CN111903221B

CN111903221B - 一种多股印制线并绕和换位的pcb螺旋电感

Info

Publication number: CN111903221B
Application number: CN200910125307.3A
Authority: CN
Inventors: 李毅; 赵治华; 唐健; 潘启军; 孟进; 张磊; 肖欢; 李文禄
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2029-12-31

Abstract

本发明公开了一种多股印制线并绕和换位的PCB螺旋电感。这种PCB螺旋电感采用多股印制线并绕，并在选定的某些位置将印制线换位。换位位置和换位方法遵循使每股印制线所经过的路径的长度、形状以及其所包围的面积基本一致的原则。印制线多股并绕，使印制线的有效截面积增加，降低了损耗。多股印制线之间的换位，使每股印制线的电阻基本一致。这样每股印制线上的电流密度基本一致，避免了内侧印制线电流密度大，外侧印制线电流密度小的问题，从而降低了损耗，增大了电感量。本发明适合于制作通过电流较大，高频损耗较小的PCB螺旋电感。

Description

一种多股印制线并绕和换位的PCB螺旋电感

技术领域

本发明涉及一种多股印制线并绕和换位的PCB螺旋电感，尤其适用于制作通过电流较大，高频损耗较小的PCB螺旋电感。

背景技术

延时技术是通信工程中的常用技术。最简单的延时方法就是接入一定长度的电缆来延时信号。当需要的时延较短时，这种方法简单有效。当延时较长时，需要很长的电缆，不但体积大、笨重，且损耗较大。而市售的延时器件一般能通过的功率较小，损耗较大，不适合于延时较大功率的信号。因此有必要研制能通过较大功率，同时损耗较小延时器件。

一种简单的延时器件就是用集总的电感和电容串并联构建的电路，它的实质是用集总参数来模拟电缆的分布参数。其中制作集总电感就是很关键的一环。

采用手工绕制螺线管电感，不但绕制繁琐，而且电感一致性差，不便于批量生产。用PCB板、硅片或陶瓷基片制作平面螺旋电感或多层螺旋电感，电感一致性好，体积小，便于批量生产。但电感需要通过较大电流时，为减小损耗，印制线需要加厚加宽。在高频段，当印制线厚度和宽度增加到一定程度后，继续增厚增宽，电感的串联电阻改善有限。这是因为印制线存在欧姆损耗和涡流损耗。前者由金属导体材料的有限电导率引起；后者由涡流电流引起。在高频段，涡流损耗比欧姆损耗更大。因此，在高频段，降低涡流损耗变得很重要。

涡流损耗主要由导体的集肤效应和螺旋电感相邻印制线之间的邻近效应引起的。图1中，从下到上表示由内到外构成电感线圈的三条金属边，I1为电感线圈中流过的交流电流。由法拉第定律可知，此电流会产生一个交变磁场B1，该磁场是由三条平行的金属导体所感应的磁场叠加后的总磁场，越靠近电感线圈的中心，强度越大。而B1会在线圈内部产生涡旋电流I2，而此交变电流I2又将产生一交变磁场B2。由楞次定律可知，为了阻碍交变磁场的变化，交变磁场的方向B2将与交变磁场B1相反。因此，总磁场强度将变小。在线圈靠近内侧的一边，I2与I1的方向相同，电流密度变大；在线圈靠近外侧的一边，I2与I1方向相反，电流密度变小。导体中的涡流使导体截面的电流密度分布不均匀，从而产生集肤效应和邻近效应。集肤效应是由单个导体自感引起的。邻近效应是由相邻导体的磁场互相作用引起的。根据上述分析，要减小涡流损耗，可减小邻近效应对导体中电流分布的影响。由于螺旋电感中的电流主要分布于印制线的内侧，导致印制线的有效截面积大大减小，同时电感量也减小。因此，在高频时加宽印制线对减小电感的串联电阻作用有限。

目前已有降低螺旋电感的涡流损耗的一些方法。如螺旋电感内径不能很小，要与外径成一定比例；螺旋电感采用线宽与间距之比渐变的结构等。综合采用这些方法能降低了螺旋电感的涡流损耗。对于要通过较大电流的螺旋电感，由于线宽较宽，采用上述措施降低损耗的效果不如线宽较窄的螺旋电感明显。因此，有必要研制一种能通过较大电流，同时损耗较小的PCB螺旋电感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能通过较大电流，损耗较小的PCB螺旋电感。

实现本发明方法的技术方案为：将单股印制线绕制的PCB螺旋电感改用多股窄印制线并绕，并在某些位置将并绕的多股印制线换位。换位位置和换位方法遵循使每股印制线所经过的路径的长度、形状以及所包围的面积基本一致的原则。

本发明的技术效果体现在：

(1)采用多股窄印制线并绕替代单股宽印制线绕制的PCB螺旋电感，使印制线的有效截面积增加，降低了涡流损耗。

(2)将并绕的印制线换位，使并绕的每股印制线所经过的路径的长度、形状以及所包围的面积基本一致，从而使每股印制线的电阻基本一致。这样每股印制线上的电流密度基本一致，避免了内侧印制线电流密度大，外侧印制线电流密度小的问题，从而减小了损耗，增大了电感量。

附图说明

图1是螺旋电感线圈中的电流与涡流示意图；

图2是本发明中单股印制线PCB螺旋电感改用4股印制线并绕的PCB螺旋电感示意图；

图3是本发明中4股印制线并绕的螺旋电感换位示意图；

图4是4股印制线并绕的4层PCB螺旋电感换位示意图。

具体实施方式

图2是本发明中单股印制线PCB螺旋电感改用4股印制线并绕的PCB螺旋电感示意图。图2左侧是单股宽印制线绕制的PCB螺旋电感，右侧是用4股窄印制线并绕的PCB螺旋电感。印制线并绕时保持印制线之间的间距相等。4股印制线在电感的引线端才连接在一起。制作PCB螺旋电感时可依据实际情况决定并绕印制线的股数。

螺旋电感用4股印制线并绕和换位情况如图3所示。为简单起见，螺旋线只画了一圈。图3中用4股印制线并绕，换位位置取在从螺旋线的起始位置绕至其螺旋线总长度的1/4，2/4，3/4长度处。在图3中，从外侧到内侧的印制线的标号依次为①、②、③和④。由图3可见，在i、ii和iii换位点，印制线都是由①换到④，②换到①，③换到②，④换到③。经过三次换位，印制线a、b、c和d经过的路径依次为①④③②，②①④③，③②①④和④③②①。因此，印制线a、b、c和d的长度基本一致，所围面积基本一致。这是4股印制线并绕时的换位位置和换位规则。当n股印制线并绕时，需换位n-1次。换位的位置取在从螺旋线的起始位置绕至其螺旋线总长度的i/n长度处，其中螺旋线的总长度不含螺旋线的引线端的长度，n为大于1的整数，i＝1，2，…，n-1。换位的规则为：并绕的n股印制线从外侧到内侧的标号依次是1到n，则在每个换位位置，第1号印制线连到下一段的第n号印制线，第2，3，…，n号印制线分别与下一段的第1，2，…，n-1号印制线相连，其中n为大于1的整数。

多股印制线并绕和换位的PCB螺旋电感的实施例如图4所示。图4是4股印制线并绕和换位的4层PCB螺旋电感，其入端和出端都有一截引线与螺旋线相连。由于4层PCB螺旋线有3次用过孔连接相邻两层的螺旋线的情况，可借此位置换位。图4中并绕的印制线由外圈到内圈的标号分别为1，2，3和4.每根印制线在a，b和c三个位置换位。PCB板的顶层位置a与PCB板的中间第一层位置a稍微错开一些，便于这两层印制线之间的换位走线。同样，PCB板的中间第一层位置b与PCB板的中间第二层位置b，PCB板的中间第二层位置c与PCB板的底层位直c都要错开一些。线与线之间的换位方法与图3所示同，即在每个换位点由1换到4，2换到1，3换到2，4换到3。

Claims

1.一种多股印制线并绕和换位的PCB螺旋电感，其特征在于：所述的PCB螺旋电感采用n股印制线并绕，只在电感的两个引线端将n股线连接在一起；所述的n股印制线并绕时进行n-1次换位，换位的n-1个位置取在从螺旋线的起始位置绕至其螺旋线总长度的i/n长度处，其中螺旋线的总长度不含螺旋线的引线端的长度；所述的n-1次换位的规则是并绕的n股印制线从外侧到内侧的标号依次是1到n，则在每个换位位置，第1号印制线连到下一段的第n号印制线，第2，3，…，n号印制线分别与下一段的第1，2，…，n-1号印制线相连，其中n为大于1的整数，i＝1，2，...，n-1。