CN111261389A - 复合式功率合成变压器 - Google Patents

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孙亚楠
王小保
李诗华
蒋秉键
曾真
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Abstract

本发明提供一种复合式功率合成变压器，包括：堆叠的多个金属层，每个金属层包括至少一个线圈，同一金属层的不同线圈依次由外向内排列，不同金属层的线圈之间通过线圈连接孔进行连接，位于多个金属层的多个线圈分别构成变压器的初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的多个线圈和所述次级线圈的多个线圈交叉分布，以使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成复合式耦合。本发明能够提高线圈Q值和线圈间的耦合系数，进而提高变压器转换效率。

Description

复合式功率合成变压器
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种复合式功率合成变压器。
背景技术
现有的射频功率合成变压器主要有两种形式，水平耦合变压器或者垂直耦合变压器。两种形式的变压器均采用简单的平面加工工艺，采用水平耦合方式时，各线圈位于同一平面的不同位置，线圈间的寄生电容小，但是互感也较小，当线圈金属层的厚度较小时线圈的Q值(即线圈电感的品质因数)也较低。而且由于趋肤效应，当金属层较厚时，线圈的Q值不会随着金属层厚度的增加而明显增加。采用垂直耦合方式时，各线圈位于不同平面的相同位置，线圈之间距离较近时产生明显的寄生电容，形成容性耦合通路，影响变压器的正常工作，当线圈之间距离较大时，线圈之间的耦合系数较小，变压器的转换效率也较低。而且采用单层金属实现线圈时，线圈的Q值也较低。
因此，现有的射频功率合成变压器至少存在如下技术问题：线圈的Q值较低，线圈间的耦合系数较小，变压器转换效率低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种复合式功率合成变压器，能够提高线圈Q值和线圈间的耦合系数，进而提高变压器转换效率。
本发明提供一种复合式功率合成变压器，包括：堆叠的多个金属层，每个金属层包括至少一个线圈，同一金属层的不同线圈依次由外向内排列，不同金属层的线圈之间通过线圈连接孔进行连接，位于多个金属层的多个线圈分别构成变压器的初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的多个线圈和所述次级线圈的多个线圈交叉分布，以使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成复合式耦合。
可选地，包括两个金属层，各金属层的线圈个数相同且位置重合，所述初级线圈的多个线圈采用垂直并联结合水平并联的方式，所述次级线圈的多个线圈采用垂直并联结合串联的方式，使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成复合式耦合。
可选地，所述次级线圈还包括一个引出抽头连接孔。
可选地，包括两个金属层，各金属层的线圈个数不同且位置交错，所述初级线圈的多个线圈采用串联的方式，所述次级线圈的多个线圈采用串联的方式，使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成多圈错层耦合。
可选地，所述次级线圈还包括一个阻抗调节线圈，用于阻抗匹配。
可选地，包括两个金属层，各金属层的线圈个数不同且位置交错，所述初级线圈的多个线圈采用水平并联的方式，所述次级线圈的多个线圈采用水平并联结合垂直串联的方式，使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成复合式耦合。
可选地，还包括跳线层，用于设置跳线连接线，以实现同一金属层的多个线圈的跳线连接。
本发明提供的复合式功率合成变压器，包括堆叠的多个金属层，每个金属层包括至少一个线圈，同一金属层的不同线圈依次由外向内排列，不同金属层的线圈之间通过线圈连接孔进行连接，位于多个金属层的多个线圈分别构成变压器的初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的多个线圈和所述次级线圈的多个线圈交叉分布，以使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成复合式耦合。与现有技术相比，初级线圈和次级线圈都采用组合线圈的结构，组合线圈的结构是一种多层金属结构，由多层线圈构成，这多层线圈之间既有并联，又有串联，能够提高线圈的Q值和线圈间的耦合系数，进而提高变压器转换效率，同时能够降低工艺变化对变压器性能的影响。
附图说明
图1为本发明的复合式功率合成变压器的一个实施例的结构示意图；
图2为图1所示变压器(只显示四个线圈)的立体连接关系示意图；
图3为图1所示变压器增加引出抽头连接孔的结构示意图；
图4为本发明的复合式功率合成变压器的另一个实施例的结构示意图；
图5为本发明的复合式功率合成变压器的又一个实施例的结构示意图。
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。
本发明实施例提供一种复合式功率合成变压器，包括：堆叠的多个金属层，每个金属层包括至少一个线圈，同一金属层的不同线圈依次由外向内排列，不同金属层的线圈之间通过线圈连接孔进行连接，位于多个金属层的多个线圈分别构成变压器的初级线圈和次级线圈，初级线圈的多个线圈和次级线圈的多个线圈交叉分布，以使初级线圈和次级线圈之间形成复合式耦合。
本发明实施例提供的复合式功率合成变压器，初级线圈和次级线圈都采用组合线圈的结构，组合线圈的结构是一种多层金属结构，由多层线圈构成，这多层线圈之间既有并联，又有串联，能够提高线圈的Q值和线圈间的耦合系数，进而提高变压器转换效率，同时能够降低工艺变化对变压器性能的影响。
为了更加清楚，下面列举出本发明的复合式功率合成变压器的几个具体实施例。
实施例一：
如图1所示，为本发明的复合式功率合成变压器的一个实施例的结构示意图。采用平面加工工艺加工两层金属和一层连接孔，左边浅灰色部分代表图层a，右边黑色部分代表图层b，图层a在下，图层b在上，左边深灰色部分代表图层a和图层b之间的连接孔。为了方便显示，将黑色一层平移开。
a层从外向里依次为线圈11a/线圈12a/线圈13a/线圈14a，共四个线圈，他们在同一个平面，是水平耦合。其中线圈12a和线圈14a相互串联在一起，构成串联关系。
b层从外向里依次为线圈11b/线圈12b/线圈13b/线圈14b，共四个线圈，他们在同一个平面，是水平耦合。其中线圈11b和线圈13b的两端连接在一起，构成并联关系。
将图层b平移到图层a致连接点重合，可得到变压器的立体连接关系。其具体连接关系为：线圈11a/线圈11b/线圈13a/线圈13b并联，构成线圈113，为初级线圈。线圈12a和线圈12b并联，构成线圈12，线圈14a和线圈14b并联，构成线圈14，然后两个并联线圈12和14再串联在一起，构成线圈124，为次级线圈。
基于该连接方式，初级线圈采用垂直并联结合水平并联的方式，是两个金属层的4个线圈并联，次级线圈采用垂直并联结合串联的方式，是两个金属层的4个线圈先两两垂直并联之后再串联到一起。
如果只显示线圈11b\12a\13b\14a四个线圈，重叠之后的变压器结构如图2所示，图2中从外向里依次为线圈11b/线圈12a/线圈13b/线圈14a。
本实施例中的变压器，初级线圈和次级线圈采用组合线圈的结构，由多层线圈构成，这多层线圈之间既有并联关系，又有串联关系，垂直并联的线圈之间的间距较大时，二者之间的互感较小，可以有效降低趋肤效应对整体Q值的影响，提高线圈的Q值。垂直并联的线圈还可以降低线圈的寄生电阻，同时减小线圈的自感。对线圈耦合影响较小，即线圈间互感影响较小，因此，变压器初次级线圈之间的耦合系数更高。将两个以上线圈水平并联在一起，且两个线圈之间有其他线圈。因为这两个线圈之间有一定的间距，相互之间的互感较小，因此，二者并联后可以明显提高并联线圈的Q值，和减小自感。而且交叉分布在并联线圈之间和之外的线圈和并联线圈组之间的互感受影响很小，因此可以提高变压器的耦合系数。因此，垂直并联和水平并联相结合，可以实现很高Q值和很高的耦合系数，进而实现高性能变压器。同时，采用串联金属线圈可以提高线圈的Q值，和增大变压线圈间的匝数比，进而实现高阻抗变换比的变压器。
进一步地，如图3所示，在图1的基础上，在线圈4的中间增加一个连接孔44，可以是平面工艺的连接孔，也可以是平面工艺基础之上的立体封装连接点，该位置可以作为变压器的一个引出抽头，并作为变压器的功率输出端口。另一个临近端口作为变压器的电容端口。
实施例二：
如图4所示，为本发明的复合式功率合成变压器的另一个实施例的结构示意图。左边浅灰色部分代表图层a，右边黑色部分代表图层b，图层a在下，图层b在上，左边深灰色部分代表图层a和图层b之间的连接孔。
a层从外向里依次为线圈21a/线圈22a/线圈23a_w，共三个线圈，他们在同一个平面，是水平耦合。
b层从外向里依次为线圈21b/线圈22b_w/线圈23b/线圈24b，共四个线圈，他们在同一个平面，是水平耦合。
右边部分平移到左边致连接点重合，可得到线圈的立体连接关系。其具体连接关系为：线圈22b_w和线圈23a_w串联，构成初级线圈。线圈21b/线圈21a/线圈22a/线圈23b/线圈24b串联，构成次级线圈。
基于该连接方式，初级线圈采用串联的方式，是两个金属层的两个线圈串联，采用一圈上层金属线圈串联一圈下层金属线圈的方式。次级线圈采用串联的方式，是两个金属层的5个线圈串联，采用两圈上层金属线圈串联两圈下层金属线圈的方式，另外还在次级线圈增加一圈线圈用于阻抗匹配，可以实现更高的阻抗变换比，该线圈作为输出匹配电容的串联电感，同时可用于抑制谐波。
本实施例中的变压器，初级线圈和次级线圈采用多圈错层耦合方式，初级线圈和次级线圈之间既有水平耦合又有垂直耦合。耦合系数更高。
实施例三：
如图5所示，为本发明的复合式功率合成变压器的又一个实施例的结构示意图。左边浅灰色部分代表图层a，中间黑色部分代表图层b，右边灰色部分代表图层c，左边深灰色部分代表图层a和图层b之间的连接孔，中间深灰色部分代表图层b和图层c之间的连接孔。
a层有一个线圈，记为线圈3a。
b层从外向里依次为线圈31b/线圈32b/线圈33b/线圈34b，共四个线圈，他们在同一个平面，是水平耦合。
c层为跳线层，用于设置图层b的跳线连接线，实现图层b的多个线圈的跳线连接。
中间部分和右边部分平移到左边致连接点重合，可得到线圈的立体连接关系。其具体连接关系为：线圈31b/线圈33b水平并联，构成线圈313，为初级线圈。线圈32b和线圈34b水平并联，构成线圈324，然后再和线圈3a垂直串联在一起构成线圈324_a，为次级线圈。
基于该连接方式，初级线圈采用水平并联的方式，是一个金属层的两个线圈水平并联，提高线圈Q值，次级线圈采用水平并联结合垂直串联的方式，是一个金属层的两个线圈水平并联之后和另一金属层的线圈再串联，能够提高线圈Q值，同时提高线圈间的耦合系数和匝数比。
本实施例中的变压器，线圈313和线圈324之间是水平耦合，线圈313和线圈3a之间是垂直耦合。因此，初级线圈和次级线圈之间既有水平耦合，又有垂直耦合，耦合系数更高。
另外说明的是，采用不同的金属实现线圈，Die上的金属容易实现窄线宽，窄间距的线圈，耦合系数高，但是Q值较低。基板上的线圈可以实现高Q值的线圈，但是耦合系数较小。Die(裸片)上的RDL(一种厚金属连接线)可以实现很厚的copper(铜)线圈，结合高阻衬底，可以实现高Q值高耦合系数变压器。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种复合式功率合成变压器，其特征在于，包括：堆叠的多个金属层，每个金属层包括至少一个线圈，同一金属层的不同线圈依次由外向内排列，不同金属层的线圈之间通过线圈连接孔进行连接，位于多个金属层的多个线圈分别构成变压器的初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的多个线圈和所述次级线圈的多个线圈交叉分布，以使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成复合式耦合。
2.根据权利要求1所述的复合式功率合成变压器，其特征在于，包括两个金属层，各金属层的线圈个数相同且位置重合，所述初级线圈的多个线圈采用垂直并联结合水平并联的方式，所述次级线圈的多个线圈采用垂直并联结合串联的方式，使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成复合式耦合。
3.根据权利要求2所述的复合式功率合成变压器，其特征在于，所述次级线圈还包括一个引出抽头连接孔。
4.根据权利要求1所述的复合式功率合成变压器，其特征在于，包括两个金属层，各金属层的线圈个数不同且位置交错，所述初级线圈的多个线圈采用串联的方式，所述次级线圈的多个线圈采用串联的方式，使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成多圈错层耦合。
5.根据权利要求4所述的复合式功率合成变压器，其特征在于，所述次级线圈还包括一个阻抗调节线圈，用于阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的复合式功率合成变压器，其特征在于，包括两个金属层，各金属层的线圈个数不同且位置交错，所述初级线圈的多个线圈采用水平并联的方式，所述次级线圈的多个线圈采用水平并联结合垂直串联的方式，使所述初级线圈和所述次级线圈之间形成复合式耦合。
7.根据权利要求6所述的复合式功率合成变压器，其特征在于，还包括跳线层，用于设置跳线连接线，以实现同一金属层的多个线圈的跳线连接。
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