CN114360877B - 一种组合平面电感线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合平面电感线圈，其中线圈包括一个差分数据线圈、一个差分时钟线圈以及一个能量线圈。内部包含差分时钟和差分数据线圈呈对角线布局，相互旋转90度方向摆放，外部最外圈大电感为能量线圈。三个线圈处在同一平面，整体形状结构对称。时钟与数据线圈由方形平面螺旋电感组合而成，能量线圈为八边形平面螺旋电感。主要应用于近距离无线传输系统，能够同时传输数据以及能量信号，本发明将原本电路需要的三组电感组合为一组电感，减小了电感所占的电路面积的同时，也降低了常用无线收发电路中的能量链路、时钟链路对于数据链路的干扰，降低了数据传输的误码率，能够支持能量信号单向传输以及数据信号的双向传输。

Description

一种组合平面电感线圈

技术领域

本发明属于无线传输电感线圈技术领域，具体为一种新型组合平面电感线圈。

背景技术

电感是基本电路元件之一，在集成电路设计中广泛应用导线绕制的线圈来进行无线传输数据和能量。主要利用的原理是电磁感应现象，当一个闭合电路的部分导线相当于磁场运动或者闭合电路所处的磁场产生变化时，就会在回路中产生感应电动势和感应电流。通常在无线传输系统的发射与接收端放置一对耦合电感，发射端电流经过发射电感后产生变化的磁场，从而在接收端电感上产生感应电压。

在无线传输系统中，电感线圈是无线能量传输以及数据传输的关键部分。同时数据传输一般还会包含时钟传输。为了提高传输效率，会使用不同形状的平面线圈，如圆形、四边形和正多边形等。由于线圈的材料、几何形状、匝数、尺寸以及两线圈的位置都可能影响耦合系数的大小，进而影响电能传输效率，因此需要对电感线圈进行优化设计。目前广泛应用的平面螺旋型线圈较薄且集成度高、工艺简单，以至于在手机、电动汽车等无线充电器中得到了广泛应用。

然而，电感线圈应用的同时也存在一些缺陷，主要是线圈的面积相对来说比较大并且容易受到电磁干扰的原因。特别是做在芯片上的片上电感线圈，由于芯片尺寸以及价格的限制，同一块芯片存在多个线圈的话，需要隔开一定距离用来减小电磁干扰，同时由于大型能量线圈占面积较大，所耗费成本显著增加。因此如何减小电感面积，同时尽可能优化电磁干扰显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型组合平面电感线圈，将能量线圈与数据、时钟线圈组合在一起，支持能量单向传输以及数据的双向传输。同时当线圈对齐的时候，数据线圈与时钟、能量线圈之间的电磁干扰比较小，主要应用于近距离无线传输系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种新型组合平面电感线圈，每个电感线圈包括一个差分数据线圈、一个差分时钟线圈以及一个能量线圈。三个线圈都为平面螺旋电感，能量线圈最大，位于最外圈；时钟线圈和数据线圈在能量线圈内部放置，三个线圈在同一平面上，三个线圈中心为同一点。

作为本发明的一种新型组合平面电感线圈的进一步优选方案，差分时钟线圈和差分数据线圈均由两相同的平面螺旋电感连接而成，且组成差分时钟线圈或差分数据线圈的两相同平面螺旋电感关于线圈中心点中心对称，即两相同的平面螺旋电感呈180度排布；差分时钟线圈和差分数据线圈呈对角线布局，相互间隔90度排布，所述组合平面电感线圈整体形状呈中心对称。所采用电感线圈皆由平面螺旋电感组合而成。

作为本发明的一种新型组合平面电感线圈的进一步优选方案，时钟线圈设计为谐振频率在工作频率附近的两部分方形螺旋电感组合而成，并尽可能提高品质因数，这样能最大限度提高跨导并有效阻隔环境噪声。数据线圈设计为自谐振频率大于数据信号带宽的方形螺旋电感，并相对降低品质因数，从而减少输出电路的电压振铃。并且数据线圈、时钟线圈同为方形螺旋电感，能够降低他们组合之后耦合时的串扰。

优选的，所述能量线圈设计为品质因数较高的八边形螺旋电感。作为发射电感时，走线设计足够宽且多层并联来传输大电流。作为接收电感时，尽可能提高匝数，从而具有较大的感值来匹配整流器的输入容抗，最终在工作的频率点处达到最大能量传输效率。同时线圈绕组的宽度应该与发射器和接收器之间的距离相当，从而最大限度地提高线圈之间的耦合系数和增加电感耦合时候的可容忍偏差，并且中间要留有足够的空间放置数据、时钟组合电感。

优选的，所述组合平面电感线圈不做在CMOS工艺芯片上，选择做在片外，用Cu或者Al作为导线材料绕制电感线圈，整体线圈的品质因数，感值以及线圈间互感等电感性能都有较大提升。提高了无线传输距离、传输能量效率以及整体线圈抗干扰性能。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下效果：

本发明新型组合平面电感线圈，能够同时传输数据以及能量信号，将原本电路需要的三组电感组合为一组电感，大大减小了电感所占的电路面积。同时，差分对称的组合电感结构大大降低了能量链路、时钟链路对于数据链路的干扰，降低了数据传输的误码率。

附图说明

图1为本发明线圈结构平面图；

图2为本发明结构使用时能量传输示意图；

图3为本发明结构使用时数据传输示意图；

图4为本发明结构使用时能量信号对数据信号干扰示意图；

图5为本发明结构使用时时钟信号对数据信号干扰示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示，一种新型组合平面电感线圈，最外圈八边形螺旋电感L0为能量线圈，用来近距离无线传输能量信号。内部稍大的由两个方形螺旋电感组成的差分电感L1为差分时钟线圈，用来近距离无线传输时钟基带信号。内部较小的由两个方形螺旋电感组成的差分电感L2为差分数据线圈，用来无线传输数据信号。差分时钟线圈L1和差分数据线圈L2呈对角线布局，相互旋转90度方向摆放，三个线圈处在同一平面，电感中心为同一点，整体形状结构对称。

使用时，如图2所示，一般为两个组合平面电感线圈对齐摆放，配合使用。当进行无线传输能量的时候，发射端能量线圈，也就是图中位于下方的最外围线圈，上面有电流I_PT流过。由于电磁感应现象，发射端电流产生变化的磁场，而变化的磁场又会相应地在接收端闭合回路上产生感应电动势V_PR，此时这对耦合线圈就实现了能量从发射端到接收端的传递。感应电压的大小为：

其中k为线圈之间的耦合系数，L_T为发射线圈电感感值，L_R为接收线圈电感感值，I_T为发射线圈流过的电流大小。

当进行无线传输数据信号的时候，如图3所示，基本原理与能量传输相同，但是由于线圈此时皆为差分电感，发射端两个线圈电流产生的磁场方向相反，所以在接收端相应的两个线圈也产生了相反的一对感应电压，同时L_T，L_R以及I_T都是相同的，所以当数据接收线圈的左边部分感应电压V₁为V_R的时候，另一部分的感应电压V₂为-V_R，此时总的感应即V_DR＝V₁-V₂＝2V_R。

当线圈同时传输能量信号以及数据信号的时候，如图4所示，此时发射端能量线圈流过的电流产生的磁场，相对于接收端数据线圈的两个部分线圈磁场方向相同，且L_T即发射端能量线圈感值，L_R为差分数据线圈的两个部分的感值，由于结构上的对称，所以L_R也相同，I_T同为发射端能量线圈电流，因此数据接收线圈的左边部分感应电压V₁为V_R的时候，另一部分的感应电压V₂也为V_R，此时总的感应即V_DR＝V₁-V₂＝0。即理想状态下，能量信号对于数据信号没有干扰。

同理，当线圈同时传输时钟信号以及数据信号的时候，如图5所示，此时发射端时钟差分线圈流过的电流产生的磁场为两个方向相反且强度相同的磁场。此时，在当数据接收线圈的左边部分会同时受到这两个磁场的影响，同时由于结构上的高度对称，线圈产生的磁场彼此正交。L_T即发射端差分时钟线圈感值，产生的两个相反部分的磁场在数据接收线圈的左边部分感应电动势相互抵消，即V₁＝0。同理，此时数据接收线圈的右边部分感应电压V₂也为0。即理想状态下，时钟信号对于数据信号也没有干扰。

Claims (3)

1.一种组合平面电感线圈，其特征在于：包括一个差分数据线圈、一个差分时钟线圈以及一个能量线圈；其中三个线圈都为平面螺旋电感，能量线圈最大，位于最外圈；差分时钟线圈和差分数据线圈在能量线圈内部放置，三个线圈在同一平面上，三个线圈中心为同一点；差分时钟线圈和差分数据线圈均由两相同的平面螺旋电感连接而成，且组成差分时钟线圈或差分数据线圈的两相同平面螺旋电感关于线圈中心点中心对称，即两相同的平面螺旋电感呈180度排布；在差分时钟线圈的两平面螺旋电感中流过的电流产生的磁场为两个方向相反且强度相同的磁场；在差分数据线圈的两平面螺旋电感中流过的电流产生的磁场方向相反；差分时钟线圈和差分数据线圈呈对角线布局，相互间隔90度排布，所述组合平面电感线圈整体形状呈中心对称；无线传输系统的发射端与接收端均采用上述组合平面电感线圈。

2.根据权利要求1所述的一种组合平面电感线圈，其特征在于：差分数据线圈、差分时钟线圈、能量线圈均为金属导线绕制而成；每个电感线圈即差分数据线圈、差分时钟线圈、能量线圈各有两个端口。

3.根据权利要求1所述的一种组合平面电感线圈，其特征在于：差分时钟线圈和差分数据线圈采用两部分中心对称的方形平面螺旋电感组合而成，最外围的能量线圈采用八边形平面螺旋电感。

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