第一平面上的截面的周长，该第一平面垂直于自该磁性薄膜的一个开口端向另一个开口端延伸的方向。另外，在第一磁性薄膜和第二磁性薄膜采用相同的材料制成的情况下，第一磁性薄膜的饱和磁感应强度和第二磁性薄膜的饱和磁感应强度是相同的。
应当知道的是，在第一磁性薄膜所采用的材料和第二磁性薄膜所采用的材料相同的情况下，为了实现第一磁性薄膜的相对磁导率比第二磁性薄膜的相对磁导率小所述第一阈值以上的目的。可选的，该第一磁性薄膜和该第二磁性薄膜分别采用不同的加工工艺(如溅射电压、功率和温度等)制备而成。
作为本发明的另一个实施例，在该第一磁性薄膜所采用的材料和该第二磁性薄膜所采用的材料不相同的情况下，可选的，该第一磁性薄膜的厚度值等于该第二磁性薄膜的厚度值。由于影响磁性薄膜的相对磁导率的因素包括磁性薄膜所采用的材料、磁性薄膜的厚度、磁性薄膜的周长以及磁性薄膜的制备工艺等。因为在该第一磁性薄膜所采用的材料和该第二磁性薄膜所采用的材料不相同的情况下，为了实现该第一磁性薄膜的相对磁导率比该第二磁性薄膜的相对磁导率小所述第一阈值以上的目的，可以在限定其他因素相同的情况下，使得该第一磁性薄膜的厚度值等于该第二磁性薄膜的厚度值。从而使得工艺上更加简单且容易实现。
应当知道的是，在该第一磁性薄膜所采用的材料和该第二磁性薄膜所采用的材料不相同的情况下，可选的，该第一磁性薄膜的厚度值和该第二磁性薄膜的厚度值是不同的。这种情况下，就需要通过限定该第一磁性薄膜和该第二磁性薄膜所采用的材料，或者通过限定该第一磁性薄膜和该第二磁性薄膜的周长或加工工艺等，实现该第一磁性薄膜的相对磁导率比该第二磁性薄膜的相对磁导率小所述第一阈值以上的目的。
可选的，所述第二磁性薄膜的相对磁导率的选择需要考虑所述第二磁性薄膜在第一平面上的周长和所述第二磁性薄膜的饱和磁感应强度，其中，第一方向为从所述第二磁性薄膜的一端开口延伸至所述第二磁性薄膜的另一端开口的方向，所述第一平面是所述第二磁性薄膜在沿垂直于所述第一方向的方向上的截面所在的平面。
可选的，所述第一磁性薄膜的相对磁导率的选择需要考虑所述第一磁性薄膜在第一平面上的周长和所述第一磁性薄膜的饱和磁感应强度，其中，第一方向为从所述第一磁性薄膜的一端开口延伸至所述第一磁性薄膜的另一端开口的方向，所述第一平面是所述第一磁性薄膜在沿垂直于所述第一方向的方向上的截面所在的平面。
正如前文所说的，该第一磁性薄膜和该第二磁性薄膜可以采用不同的材料。可选的，该第一磁性薄膜所采用的材料为Ni45Fe55，则该第二磁性薄膜所采用的材料为Ni80Fe20。可选的，该第一磁性薄膜所采用的材料为CoZrO，则该第二磁性薄膜所采用的材料为CoZrTa或Ni80Fe20。可选的，该第一磁性薄膜所采用的材料为CoZrTa，则该第二磁性薄膜所采用的材料为Ni80Fe20。
需要说明的是，在本发明中，所谓的“所述至少一个导电体位于所述多层磁性薄膜中最内层磁性薄膜的内腔中”，具体的，所述至少一个导电体中每一导电体的长度方向均与所述最内层磁性薄膜的长度方向相同。其中，所述最内层磁性薄膜的长度方向是指沿所述最内层磁性薄膜的一端开口延伸到所述最内层磁性薄膜的另一端开口的方向。
应当知道的是，所述至少一个导电体中每一导电体均与所述最内层磁性薄膜的内壁绝缘。也即若导电体是设置在所述最内层磁性薄膜的内壁的，则该导电体和该最内层磁性薄膜的内壁之间间隔有绝缘层。在该所述至少一个导电体的数量为两个以上时，该两个以上导电体之间是相互隔离的。
可选的，在所述至少一个导电体的数量为两个以上时，该两个以上导电体是相同的。
通常，所述至少一个导电体的数量为一个或两个。在该至少一个导电体的数量为两个时，该两个导电体中每一导电体通电后产生的电感量是相同的。
值得注意的是，对于所述多层磁性薄膜中的每层磁性薄膜来说，每层磁性薄膜均包括第一部分和第二部分，如图2所示，所述第二部分通常为平面结构，所述第一部分可以是梯形的，也可以是弧形的(如图1A所示的现有技术中的薄膜电感)等。其中，所述第一部分具有第一端面和第二端面，所述第一端面和所述第二部分的第一区域接触，所述第二端面与所述第二部分的第二区域接触，其中，所述第二部分的第一区域和所述第二部分的第二区域是相隔离的。
应当知道的是，所述第一端面和所述第二部分的第一区域之间可以设有绝缘层。当然，所述第一端面和所述第二部分的第一区域之间也可以不设绝缘层，也即，所述第一端面和所述第二部分的第一区域之间直接物理接触，这样设计的好处是降低磁阻，提高该薄膜电感的电感量。
类似的，所述第二端面和所述第二部分的第二区域之间可以设有绝缘层，也可以不设绝缘层。不设绝缘层的好处也是为了降低磁阻，提高该薄膜电感的电感量。
在本发明中，可选的，所述薄膜磁芯的厚度d1满足条件：0微米<d1≤50微米。所述薄膜磁性的厚度是指所述薄膜磁性的侧壁的厚度，所述薄膜磁性的侧壁的厚度包括所述多层磁性薄膜中每层磁性薄膜的厚度，以及位于每相邻两层磁性薄膜之间的绝缘层的厚度。相应的，所述多层磁性薄膜中每层磁性薄膜的厚度d2满足条件：0微米<d2≤10微米。进一步地，位于每相邻两层磁性薄膜之间的绝缘层的厚度d3满足条件：0微米<d3≤2微米。如此，使得该薄膜电感具有较小的体积，从而实现器件的小型化。
值得注意的是，结合前述公式B＝NIμ0μr/L，容易知道，在位于该薄膜电感内的某一层磁性薄膜的饱和磁感应强度确定，且参数N、I、μ0和L也都确定的情况下，能够确定出对应该饱和磁感应强度的最大磁导率。则通过控制该层磁性薄膜的实际磁导率小于其最大磁导率，既可以实现该层磁性薄膜的实际磁感应强度小于其饱和磁感应强度的目的。
前文多次提及第二磁性薄膜的磁感应强度达到该第二磁性薄膜的饱和磁感应强度，或者，外层磁性薄膜的磁感应强度达到该外层磁性薄膜的饱和磁感应强度。作为本领域技术人员，应当知道的是，在实际设置的时候，会在第二磁性薄膜的最大磁感应强度和该第二磁性薄膜的饱和磁感应强度之间设置一定的余量，也即不会让该第二磁性薄膜那么容易就实现磁饱和的。因为，第二磁性薄膜达到磁饱和也会造成该薄膜电感的感量急剧下降，甚至接近于零的。需要解释的是，所谓的该第二磁性薄膜的最大磁感应强度是指在薄膜电感的正常工作状态下，该第二磁性薄膜能够达到的最大磁感应强度。外层磁性薄膜设置参照第二磁性薄膜的设置，不再重复描述。
参见附图4，图4是本发明提供的电源转换电路920的电路图。该电源转换电路920包括第一开光管922、第二开关管924、电容928和如前述任一实施例所述的薄膜电感926.第一开光管922的一端与第二开关管924的一端相连，薄膜电感926的一端连接在第一开光管922的一端和第二开关管924的一端之间，薄膜电感926的另一端与电容928的一端相连，电容928的另一端与第二开关管924的另一端相连。
在第一开关管922导通且第二开关管924关断的情况下，来自外部电源且流经薄膜电感926的电流将变大；在第一开关管922关断且第二开关管924导通的情况下，电容928两端的电压反向的加载在薄膜电感926上，流经薄膜电感926的电流将变小。
具体的，在第一开关管922导通且第二开关管924关断的情况下，来自外部电源且流经薄膜电感926的电流上升，并经电容928滤波后供应给负载。在第一开关管922关断且第二开关管924导通的情况下，电容928两端的电压反向的加载在薄膜电感926上，流经薄膜电感926的电流开始下降，完成BUCK转换电路中的续流部分。
在本申请提供的电源转换电路中，由于所采用的薄膜电感的内层磁性薄膜先于外层磁性薄膜达到磁饱和，所以该薄膜电感能够正常工作。也即，该薄膜电感的电感量不会骤然下降到接近于零，从而使得采用了该薄膜电感的电源转换电路中的器件不会由于电流过大而烧毁。
可选的，电容928的另一端与第二开关管924的另一端均接地。
容易知道，用在图4所示电源转换电路920中的薄膜电感926是单相薄膜电感，也即只包括一个导电体。如果电源转换电路920中用到的薄膜电感926是两相的，则该电源转换电路还应该包括另一对串联开关管，比如第三开关管和第四开关管，该另一对开关管是用于控制流经另一导电体的电流的大小的，具体请参见附图5。图5所示电源转换电路1000中采用的薄膜电感1005为两相薄膜电感，也即该薄膜电感1005包括两个导电体。进一步的，该薄膜电感1005也为本申请中任一关于薄膜电感的实施例描述的薄膜电感。其中，每一相电源转换电路包括一个导电体和一对开关管。
如图5所示，第一开关管1001的一端和第二开关管1002的一端连接，薄膜电感1005的一相的第一端连接在第一开关管1001和第二开关管1002之间，薄膜电感1005的一相的第二端与电容1006的一端连接；第三开关管1003的一端和第四开关管1004的一端连接，薄膜电感1005的另一相的第一端连接在第三开关管1003和第四开关管1004之间，薄膜电感1005的另一相的第二端与电容1006的一端连接，电容1006的第二端、第二开关管1002的另一端以及第四开关管1004的另一端均接地。
具体的，第一相电源转换电路包括第一开关管1001、第二开关管1002以及薄膜电感1005的一相。在第一开关管10011开始导通且第二开关管1002关断时，直流电流通过薄膜电感1005中与第一开关管1001连接的一相，薄膜电感1005的电流开始上升，并经电容1006滤波后给负载R供电。在第一开关管1001关断且第二开关管1002开始导通时，电容1006上的电压反向加在薄膜电感1005上，薄膜电感1005的电流开始下降，完成BUCK转换电路中的续流部分。
同理，第二相电源转换电路包括第三开关管1003、第四开关管1004以及薄膜电感1005的另一相。在第三开关管1003开始导通且第四开关管1004关断时，直流电流通过薄膜电感1005中与第三开关管1003连接的一相，薄膜电感1005的电流开始上升，并经电容1006滤波后给负载R供电。在第三开关管1003关断且第四开关管1004开始导通时，电容1006上的电压反向加在薄膜电感1005上，薄膜电感1005的电流开始下降，完成BUCK转换电路中的续流部分。
在本实施例中，电源转换电路包括开关管Q1Q2、Q3、Q4和薄膜电感单元L1。具体的，根据负载对电流的要求，可以采用一个或多个如本实施例所述的电源转换电路通过并联的方式实现对负载供电。
进一步地，参见附图6，图6所示为一种芯片内的电路图。该芯片内的电路包括如图4所示电源转换电路920和负载930。沿用前述对图4所示电源转换电路920的描述，在图6所示的芯片的内部电路中，负载930的一端与薄膜电感926的另一端连接，另一端与电容928的另一端连接。电源转换电路920用于接收来自外部电源的电流并对该电流进行转换处理后提供给负载930。
再进一步地，参见附图7，图7所示的电路图相对于图6所示的电路图来说还包括直流电源910。沿用前述对图4所示电源转换电路的描述，在图7所示的电路图中，第一开关管922的另一端与直流电源910的正极连接，所述第二开关管924的另一端与直流电源910的负极连接。具体的，该电源转换电路920用于接收来自直流电源910的电流并对该电流进行转换处理后，供应给该负载930.
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种薄膜电感，其特征在于，所述薄膜电感包括薄膜磁芯和至少一个导电体，所述薄膜磁芯呈两端开口的筒状结构，所述薄膜磁芯包括多层磁性薄膜，每层磁性薄膜均呈两端开口的筒状结构，所述多层磁性薄膜层层嵌套，每相邻两层磁性薄膜之间间隔有绝缘层，所述至少一个导电体位于所述多层磁性薄膜中最内层薄膜磁性的内腔中；
每相邻两层磁性薄膜包括内层磁性薄膜和外层磁性薄膜，所述内层磁性薄膜嵌套在所述外层磁性薄膜内，所述内层磁性薄膜的相对磁导率小于或等于所述外层磁性薄膜的相对磁导率，
所述多层磁性薄膜至少包括相邻的第一磁性薄膜和第二磁性薄膜，所述第一磁性薄膜嵌套在所述第二磁性薄膜内，且所述第一磁性薄膜的相对磁导率小于所述第二磁性薄膜的相对磁导率，且所述第一磁性薄膜的相对磁导率和所述第二磁性薄膜的相对磁导率之间的差值大于或等于第一阈值，所述第一磁性薄膜所采用的材料和所述第二磁性薄膜所采用的材料相同，且所述第一磁性薄膜的厚度大于所述第二磁性薄膜的厚度；其中，在所述第二磁性薄膜的磁感应强度达到所述第二磁性薄膜的饱和磁感应强度的情况下，所述第一磁性薄膜的磁感应强度小于或等于所述第一磁性薄膜的饱和磁感应强度。
2.根据权利要求1所述的薄膜电感，其特征在于，每相邻两层磁性薄膜中，所述内层磁性薄膜的相对磁导率和所述外层磁性薄膜的相对磁导率之间的差值均大于或等于所述第一阈值，其中，在所述外层磁性薄膜的磁感应强度达到所述外层磁性薄膜的饱和磁感应强度的情况下，所述内层磁性薄膜的磁感应强度小于或等于所述内层磁性薄膜的饱和磁感应强度。
3.根据权利要求1所述的薄膜电感，其特征在于，所述第一阈值为50。
4.根据权利要求1至3任一项所述的薄膜电感，其特征在于，所述第一磁性薄膜的厚度值与所述第二磁性薄膜的厚度值之间的差值大于0且小于或等于第二阈值，所述第二阈值为所述第二磁性薄膜的厚度值的五倍。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的薄膜电感，其特征在于，所述至少一个导电体中每一导电体的长度方向与最内层磁性薄膜的长度方向相同，所述最内层磁性薄膜的长度方向为沿所述最内层磁性薄膜的一端开口延伸到所述最内层磁性薄膜的另一端开口的方向；所述至少一个导电体中每一导电体均与所述最内层磁性薄膜的内壁之间是绝缘的；
在所述至少一个导电体为两个以上导电体的情况下，所述两个以上导电体是相互隔离的。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的薄膜电感，其特征在于，所述薄膜电感的每层磁性薄膜均包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一端和第二端，所述第一端和第二端分别和所述第二部分的不同区域相接触。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的薄膜电感，其特征在于，所述第二磁性薄膜的相对磁导率的选择需要考虑所述第二磁性薄膜在第一平面上的周长和所述第二磁性薄膜的饱和磁感应强度，其中，第一方向为从所述第二磁性薄膜的一端开口延伸至所述第二磁性薄膜的另一端开口的方向，所述第一平面是所述第二磁性薄膜在沿垂直于所述第一方向的方向上的截面所在的平面。
8.一种电源转换电路，其特征在于，所述电源转换电路包括第一开关管、第二开关管、电容和如权利要求1至7任一项所述的薄膜电感；
所述第一开关管的一端与所述第二开关管的一端相连，
所述薄膜电感的一端连接在所述第一开关管的一端和所述第二开关管的一端之间，所述薄膜电感的另一端与所述电容的一端相连；所述电容的另一端与所述第二开关管的另一端相连；
在所述第一开关管导通且所述第二开关管关断的情况下，来自外部电源且流经所述薄膜电感的电流将变大；
在所述第一开关管关断且所述第二开关管导通的情况下，所述电容两端的电压反向的加载在所述薄膜电感上，流经所述薄膜电感的电流将变小。
9.一种芯片，包括如权利要求8所述的电源转换电路和负载，所述电源转换电路与所述负载连接，所述电源转换电路用于接收来自外部电源的电流并对所述电流进行转换处理后供应给所述负载。
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