CN107452465A - 低剖面功率电感器 - Google Patents

Abstract

一种用于电路板的电磁组件，其包括第一磁芯件及第二磁芯件以及在所述第一磁芯件与所述第二磁芯件之间延伸的双线线圈。所述双线线圈包括具有第一及第二表面安装端子的第一线圈段，及具有第三及第四表面安装端子的第二线圈段。所述双线线圈及芯件促进所述组件中的显著高度减少同时提供与现有功率电感器组件相同的效能。

Description

低剖面功率电感器

背景技术

本发明的领域大体上涉及例如电感器的电磁组件，且更确切地说涉及用于电路板应用的小型化表面安装功率电感器组件。

将功率电感器用于电源管理应用及电路板上的电力管理电路以用于对大量电子装置(包含但不必限于手持式电子装置)供电。功率电感器经设计以经由流经一或多个导电绕组的电流感应磁场且经由在与绕组相关联的磁芯中产生磁场来存储能量。当电流穿过绕组时，功率电感器还将所存储的能量返回到相关联电路，且可(例如)从迅速地切换电源提供经调节功率。

产生日益大功率化但更小的电子装置的近期趋势已引起对电子装置行业的诸多挑战。例如智能电话、个人数字助理(PDA)装置、娱乐装置及便携式计算机装置(仅举几例)的电子装置目前广泛地由大量且数目增长的用户拥有及操作。此类装置包含允许此类装置与多个通信网络(包含(但不限于)网际网路)以及其它电子装置互连的印象深刻且迅速扩展的特征阵列。使用无线通信平台的快速信息交换可能使用此类装置，且对于类似于企业及个人用户来说此类装置已变得非常方便且流行。

对于此类电子装置所需的电路板应用的表面安装组件制造商，挑战为提供日益小型化组件以便最小化电路板上由组件占据的面积(有时被称作组件“占据面积”)以及在平行于电路板平面的方向上所测量的其高度(有时被称作组件“剖面”)。通过减少占据面积及剖面，用于电子装置的电路板组装件的大小可减小及/或电路板上的组件密度可增加，这允许降低电子装置自身的大小或提高具有类似大小的装置的能力。在高度竞争性的市场中，以具成本效益的方式小型化电子组件已引入对电子组件制造商的多个实际挑战。归因于极其需要电子装置所需的高容量组件，制造组件中的成本降低已引起电子组件制造商的极大实际关注。

为了满足对电子装置(尤其手持式装置)的逐渐增加的需求，不仅需要每一代电子装置更小，而且还需要提供增加的功能特征及能力。因此，电子装置必须为日益大功率化的装置。对于提供能量存储及调节能力的一些类型的组件(例如磁性组件)，满足增加的功率要求同时继续减小已经相当小的组件大小已证实具挑战性。

附图说明

参考以下图式描述非限制性且非详尽性实施例，其中除非另外指定，否则类似参考标号贯穿各图指代类似部分。

图1是用于电路板的例示性参考功率电感器的透视图。

图2是用于根据本发明之实施例的电路板的例示性低剖面功率电感器的分解图。

图3是用于图2中所示的功率电感器的第一芯件的透视图。

图4是用于图2中所示的功率电感器的第二芯件的透视图。

图5是用于图2中所示的功率电感器的第一例示性线圈段的透视图。

图6是用于图2中所示的功率电感器的第二例示性线圈段的透视图。

图7是图2中所示的功率电感器的第一透视组装图。

图8是图2中所示的功率电感器的第二透视组装图。

具体实施方式

下文针对具有较低剖面的较高电流及功率应用描述发明性电磁电感器组件组装件及构造的例示性实施例，该等应用即使并非不可能，也难以使用常规技术实现。与其它已知小型化功率电感器构造相比较，例如功率电感器组件的电磁组件及装置还可以用降低的成本得以制造。与所描述的装置相关联的制造方法及步骤部分显而易见且部分特定地在下文中描述，但被认为完全处于所属领域的技术人员的范围内而无需进一步解释。

图1是表面安装电磁组件100的第一例示性实施例的顶部透视图，该表面安装电磁组件被配置为功率电感器组件，但其它类型的电磁组件可受益于下文描述的教示，包含(但不限于)除功率电感器外的电感器组件，以及包含变压器组件。

如图1所示，组件100通常包含由第一芯件104及第二芯件106界定的磁芯102。线圈绕组108部分地含于第一芯件104和第二芯件106中的每一者的对应部分中且包含用于与电路板110建立电连接的平坦表面安装端子。在组合中，芯件104、106沿第一尺寸(例如笛卡尔坐标系统的x轴)赋予磁芯102的总长度L₁。每一芯件104、106还具有沿垂直于第一轴的第二尺寸(例如笛卡尔坐标系统的y轴)测量的宽度W₁，及沿垂直于第一轴和第二轴的第三尺寸(例如笛卡尔坐标系统的z轴)测量的高度H₁。在图1中示出的实例中，组件100的尺寸L₁是约10mm，尺寸W₁是约7mm，且尺寸H₁是约10mm。

组件100能够处置超过常规电磁组件构造的极限的较高电流较高功率应用，且在利用(例如)已知焊接技术经由导电电路迹线112、114表面安装到电路板110时适用作功率电感器。所示出的组件100具有约330nH的例示性断路电感(OCL)、约0.185mΩ的直流电阻(DCR)及约30A、20％滚降的饱和电流I_sat。相对于具有类似效能的常规功率电感器，组件100在高度尺寸方面是较低剖面的。尽管需要组件剖面的进一步降低，然而，在不影响组件效能的情况下这样做呈现实际挑战且迄今为止是难以实现的。

出于当前描述起见，功率电感器组件100在本文中被称作具有上文尺寸L₁、W₁及H₁及例示性OCL、DCR及I_sat值的参考组件。对于进一步减小组件100的剖面(H₁尺寸)同时提供类似尺寸W₁、及H₁(即，板100上的组件的大约相同占据面积)及类似例示性OCL、DCR及I_sat值的挑战由如下文所描述本发明的例示性实施例满足。电路板组装件及相关联装置的进一步空间节省及大小减小相应地在不损害组件的效能的情况下实现。

图2以分解图展示根据本发明的例示性实施例形成的电磁组件组装件200，且图7及8以经组装形式展示电磁组件组装件200。组件组装件200包含由第一磁芯件204(在图3中单独展示)、第二磁芯件206(在图4中单独展示)及在第一磁芯件204与第二磁芯件206之间延伸的双线线圈208制造的磁性主体202。

双线线圈208包含第一线圈段210(在图5中单独展示)及第二线圈段218(在图6中单独展示)，所述第一线圈段包含第一平面线圈绕组212及第一表面安装端子214和第二表面安装端子216，所述第二线圈段包含第二平面线圈绕组220及第三表面安装端子222和第四表面安装端子224。双线线圈208有助于相对于组件组装件100显著降低组件组装件200的剖面，且芯件204、206有助于组件组装件200的相对简单的和经济的构造。

第一芯件204和第二芯件206各自利用已知技术(例如粒状磁性颗粒的成型)由铁氧体材料或柔软磁性颗粒材料形成及制造，以产生所需形状(例如图式中所示和下文进一步描述的实例形状)。用于制造芯件204、206的柔软磁性粉末颗粒可以包含铁氧体颗粒、铁(Fe)颗粒、铁硅铝(Fe-Si-Al)颗粒、MPP(Ni-Mo-Fe)颗粒、镍铁(Ni-Fe)颗粒、铁硅合金(Fe-Si合金)颗粒、铁基非晶粉末颗粒、钴基非晶粉末颗粒和此项技术中已知的其它适合材料。必要时还可以利用此类磁性粉末颗粒材料的组合。可使用已知方法和技术获得磁性粉末颗粒。任选地，磁性粉末颗粒可涂布有绝缘材料，使得芯件204、206可拥有所谓的分布式间隙性质以有助于功率电感器应用中的能量存储。物理间隙还可以提供于磁性主体202中，如下文出于功率电感器的能量存储目的所描述。

第一芯件204(图2和3)通常包含具有大体上矩形形状的平坦和平面基底230。所展示实例中的基底包含第一纵向侧缘232、与第一纵向侧缘232相对第二纵向侧缘234、第一横向侧缘236(图3)及与第一横向侧缘236相对的第二横向侧缘238(图2)。侧缘232、234、236、238经布置大体上垂直于彼此。

第一芯件204还包含在基底230的横向侧缘236、238上彼此相对的直立横向侧壁240、242。横向侧壁240、242在基底230上方延伸且在其间界定开口，所述开口的形状和尺寸经设定接纳双线线圈208，如下文中进一步描述。在示出的实例中，每一横向侧壁240、242还包含对应的笔直部分244、246和弯曲部分248、250。弯曲部分248、250在向内方向上弯曲，使得弯曲部分248、250的对应端部252、254大体上面向彼此。然而，弯曲部分248的端部252、254彼此隔开，从而在基底230的纵向侧缘234上方界定第一开口256。在基底230的纵向侧面232上，横向侧壁240、242的直线部分244、246在基底230的纵向侧缘232上方界定第二开口258。可见开口258大于开口256。基底230的纵向侧缘232还相对于横向侧壁240、242的端缘凹陷，且所述凹陷界定一空间以在组件经组装时接纳表面安装端子214、216、222、224。

第一芯件204还包含在横向侧壁240与242之间及在基底230上方延伸的导引突起件260。导引突起件260有助于双线线圈208的组装以及在双线线圈208内部提供额外磁芯区域以供提高效能。在示出的实例中，导引突起件260在剖面中为大体上具有圆角的矩形。此外，导引突起件在所描绘的实施例中为几乎正方形的，其中突起件260的横向侧面(所述侧面平行于横向侧壁240、242的直线部分244、246)比突起件260的纵向侧面短大约1mm。导引突起件260进一步具有突起件的横向侧面纵向侧面相接的圆角。

第二芯件206(图2和4)经形成且制造为具有如所示的大体上矩形形状的大体上平坦且平面元件。类似于芯件204的基底230，芯件206包含第一纵向侧缘270、与第一纵向侧缘270相对的第二纵向侧缘272、第一横向侧缘274及与第一横向侧缘274相对的第二横向侧面缘276。侧缘270、272、274、276经布置大体上垂直于彼此。与不对称的芯件204不同，第二芯件206是对称的板状元件。然而，应认识到，所描述的例示性芯形状仅为例示性的，且在另一实施例中，芯件类似地彼此以不对称的或对称的形状成形。

现参考图5，双线线圈208的第一线圈段210包含延伸为U形元件的第一平面线圈绕组212，所述第一平面线圈绕组具有大体上线性地延伸的第一部分280和从第一部分280的对应端部彼此隔开但大体上平行定向延伸的两个部分282、284。第一平面线圈绕组212进一步包含由边缘286、288、290界定且在其间圆形过渡的内周边，所述边缘在形状和尺寸中与第一芯件204中的导引突起件260互补。因此，内周边缘286、288、290可用所需定向接纳于导引突起件260的对应侧缘上。第一平面线圈绕组212进一步包含由直线边缘292、294和弯曲边缘296、298界定的外周边，所述边缘在形状和尺寸中与芯件204的横向侧壁240、242的内周边上的直线部分244、246和弯曲部分248、250互补。藉助于第一芯件204与第一平面线圈绕组212的外周边互补的直线和弯曲边缘，当直线部分与弯曲部分恰当地对准时，第一线圈段210可能仅组装有芯件204。

所示出的实例中的表面安装端子214、216与第一平面线圈绕组212一体地形成，且以与第一平面线圈绕组212的平面基本上垂直的关系延伸。因此，在示出的实例中，第一平面线圈绕组212在大体上水平平面中延伸，而表面安装端子214、216在大体上垂直平面中延伸。表面安装端子214、216还包含向内相对耳片300、302，其赋予表面安装端子214、216L形外观。耳片300、302在端子214、216的底部上提供扩大的表面区域以用于安装电路板400(图8)。

现参考图6，双线线圈208的第二线圈段218包含延伸为U形元件的第二平面线圈绕组220，所述第一平面线圈绕组具有大体上线性地延伸的第一部分310和从第一部分310的对应端部彼此隔开但大体上平行定向延伸的两个部分312、314。在与部分310相对的每一部分312、314的远端处，第二线圈段218包含向内悬垂部分316、318，表面安装端子222、224从所述向内悬垂部分下垂。与仅具有如图5所示的三个侧面的第一线圈段218相比，悬垂部分316、318组合界定第二线圈段218的第四侧面。

第二平面线圈绕组220进一步包含由边缘320、322、324、326、328界定且在其间圆形过渡的内周边，所述边缘在形状和尺寸中与第一芯件204中的导引突起件260互补。因此，内周边缘320、322、324、326、328可用所需定向接纳于导引突起件260的对应侧缘上。第二平面线圈绕组220进一步包含由弯曲边缘330、332界定的外周边，所述弯曲边缘在形状和尺寸中与第一芯件204的横向侧壁240、242的内周边上的弯曲部分248、250互补。藉助于第一芯件204的弯曲边缘和第一平面线圈绕组212的外周边，当直线部分与弯曲部分恰当地对准时，第一线圈段210可能仅组装有芯件204。

所示出的实例中的表面安装端子222、224与第二平面线圈绕组220一体地形成，且以与第二平面线圈绕组220的平面基本上垂直的关系延伸。因此，在示出的实例中，第二平面线圈绕组220在大体上水平平面中延伸，而表面安装端子222、224在大体上垂直平面中延伸。与线圈段210(图5)相比较，第二平面线圈绕组220的端子222、224彼此仅略微间隔开。还比较线圈段210与218，平面线圈绕组212、220的外周边是不同的。

包含上文所描述的线圈段210、218的双线线圈208有时被称作具有预成型线圈段的预成型线圈。如图2、5和6中所见，线圈段210、218可由经冲压或以其它方式形成为所展示和描述的例示性形状的电气导电材料或导电金属合金薄板制造。在制造组件时，预成型线圈段210、218区别于弯曲成形或以其它方式在芯件的外表面上方或周围形成为其最终形状的线圈绕组。预成型线圈段是有利的，这是因为在芯件的外表面周围弯曲或塑形线圈可能使相对易碎的芯件破裂且损害所建构装置的效能和安全性。当芯件变得日益小型化以符合现代电子装置的需要时尤其如此。双线线圈208的预成型在其它方面中同样有利。具体地说，预成型双线线圈208可单独地由芯件204和206形成和制造，且可经提供用于最后组装而无需进一步塑形组成部分中的任一者，从而减少或消除非预成型线圈必需的组装步骤和方法。

当经组装到第一芯件204以完成双线线圈208时，线圈段218的第二平面线圈绕组220首先通过将第二平面线圈绕组220的内周边装配在第一芯件的导引突起件260的互补侧表面上204而应用于第一芯件204。第二平面线圈绕组220大体上安装在第一芯件204的基底230上，且表面安装端子222、224如图2、7和8中所见在第一芯件204的基底230的侧缘232上延伸。

在第二平面线圈绕组220处于第一芯件204上的适当位置后，线圈段210的第一平面线圈绕组212通过将第一平面线圈绕组212的内周边装配在第一芯件204的导引突起件260的互补侧表面上而应用于第一芯件204。第一平面线圈绕组210大体上安装且上覆于第二平面线圈绕组220上。表面安装端子214、216如图2、7和8中所见在第一芯件204的基底230的侧缘232上延伸。因此，第一平面线圈绕组212和第二平面线圈绕组220的内周边在第一芯件204的导引突起件260周围彼此对准。

任选地，代替上文所描述的组装，第一线圈段212和第二线圈段218可首先组装到彼此且随后共同地插入第一芯件204的导引突起件160上。在不同实施例中，第一线圈段212和第二线圈段218也可在组装到芯件204之前或组装到芯件204之后彼此接合。

在双线线圈208经组装后，第一表面安装端子214、第二表面安装端子216、第三表面安装端子222和第四表面安装端子224均如所展示在第一磁芯件204的第一侧缘上延伸。第三表面安装端子222和第四表面安装端子224处于第一表面安装端子214与第二表面安装端子216之间。在所展示的实例中，第三表面安装端子222和第四表面安装端子224还从第一表面安装端子214和第二表面安装端子216偏移。也就是说，与第一表面安装端子214和第二表面安装端子216相比，第三表面安装端子222和第四表面安装端子224在第一侧缘232上从第一芯件204更远地延伸。双线线圈208的一部分经由开口256(图2和4)暴露于第一芯件204的背侧上。

第二芯件206随后组装在第一芯件204上以完成组件200的组装。第二芯件206位于第一芯件204的顶部上。在组装中，间隙或空间产生于第二线圈段212与第一芯件204之间。并且，物理间隙350可形成于芯件204与206之间。举例来说，可通过使得中心导引突起件260的高度略大于第一芯件204的横向侧壁240、242的高度实现间隙350。在同样可任选地采用的任何其它实施例中，物理间隙的其它变化是可能的。物理间隙有助于组件200中的能量存储，使得在预期实施例中组件200是合适的功率电感器。芯件204、206和双线线圈208可以任何已知方式接合在适当位置以完成组件制造。

在组件200经完全组装后，其可如图8中所示安装到电路板400。第一表面安装端子214和第三表面安装端子222各自连接到电路板400上的第一电路迹线402，而第二表面安装端子216和第四表面安装端子224各自连接到电路板400上的第二电路迹线404。因此，第一线圈段212和第二线圈段220在第一芯件204内部并联电连接。双线线圈208和线圈段212、214在第一芯件204内部组合地完成电感器绕组的单匝。归因于线圈段在电路板400的x,y平面中的相对大小，双线线圈208在使用中向组件100提供充分电感。

类似于组件100(图1)，组件200能够处置超过常规电磁组件构造的极限的较高电流、较高功率应用，且当以已知方式安装到电路板400时适用作功率电感器。

在一个预期实施例中展示和描述的组件200具有约10mm的尺寸L₁，尺寸W₂为约7.5mm，且尺寸H₂为约4.94mm，其具有约327nH的例示性断路电感(OCL)、约0.185mΩ的直流电阻(DCR)及约30A、23.7％滚降的饱和电流I_sat。相比组件100(图1)来说，如下文表1中所示的这些参数几乎相同。

表1

组件

长度

宽度

高度

OCL

DCR

Isat

100

10mm

7mm

10mm

330nH

0.185mΩ

30A

200

10mm

7.5mm

4.94mm

327nH

0.185mΩ

30A

明显地，且如还在表1中可见，组件200相对于组件100在高度尺寸方面具有低得多的剖面。组件200具有与组件100(图1)几乎相同的长度和宽度尺寸，但高度尺寸低超过50％，否则提供与组件100相等的效能。组件200可借助于上文所描述的构造以相对较低的成本和较高安全性制造。

鉴于所揭示的例示性实施例，所揭示的本发明概念的益处和优点目前被认为已充分地表明。

用于电路板的电磁组件已经揭示包含第一磁芯件、第二磁芯件和在第一磁芯件与第二磁芯件之间延伸的双线线圈，其中所述双线线圈包括包含第一及第二表面安装端子的第一线圈段和包含第三和第四表面安装端子的第二线圈段。

任选地，第一、第二、第三和第四表面安装端子可在第一磁芯件的第一侧缘上延伸。第一磁芯件可以包含与第一侧缘相对的第二侧缘，且所述第二侧缘可暴露双线线圈的一部分。第三和第四表面安装端子可位于第一表面安装端子与第二表面安装端子之间。第三和第四表面安装端子可从第一和第二表面安装端子偏移。

作为其它选项，第一线圈段可以包含第一平面线圈绕组，且第二线圈段包含第二平面线圈绕组，其中第一线圈段上覆于第二线圈段。第一平面线圈绕组可界定第一内周边，且第二平面线圈绕组可界定第二内周边，其中所述第一内周边与所述第二内周边对准。第一磁芯件可以包含导引突起件，导引突起件具有外周边，且对准的第一及第二内周界接纳于所述导引突起件的外周边上。第二磁芯件可为大体上平面的。第一平面线圈绕组可界定第一外周边，且第二平面线圈绕组可界定第二外周边，其中所述第一外周边与所述第二外周边不同。

根据权利要求1所述的电磁组件可与电路板组合，其中第一线圈段与第二线圈段并联电连接。

第一磁芯件可任选地包含相对侧壁，所述相对侧壁中的每一者包含直线部分和弯曲部分。第一和第二相对侧壁中的每一者的弯曲部分可向内朝着彼此弯曲。第一磁芯件和第二磁芯件可彼此不同地成形。第一磁芯件可为对称的，且第二磁芯件是不对称的。

双线线圈可完成电感器绕组的单匝。双线线圈可从第一和第二磁芯件预成型。第一、第二、第三和第四表面安装端子可与双线线圈一体地形成。组件可具有小于约5mm的高度尺寸。组件可为功率电感器。

此书面说明书使用实例来揭示本发明，包含最佳模式，并且还使得所属领域的技术人员能够实践本发明，包含制造和使用任何装置或系统并且执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，并且可以包含所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包含与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (15)

1.一种用于电路板的电磁组件，其包括：

第一磁芯件；

第二磁芯件；和

双线线圈，其在所述第一磁芯件与所述第二磁芯件之间延伸，其中所述双线线圈包括包含第一及第二表面安装端子的第一线圈段及包含第三及第四表面安装端子的第二线圈段。

2.根据权利要求1所述的电磁组件，其中所述第一、第二、第三及第四表面安装端子在所述第一磁芯件的第一侧缘延伸。

3.根据权利要求2所述的电磁组件，其中所述第一磁芯件包括与所述第一侧缘相对的第二侧缘，且所述第二侧缘暴露所述双线线圈的一部分。

4.根据权利要求2所述的电磁组件，其中所述第三及第四表面安装端子定位在所述第一表面安装端子与所述第二表面安装端子之间且从所述第一表面安装端子及所述第二表面安装端子偏移。

5.根据权利要求1所述的电磁组件，其中所述第一线圈段包含界定第一内周边的第一平面线圈绕组，且所述第二线圈段包含界定第二内周边的第二平面线圈绕组，所述第一平面线圈绕组上覆于所述第二平面线圈绕组，且所述第一内周边与所述第二内周边对准。

6.根据权利要求5所述的电磁组件，其中所述第一磁芯件包括导引突起件，所述导引突起件具有外周边，所述经对准第一及第二内周边接纳于所述导引突起件的所述外周边上。

7.根据权利要求6所述的电磁组件，其中所述第一平面线圈绕组界定第一外周边，且所述第二平面线圈绕组界定第二外周边，所述第一外周边与所述第二外周边不同。

8.根据权利要求1所述的电磁组件，其中所述第一磁芯件包括相对侧壁，所述相对侧壁中的每一者包含直线部分及弯曲部分，所述第一和第二相对侧壁中的每一者的所述弯曲部分向内朝着彼此弯曲。

9.根据权利要求1所述的电磁组件，其中所述第一磁芯件是对称的，且其中所述第二磁芯件是不对称的。

10.根据权利要求1所述的电磁组件，其中所述双线线圈完成电感器绕组的单匝。

11.根据权利要求1所述的电磁组件，其中所述双线线圈从所述第一和第二磁芯件预成型。

12.根据权利要求11所述的电磁组件，其中所述第一、第二、第三及第四表面安装端子与所述双线线圈一体地形成。

13.根据权利要求1所述的电磁组件，其中所述组件具有小于约5mm的高度尺寸。

14.根据权利要求1所述的电磁组件，其中所述组件是功率电感器。

15.根据权利要求1所述的电磁组件，其与所述电路板组合，且其中所述第一线圈段及所述第二线圈段并联电连接。