CN113192721A - 基于印制电路板的电感结构、包含该结构的柔性多层印制电路板及包含该结构的变压器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于印制电路板的电感结构，包括不导电的基板，基板一侧表面印制有K条上导线段，基板上设有若干贯通的过孔；基板另一侧表面印制有若干条通过各个过孔中孔壁上的导电层与相应上导线段逐个连接的下导线段；最外部走线的上导线段通过相应过孔与最内部走线的下导线段相连通；越靠近边缘走线的的上导线段通过相应过孔与越靠近内部走线的下导线段相连通；最内部走线的上导线段通过相应过孔与最外部走线的下导线段相连通。本结构通过分裂式导体增加导线的载流能力、通过接近等长的线路强制均流以增加直流电感，从而使得在更小面积基板上能够获得更大电感。本发明还公开了包含该结构的柔性多层印制电路板及基于印制电路板的变压器结构。

Description

基于印制电路板的电感结构、包含该结构的柔性多层印制电 路板及包含该结构的变压器结构
技术领域
本发明涉及一种印制电路板，具体来说涉及一种基于印制电路板的电感结构、包含该结构的柔性多层印制电路板及包含该结构的基于印制电路板的变压器结构。
背景技术
分立式电感和变压器可以处理大功率能量，但是绕线复杂、价格昂贵，体积过大，且难以订制。基于半导体技术的集成电感和集成变压器的结构简单、造价便宜，但是因为半导体导电率较低，而且半导体制程的限制了导线的厚度和线径，所以，基于半导体技术的集成电感和集成变压器(简称为半导体集成电感和半导体集成变压器)无法经过大电流，也无法用于大电流/高功率的系统。
维持基于半导体技术的集成电感和集成变压器的结构和形状，并这种结构和工艺直接应用于印制电路板似乎是一种可行的方案。因为印制电路板相对于半导体技术有材料和工艺两个优势：1)印制电路板的导线是铜，相对于半导体，铜的导电率更高；2)印制电路板的宽度和厚度相对于半导体器件更大，也更容易订制。然而，材料和工艺的改变也带来了三个问题：1)铜的导电率更高，所以，铜集肤深度更小，铜材料也更容易受到集肤效应的影响；2)更大的体积和厚度更容易使得集肤效应变得更为严重；3)根据半导体集成电感公式，当导线的宽度增加时，电感值会明显下降。
因此，试图直接将半导体集成电感和集成变压器的结构应用于基于印制电路板的电感和变压器，从而达到提升电流/功率的目的，是不可取的。
另外，限制大功率电感和变压器的另一个限制条件是发热。热损耗使得磁芯内部中心温度极高，当温度高于磁芯的居里温度，电感和变压器将迅速失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种低成本、大电流的基于印制电路板的电感结构。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于印制电路板的电感结构，包括不导电的基板，基板一侧表面上印制有输入端头以及与输入端头连接的K条平行的呈螺旋线状布置的上导线段，基板中部区域设有若干贯通的过孔；基板另一侧表面上印制有若干条通过各个过孔中孔壁上的导电层与相应上导线段逐个连接的截面与上导线段相同的平行的呈螺旋线状布置的下导线段，基板另一侧表面上印制有与各个下导线段端部连通的输出端头；最外部走线的上导线段通过相应过孔与最内部走线的下导线段相连通；越靠近边缘走线的的上导线段通过相应过孔与越靠近内部走线的下导线段相连通；最内部走线的上导线段通过相应过孔与最外部走线的下导线段相连通；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不小于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最大值的80％；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不大于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最小值的1.2倍。
作为一种优选的方案，所述上导线段及所述下导线段的厚度都小于两倍的集肤深度。
作为一种优选的方案，所述上导线段数量K为0.65N-2.5N范围内的任一整数，其中N为满足电感所需的最大电流I、导线温度上限值dT且使得设置这些上导线段所需的印制电路板截面积Atotal-act最小的导线数量：
Figure RE-GDA0003116807040000021
式中，Thick是上导线段的厚度；WidthTrace是上导线段与相邻上导线段的绝缘间距；Asg为单根导线的截面积。
作为一种优选的方案，所述上导线段数量K为0.75N-1.5N范围内的任一整数。
作为一种优选的方案，任一上导线段与相应下导线段的长度之和不小于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最大值的95％；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不大于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最小值的1.05倍。
作为一种优选的方案，所述基板为高分子材料制成的柔性基板。
作为一种优选的方案，所述基板一侧在上导线段外侧设有顶层绝缘层；基板另一侧在下导线段外侧设有底层绝缘层。
作为一种优选的方案，所述顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为柔性绝缘板。
作为另一种优选的方案，所述顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为柔性铁磁覆板。
作为另一种优选的方案，所述顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为阻焊膜。
本结构的有益效果是：本结构使得印制电路板可用以制造低成本、大电流的电感，并可进一步用于变压器等制造。
由于基板一侧表面上印制有K条平行的呈螺旋线状布置的上导线段，基板中部区域设有若干贯通的过孔；基板另一侧表面上印制有若干条通过各个过孔中孔壁上的导电层与相应上导线段逐个连接的截面与上导线段相同的平行的呈螺旋线状布置的下导线段，通过使用分裂式导体以增加导线的载流能力，从而使得在更小面积的基板上能够获得更大的电感；最外部走线的上导线段通过相应过孔与最内部走线的下导线段相连通；越靠近边缘走线的的上导线段通过相应过孔与越靠近内部走线的下导线段相连通；最内部走线的上导线段通过相应过孔与最外部走线的下导线段相连通；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不小于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最大值的80％；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不大于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最小值的1.2倍，从而避免电流不均匀的问题，通过接近等长的线路强制均流以增加直流电感。
另外，将电感应用在柔性电路板的一个主要难点是，印制电路板往往是多层结构，各层通过过孔和各层的铜相连，层数越深，连接越脆弱。所以柔性印制电路板可设置的层数相对于普通硬质的印制电路板少。所以，将电感结构用在柔性印制电路板是很难的，需要改进结构和工艺。
所以本发明进一步所要解决的技术问题是：提供一种层间连接可靠的柔性多层印制电路板。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种柔性多层印制电路板，包括压合在一起的多层如上最后一项所述的印制电路板，每个印制电路板上所述阻焊膜开窗处设置焊锡，以与相邻电路单板上对应的阻焊膜开窗处设置的焊锡相焊接，从而保证层间连接可靠，从而可以用于制作需要多层设置的复杂电感。
为解决上述技术问题，本发明所采用的另一个技术方案为：一种柔性多层印制电路板，包括压合在一起的多层如上最后三项中任一项所述的印制电路板，每个印制电路板上过孔中孔壁上的导电层在压合前采用电镀成型，相邻印制电路板上的电感间相互焊接。
本柔性多层印制电路板避免了普通的多层印制电路板先转孔、再压合、最后使用镀通孔工艺中，如果多层印制电路板厚度太厚，镀通孔容易厚薄不均匀，产生狗骨头的过孔，或者过孔中存在气泡的情形，从而保证层间连接可靠，从而可以用于制作需要多层设置的复杂电感。
由于顶层铜板及所述底层铜板的厚度都小于两倍的集肤深度，以减小集肤效应。
由于基板为高分子材料制成的柔性基板，使得本印制电路板可以用于生物医疗设备、可穿戴设备、折叠设备等；且可以减少厚度。
由于顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为柔性铁磁覆板，不仅能够极大的提高电感量，也可以极大的减小热阻。
本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种体积小、功率大的基于印制电路板的变压器结构。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于印制电路板的变压器结构，包括至少一个作为原边的如上任一项所述的基于印制电路板的电感结构、以及至少一个作为副边的如上任一项所述的基于印制电路板的电感结构。
附图说明
图1是基于印制电路板的电感结构中上导线段及过孔等部分的结构示意图；
图2是基于印制电路板的电感结构中下导线段及过孔等部分的结构示意图；
图3为交流情况下现有的采用宽铜板作为导线的电感的电流分布情况；
图4为交流情况下本发明电感的电流分布情况；
图5为直流情况下本发明电感的电流分布情况；
图6为直流情况下宽铜板电感的电流分布情况；
图7为宽铜板电感和本发明结构的电感在直流电阻(RDC)以及在不同频率范围内的交流电阻(RAC)的比较；
图8为为宽铜板电感和本发明结构的电感，在直流电感(LDC)以及在不同频率范围内的交流电阻(LAC)的比较。
图9是为导线数量与所需占用基板上部铺设导线位置的截面面积关系的示意图；
图10为不同形状截面的导体的集肤效应的情况；
图中：1.基板，2.上导线段，3.过孔，4.下导线段。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
实施例1，如图1-2所示，一种基于印制电路板的电感结构，包括高分子材料制成的不导电的基板，基板一侧表面上印制有输入端头以及与输入端头连接的K条平行的呈螺旋线状布置的铜质上导线段，基板中部区域设有若干贯通的过孔；基板另一侧表面上印制有若干条通过各个过孔中孔壁上的导电层与相应上导线段逐个连接的截面与上导线段相同的平行的呈螺旋线状布置的铜质下导线段，基板另一侧表面上印制有与各个下导线段端部连通的输出端头；所述上导线段及所述下导线段的厚度都小于两倍的集肤深度。
基板一侧在上导线段外侧设有顶层绝缘层；基板另一侧在下导线段外侧设有底层绝缘层。顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为柔性绝缘板。
最外部走线的上导线段通过相应过孔与最内部走线的下导线段相连通；越靠近边缘走线的的上导线段通过相应过孔与越靠近内部走线的下导线段相连通；最内部走线的上导线段通过相应过孔与最外部走线的下导线段相连通；所有上导线段与相应下导线段的长度之和相等。
所述上导线段数量K等于N，其中N为满足电感所需的最大电流I、导线温度上限值dT且使得设置这些上导线段所需的印制电路板截面积Atotal-act最小的导线数量：
Figure RE-GDA0003116807040000061
式中，Thick是上导线段的厚度；WidthTrace是上导线段与相邻上导线段的绝缘间距；Asg为单根导线的截面积。
对于直流系统而言，电流分布与直流电阻以及电路的长度成反比。对于传统的使用宽铜板的电感而言，由于电流会自动寻找最短路径，位于最内部的导体路径远小于外部路径，主要的电流路径为斜线，和宽铜板走线并不一致，因此，电流会大量集中于内部的路径中，造成电感计算公式不准确，电感设计困难。
因为环路越小，电感越小，所以实际的电感值由最内层导体决定。因为内层环路的体积最小，所以环路电感会非常小。而且因为集肤效应和邻近效应的存在，电感的交流电感值小于直流电感值，所以，整个电感无论是交流电感还是直流电感，电感值都很小。另外，由于宽铜板中间孔径不填充铜，所以填充系数远小于1，造成电感所需体积较大。
如图3所示，为交流情况下现有的采用宽铜板作为导线的电感的电流分布情况；如图4所示，为交流情况下本发明电感的电流分布情况，通过对比可以明显发现，在交流情况下，宽铜板电感的电流极不均匀，出现大量的深色区域 (电流密度极小)。这说明了，在交流情况下，宽铜板电感的铜板的利用率较低，大量铜板并不通过电流，铜板的热的分布也会很不均匀。而本发明的电感，深色区域较小，电流均匀程度有了很大的改善，铜线利用率极高，热分布也更好。
图3为直流情况下本发明电感的电流分布情况，图4为直流情况下宽铜板电感的电流分布情况；通过对比可以明显发现，在直流情况下，宽铜板电感的电流极不均匀，出现大量的深色区域(电流密度极小)。这说明了，在直流情况下，宽铜板电感的铜板的利用率较低，大量铜板并不通过电流，铜板的热的分布也会很不均匀。而本发明的电感，深色区域较小，电流均匀程度有了很大的改善，铜线利用率极高，热分布也更好。
图3为宽铜板电感和本发明结构的电感在直流电阻(RDC)以及在不同频率范围内的交流电阻(RAC)的比较。由图可见：
1.传统的宽铜板结构电感，直流电阻值RDC很小，这是因为宽铜板使用的铜更多。
2.传统的宽铜板结构电感，在交流高频范围，更容易受集肤效应的影响，交流电阻值RAC急剧上升，远高于本发明结构电感的电阻值。
因此，尽管本发明电感使用的铜较少，直流电阻值RDC较大，但是，在交流高频范围交流电阻值RAC较传统的宽铜板电感可以大量减少。从电阻的角度而言，本发明的电感结构更适合交流高频系统。
图4为宽铜板电感和本发明结构的电感，在直流电感(LDC)以及在不同频率范围内的交流电阻(LAC)的比较。由图可见：
1.传统的宽铜板结构电感，直流电感值LDC很小，不如本发明的电感。
2.传统的宽铜板结构电感，在交流高频范围，更容易受集肤效应的影响，交流电阻值LAC急剧下降，远不如本发明结构电感的电感值。
3.相对于传统的宽铜板结构电感，在交流高频范围，本发明的电感，交流电阻值LAC随着频率变化较小，稳定可靠。
因此，从电感的角度而言，无论是直流电感值LDC，还是交流电阻值LAC，本发明电感都远好于传统的宽铜板结构电感。
综上可见，本结构使用分裂导体以减弱集肤效应以及增加载流能力，且为了避免电流不均匀的问题，通过设计过孔位置，并且运用蛇形曲线，补偿走线长度不均匀的情况，使得每条导线的电感尽可能的相同，从而使得每条导线的电流载流基本相同，大大提升了通过的电流量。
如图9所示，为导线数量与所需占用基板上部铺设导线位置的截面面积关系的示意图。其中，取电流I为30A，温升dT为50摄氏度。铜厚Thick为2盎司，绝缘距离WidthTrace为10mil。由于导线和导线之间必须存在绝缘，而且绝缘的部分也需要占用面积。显然分裂导线的数目越多，绝缘的数目越多，所需占用基板的面积也越多。由图中曲线可见，并不是分裂导线数目越多越好，而是存在最优点。
集肤效应一般是针对圆形导线而言，指当导体的直径大于2倍的集肤深度时，电流集中于导体表面，导体内部电流密度下降，因此，交流电阻Rac明显大于直流电阻Rdc的现象。但是，印制电路板的导线横截面积为矩形，它的集肤效应的情况还没有明确的分析和研究。
图10为使用软件Q2D，将四种不同形状和大小的导线进行仿真，从而得到电感的直流电阻以及交流电阻的比值Rac/Rdc随着频率的变化曲线。其中，圆形导线的曲线和预期相同，当圆形导体的直径大于2倍的集肤深度时，Rac/Rdc显著增加。正方形导线的曲线整体趋势和圆形导线相似，但是，Rac/Rdc更大，说明集肤效应更强一些。
然而，矩形导线是一个非对称的结构，它的集肤效应会更加复杂。以H＝0.175 mm,W＝1.75mm的矩形导体为例：当宽度(W)大于集肤深度时，集肤效应开始出现，Rac/Rdc开始增加，但是，增加幅度很小，当厚度(H)也开始高于集肤深度时，集肤效应才开始明显加剧。对比第三根厚矩形截面导线，第四根薄矩形截面导线的W依然维持1.75mm不变，但H下降至0.035mm，那么在集肤效应在集肤深度小于H/2＝0.035/2mm时，才会明显增加。
由图可知：对矩形导体而言，只有在所有的边(包括厚度H和宽度W)均高于集肤深度，集肤效应才开始明显显现。所以，矩形导体可以明显抑制集肤效应。对于高频系统而言，矩形导体的厚度，应该小于或者等于两倍的集肤深度，或H≤2δ，其中，δ为集肤深度。因为
Figure RE-GDA0003116807040000091
(其中ρ为电阻率，f为频率，μ为磁导率)，所以，
Figure RE-GDA0003116807040000092
实施例2与实施例1基本一致，不同之处在于：所述顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为柔性铁磁覆板。
且任一上导线段与相应下导线段的长度之和不小于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最大值的95％；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不大于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最小值的1.05倍。为 0.65N-2.5N范围内的任一整数。
实施例3与实施例1基本一致，不同之处在于：所述顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为阻焊膜。
且任一上导线段与相应下导线段的长度之和不小于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最大值的80％；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不大于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最小值的1.2倍。上导线段数量K为0.75N-1.5N范围内的任一整数。
本发明还提供一种柔性多层印制电路板，包括压合在一起的多层如实施例3 所述的印制电路板，每个印制电路板上所述阻焊膜开窗处设置焊锡，以与相邻电路单板上对应的阻焊膜开窗处设置的焊锡相焊接，从而保证层间连接可靠，从而可以用于制作需要多层设置的复杂电感。
本发明另外还提供一种柔性多层印制电路板，包括压合在一起的多层如上任一实施例所述的印制电路板，每个印制电路板上过孔中孔壁上的导电层在压合前采用电镀成型，相邻印制电路板上的电感间相互焊接。
本发明另外还提供一种基于印制电路板的变压器结构，包括至少一个作为原边的如上任一项所述的基于印制电路板的电感结构、以及至少一个作为副边的如上任一项所述的基于印制电路板的电感结构。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于印制电路板的电感结构，包括不导电的基板，其特征在于：基板一侧表面上印制有输入端头以及与输入端头连接的K条平行的呈螺旋线状布置的上导线段，基板中部区域设有若干贯通的过孔；基板另一侧表面上印制有若干条通过各个过孔中孔壁上的导电层与相应上导线段逐个连接的截面与上导线段相同的平行的呈螺旋线状布置的下导线段，基板另一侧表面上印制有与各个下导线段端部连通的输出端头；最外部走线的上导线段通过相应过孔与最内部走线的下导线段相连通；越靠近边缘走线的的上导线段通过相应过孔与越靠近内部走线的下导线段相连通；最内部走线的上导线段通过相应过孔与最外部走线的下导线段相连通；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不小于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最大值的80％；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不大于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最小值的1.2倍。
2.如权利要求1所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：所述上导线段及所述下导线段的厚度都小于两倍的集肤深度。
3.如权利要求1所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：所述上导线段数量K为0.65N-2.5N范围内的任一整数，其中N为满足电感所需的最大电流I、导线温度上限值dT且使得设置这些上导线段所需的印制电路板截面积Atotal-act最小的导线数量：
Figure FDA0002909161960000011
式中，Thick是上导线段的厚度；WidthTrace是上导线段与相邻上导线段的绝缘间距；Asg为单根导线的截面积。
4.如权利要求3所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：所述上导线段数量K为0.75N-1.5N范围内的任一整数。
5.如权利要求1所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：任一上导线段与相应下导线段的长度之和不小于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最大值的95％；任一上导线段与相应下导线段的长度之和不大于其余所有上导线段与相应下导线段的长度之和中最小值的1.05倍。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：所述基板为高分子材料制成的柔性基板。
7.如权利要求1-5中任一项所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：所述基板一侧在上导线段外侧设有顶层绝缘层；基板另一侧在下导线段外侧设有底层绝缘层。
8.如权利要求7所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：所述顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为柔性绝缘板。
9.如权利要求7所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：所述顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为柔性铁磁覆板。
10.如权利要求7所述的一种基于印制电路板的电感结构，其特征在于：所述顶层绝缘层和所述底层绝缘层都为阻焊膜。
11.一种柔性多层印制电路板，包括压合在一起的多层如权利要求10所述的印制电路板，每个印制电路板上所述阻焊膜开窗处设置焊锡。
12.一种柔性多层印制电路板，包括压合在一起的多层如权利要求7-10中任一项所述的印制电路板，每个印制电路板上过孔中孔壁上的导电层在压合前采用电镀成型。
13.一种基于印制电路板的变压器结构，其特征在于：包括至少一个作为原边的如权利要求1-10中任一项所述的基于印制电路板的电感结构、以及至少一个作为副边的如权利要求1-10中任一项所述的基于印制电路板的电感结构。
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