CN116097378A - 具有不均匀迹线的线圈 - Google Patents

Abstract

一种线圈装置包括：第一导体，在第一层中且包括螺旋形状；以及第二导体，在第一层中且与第一导体并联连接，并且与第一导体相邻地且与第一导体平行或基本平行地延伸。第一导体的截面积和第二导体的截面积不同。

Description

具有不均匀迹线的线圈

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年9月14日提交的美国临时专利申请No.63/077,824的优先权，其全部内容通过引用合并于此以用于所有目的，如同其在本文中被完整地阐述。

技术领域

本发明涉及线圈。更具体地，本发明涉及在诸如柔性印刷电路(FPC)、印刷电路板(PCB)或可用于电子设备应用的硅晶片之类的基板中具有不均匀迹线几何的线圈。

背景技术

常规线圈包括以螺旋形状形成的连续圆形铜布线。常规线圈可以包括具有均匀直径的布线，或者可以包括在整个线圈中具有均匀宽度和高度的迹线。如图1和图2所示，常规线圈(如线圈1 00和200)可以具有不同的形状，诸如圆形、螺旋形、正方形、矩形等。这些布线在布线的外表面上具有屏蔽绝缘层或涂层，该屏蔽绝缘层或涂层允许它们在每个相邻匝之间具有小间距，而不造成短路。因此，常规线圈(如图1和图2所示的线圈100和200)具有相对较低的电阻。

使用具有均匀直径的布线或使用具有均匀宽度和高度的迹线简化了常规线圈的设计，并且提供了具有良好性能的常规线圈。但这种常规线圈无法提供最佳效率或性能。由于蜂窝电话、平板计算机和其他电子设备的空间限制，这种常规线圈不总是适合于设备集成。

具有均匀迹线宽度的常规线圈的性能受到“邻近效应”的影响，在该“邻近效应”中，由于所产生的电磁力(EMF)，以相同方向传输电流的相邻迹线可以将电流推到离附近表面更远的相邻迹线上，从而为电流通过每个导体创建更窄的路径。该现象如图3A和图3B所示。

图3A示出了具有圆形直径且承载相同方向的电流的两条相邻布线310和320的截面。图3B示出了具有矩形截面且承载相同方向的电流的两条相邻布线330和340的截面。阴影表示布线310、320、330和340内的电流密度。如图3A和图3B所示，布线310、320、330和340的电流密度在截面的离相邻布线最远的部分中较高。该现象将电流压缩到布线310、320、330和340的比整个截面积更小的部分中。因此，有效截面积减小，并且电流将受到更高电阻路径的影响。因此，与相邻导体的直流电阻相比，邻近效应可以显著地增加相邻导体的交流电阻。邻近效应随着频率的增加而增加。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的优选实施例在可以用于电子设备应用的柔性印刷电路中提供具有不均匀迹线宽度的对称线圈。

存在需要高效线圈的许多电子设备应用，包括用于传送电力的无线充电系统(例如，汽车和消费电子产品)、电子模块(例如，集成电路(IC)和PCB)、射频(RF)组件(例如，滤波器)等。制作高质量线圈的挑战之一是线圈通常需要特殊材料或先进的加工技术，这会对批量生产的成本和能力产生不利影响。线圈设计和制造中的新技术可以用于修改常规线圈并提高质量和性能。这些更改包括在并行配置中创建具有不均匀宽度的迹线。线圈设计通常是特定于应用的，因为它们通常取决于线圈几何和/或电路的频率范围。

根据本发明的优选实施例，一种线圈装置包括：第一导体，在第一层中且包括螺旋形状；以及第二导体，在第一层中且与第一导体并联连接，并且与第一导体相邻地且与第一导体平行或基本平行地延伸。第一导体的截面积和第二导体的截面积不同。

第一导体和第二导体可以具有矩形截面，并且螺旋形状可以是圆形螺旋形状或矩形螺旋形状。

第一导体的高度可以等于或基本等于第二导体的高度，并且第一导体的宽度和第二导体的宽度可以不同。第一导体的高宽比和第二导体的高宽比可以不同。

线圈装置还可以包括：基板；第三导体，在第二层中且与第一导体并联连接，在平面图中与第一导体重叠，第二层在基板的与第一层相对的侧上；以及第四导体，在第二层中且与第三导体并联连接，并且在平面图中与第二导体重叠，并且与第三导体相邻地且与第三导体平行或基本平行地延伸。第一导体和第三导体的高宽比可以相等或基本相等。第二导体和第四导体的高宽比可以相等或基本相等。第一导体和第三导体的高宽比与第二导体和第四导体的高宽比可以不同。

基板可以是柔性印刷电路或印刷电路板。

根据本发明的优选实施例，一种线圈装置包括：基板；第一导体，在基板上的第一层中，并且包括螺旋形状；以及第二导体，在基板的与第一层相对的侧上的第二层中，与第一导体并联连接，并且在平面图中与第一导体的全部重叠或基本重叠。第一导体的截面形状和第二导体的截面形状相同或基本相同。

基板可以是包括第一层和第二层的柔性印刷电路或印刷电路板。

线圈装置还可以包括第一层中的第三导体，该第三导体包括螺旋形状，并且连接到第一导体和第二导体的端部。线圈装置还可以包括：第三导体，在第一层中且包括螺旋形状，并且连接到第一导体的端部；以及第四导体，在第一层中且包括螺旋形状，并且连接到第二导体的端部，其中，第三导体和第四导体的截面积可以相同或基本相同。

线圈装置还可以包括：第三导体，在第一层中且与第一导体并联连接，并且与第一导体相邻地且与第一导体平行或基本平行地延伸；以及第四导体，在第二层中且与第二导体并联连接，并且与第一导体相邻地且与第一导体平行或基本平行地延伸，其中，第三导体和第四导体在平面图中彼此重叠或基本重叠。第三导体的截面形状和第四导体的截面形状可以相同或基本相同。第三导体的截面形状和第一导体的截面形状可以不同。

根据本发明的优选实施例，一种设备包括：基板；以及线圈，在基板的第一表面上且具有螺旋形状，并且包括第一迹线和第二迹线；第一迹线和第二迹线并联连接，并且沿线圈的长度的至少一部分具有不同的截面形状。

线圈还可以包括基板的第一表面上的第三迹线，该第三迹线与第一迹线和第二迹线并联连接的，并且第一迹线、第二迹线和第三迹线可以具有不同的截面形状。第一迹线、第二迹线和第三迹线的宽度可以在线圈的截面的宽度方向上增加。线圈还可以包括基板的与第一表面相对的第二表面上的第三迹线和第四迹线，该第三迹线和该第四迹线与第一迹线和第二迹线并联连接，第一迹线和第三迹线可以具有相同或基本相同的截面形状，并且第二迹线和第四迹线可以具有相同或基本相同的截面形状。线圈中的迹线的数量可以随着线圈的长度而变化，和/或第一迹线和第二迹线的截面积可以随着线圈的长度而变化。

根据本发明的优选实施例，一种电子设备包括根据本发明的各种其他优选实施例之一的线圈装置。

根据以下参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征、元件、特性、步骤和优点将变得更显而易见。

附图说明

图1和图2示出了相关技术的线圈的形状。

图3A和图3B是示出了相关技术的线圈中的电流密度的截面图。

图4A-图4C示出了根据本发明的优选实施例的比较示例和发明示例的线圈迹线几何。

图5示出了发射器-接收器线圈对。

图6示出了具有均匀迹线的常规线圈和根据本发明的优选实施例的具有不均匀迹线的线圈。

具体实施方式

基板(诸如柔性印刷电路(FPC)、印刷电路板(PCB)或硅晶片)上的线圈显著减少或最小化所需空间，并在小型电子设备应用(诸如蜂窝电话、平板计算机等)中实现显著提高的最大效率。在FPC线圈中，常规圆形绝缘铜布线由可以被更简单地制造的具有矩形截面的迹线或导体代替。迹线可以形成为如图1所示的圆形或如图2所示的矩形。FPC线圈在设计方面更加通用，并且可以实现多种形状而无需形成或扭结圆形布线。如果期望更低的电阻，制作多层FPC线圈也比制作多层圆形布线线圈更简单。

另外，将迹线图案化为具有不均匀宽度的更小迹线可以降低迹线之间的电磁力，这继而导致更低的AC电阻，从而减少所产生的热量并提高效率。例如，热量可以减少多达5％，并且效率可以提高多达5％。通常，具有沿迹线的整个长度具有单一一致宽度的单条迹线的线圈在内环和外环之间的中心环周围产生更多热量，而常规设计通常需要附加的层(诸如石墨)来散发集中在这些区域中的热量。将一条迹线拆分为具有不均匀宽度的多条迹线可以比将迹线图案化为具有均匀宽度更有效地降低线圈电阻，这是不同迹线之间的EMF降低的直接结果。例如，与具有单一均匀迹线宽度的线圈相比，将一条迹线拆分为多条迹线可以导致线圈电阻降低多达7％。将一条迹线拆分为多条迹线如图4A-图4C所示。将一条迹线拆分为多条迹线可以导致多条迹线在制造公差内彼此相邻地且平行或基本平行地延伸。

图4A-图4C示出了根据本发明的优选实施例的具有均匀迹线的比较示例1-3和非均匀迹线的示例1-3的截面。图4A示出了包括具有在基板920上具有矩形截面的迹线910的线圈的比较示例1。示例1示出了线圈可以被图案化为在基板420上具有不均匀宽度的三个单独的迹线410。迹线910的截面积和迹线410的总截面积可以在制造公差内相同或基本相同。例如，迹线910的宽度和迹线410的总宽度可以在制造公差内相同或基本相同，并且迹线910和410的高度可以在制造公差内相同或基本相同。迹线410的截面积可以在线圈的宽度方向上增加。例如，迹线410的宽度可以在线圈的截面的宽度方向上增加。

类似地，将单侧迹线的高度拆分为双侧迹线也可以减少迹线之间的电磁力，从而降低线圈的AC电阻。图4B示出了包括具有在基板940上具有相同矩形截面的两个相邻迹线930的线圈的比较示例2。示例2示出了线圈可以被图案化为在基板440的两侧上的单独的双侧迹线430。换言之，线圈可以被图案化为一对双侧迹线，其中一条迹线在基板440的顶部上，而另一迹线在基板440的底部上。尽管未示出，但该对双侧迹线(顶部和底部)可以并联连接。迹线930之一的截面积和多对双侧迹线430中的一对双侧迹线的总截面积可以在制造公差内相同或基本相同。例如，迹线930的宽度在制造公差内可以与基板440的顶部或底部上的迹线430的总宽度相同或基本相同，并且迹线930的高度在制造公差内可以是或基本是迹线430的高度的两倍。即，每条迹线430从基板440延伸的距离是迹线930从基板940延伸的距离的一半。如图4B所示，基板440的顶部和底部上的迹线430在制造公差内可以是或基本是关于基板460的镜像。

图4C示出了包括具有在基板960上具有迹线950的线圈的比较示例3。比较示例3与比较示例1类似，但比较示例3具有更粗的迹线。示例3示出了线圈可以被图案化为具有不均匀宽度且在基板460的两侧上的六个单独的迹线450，从而结合了示例1和2的构思。示例3包括具有不均匀宽度的双侧迹线450。迹线450的总截面积可以在制造公差内相同或基本相同，或小于迹线950的截面积。例如，迹线950的宽度在制造公差内可以与基板460的顶部或底部上的迹线450的总宽度相同或基本相同，并且迹线950的高度在制造公差内可以是或基本是迹线450的高度的两倍或更多。即，每条迹线450从基板460延伸的距离是迹线950从基板960延伸的距离的一半或更少。如图4C所示，基板460的顶部和底部上的迹线450可以是关于基板460的镜像。迹线450的截面积可以在线圈的宽度方向上增加。例如，迹线450的宽度可以在线圈的截面的宽度方向上增加。

迹线410、430、450可以包括铜，但也可以包括其他导电金属和合金。基板420、440、460可以是FPC、PCB、硅晶片、陶瓷基板、介电基板，或者可以包括任何其他合适的材料。线圈可以包括在例如FPC或PCB内或IC芯片内的介电基板上。在IC芯片内，电路元件(诸如电感器、电容器、晶体管等)可以通过若干个金属层(例如，铜)和若干个介电层(例如，氧化硅)沉积在彼此的顶部上以创建多层结构来实现。在IC芯片内，线圈可以通过被介电基板的顶部和/或底部上的定义线圈的迹线的金属层包围的介电基板来实现。

使用本技术，可以通过将导电材料图案化为并联连接且具有不均匀宽度的两条或更多条迹线来提高发射器侧和接收器侧上的无线充电线圈的性能，如图5所示。两条或更多条迹线可以在制造公差内彼此相邻地且彼此平行或基本平行地延伸。图5示出了接收线圈(RX线圈)和发射线圈(TX线圈)。图5中的特写视图A示出了两个线圈(TX线圈、RX线圈)的迹线配置，其中，两个线圈都具有如图4A中的示例1所示的三种不同宽度的迹线。该配置有助于实现更低的AC电阻和更少的所产生的热量，这可以消除对散热器或外部冷却系统的需求。对于磁场指向线圈中心的圆形或螺旋形线圈(或其他类似的线圈)，具有较窄宽度的迹线可以被放置在该匝之外以提高性能。备选地，接收线圈(RX线圈)和发射线圈(TX线圈)可以被配置为使得外部迹线比内部迹线宽。在图5中，迹线具有不同的截面积，这些截面积沿线圈(TX线圈、RX线圈)的整个长度一致，但其他布置也是可能的。线圈的外匝可以包括单条迹线或具有相同截面积的迹线，并且仅线圈的内匝可以具有不同截面积的迹线。例如，线圈可以包括第一导体，或者可以包括具有相同宽度的第一导体，以及连接到第一导体或多个第一导体的具有不同宽度的第二导体。即，线圈中的迹线的数量可以随着线圈的长度而变化，和/或迹线的截面积可以随着线圈的长度而变化。

迹线的确切数量取决于应用和线圈的几何。迹线宽度部分之间的比率可以是线圈几何(诸如迹线的数量、高度和原始迹线宽度)的函数。例如，可以在以下情况中使用2：1的比率：在相邻的内部迹线和外部迹线中，外部迹线在制造公差内可以具有内部迹线的一半或基本一半的宽度。图6示出了具有单条迹线的常规圆形螺旋线圈610和在线圈620、630、640、650中分别具有两个至五个不同的不均匀迹线的线圈的示例。

应当理解，上述描述仅用于说明本发明。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以设计出各种替代和修改。因此，本发明旨在包含落在所附权利要求范围内的所有这种替代、修改和变化。

Claims (23)

1.一种线圈装置，包括：

第一导体，在第一层中且包括螺旋形状；以及

第二导体，在所述第一层中且与所述第一导体并联连接，并且与所述第一导体相邻地且与所述第一导体平行或基本平行地延伸；其中

所述第一导体的截面积和所述第二导体的截面积不同。

2.根据权利要求1所述的线圈装置，其中，所述第一导体和所述第二导体具有矩形截面。

3.根据权利要求1或2所述的线圈装置，其中，所述螺旋形状为圆形螺旋形状或矩形螺旋形状。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的线圈装置，其中，

所述第一导体的高度等于或基本等于所述第二导体的高度，并且

所述第一导体的宽度和所述第二导体的宽度不同。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的线圈装置，其中，所述第一导体的高宽比和所述第二导体的高宽比不同。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的线圈装置，还包括：

基板；

第三导体，在第二层中且与所述第一导体并联连接，在平面图中与所述第一导体重叠，所述第二层在所述基板的与所述第一层相对的侧上；以及

第四导体，在所述第二层中且与所述第三导体并联连接，并且在所述平面图中与所述第二导体重叠，并且与所述第三导体相邻地且与所述第三导体平行或基本平行地延伸。

7.根据权利要求6所述的线圈装置，其中，所述第一导体和所述第三导体的高宽比相等或基本相等。

8.根据权利要求6或7所述的线圈装置，其中，所述第二导体和所述第四导体的高宽比相等或基本相等。

9.根据权利要求8所述的线圈装置，其中，所述第一导体和所述第三导体的高宽比与所述第二导体和所述第四导体的高宽比不同。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的线圈装置，其中，所述基板是柔性印刷电路或印刷电路板。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的线圈装置，还包括所述第一层中的第三导体，所述第三导体包括所述螺旋形状，并且连接到所述第一导体和所述第二导体的端部。

12.根据权利要求1-5中任一项所述的线圈装置，还包括：

第三导体，在所述第一层中且包括所述螺旋形状，并且连接到所述第一导体的端部；以及

第四导体，在所述第一层中且包括所述螺旋形状，并且连接到所述第二导体的端部；其中

所述第三导体和所述第四导体的截面积相同或基本相同。

13.一种电子设备，包括根据权利要求1-12中任一项所述的线圈装置。

14.一种线圈装置，包括：

基板；

第一导体，在所述基板上的第一层中，并且包括螺旋形状；以及

第二导体，在所述基板的与所述第一层相对的侧上的第二层中，与所述第一导体并联连接，并且在平面图中与所述第一导体的全部重叠或基本重叠，其中，

所述第一导体的截面形状和所述第二导体的截面形状相同或基本相同。

15.根据权利要求14所述的线圈装置，其中，所述基板是包括所述第一层和所述第二层的柔性印刷电路或印刷电路板。

16.根据权利要求14或15所述的线圈装置，还包括：

第三导体，在所述第一层中且与所述第一导体并联连接，并且与所述第一导体相邻地且与所述第一导体平行或基本平行地延伸；以及

第四导体，在所述第二层中且与所述第二导体并联连接，并且与所述第一导体相邻地且与所述第一导体平行或基本平行地延伸，其中

所述第三导体和所述第四导体在所述平面图中彼此重叠或基本重叠。

17.根据权利要求16所述的线圈装置，其中，

所述第三导体的截面形状和所述第四导体的截面形状相同或基本相同，并且

所述第三导体的截面形状和所述第一导体的截面形状不同。

18.一种电子设备，包括根据权利要求14-17中任一项所述的线圈装置。

19.一种设备，包括：

基板；以及

线圈，在所述基板的第一表面上且具有螺旋形状，并且包括第一迹线和第二迹线；其中

所述第一迹线和所述第二迹线并联连接，并且沿所述线圈的长度的至少一部分具有不同的截面形状。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，

所述线圈还包括所述基板的第一表面上的第三迹线，所述第三迹线与所述第一迹线和所述第二迹线并联连接；并且

所述第一迹线、所述第二迹线和所述第三迹线具有不同的截面形状。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述第一迹线、所述第二迹线和所述第三迹线的宽度在所述线圈的截面的宽度方向上增加。

22.根据权利要求19所述的设备，其中，

所述线圈还包括所述基板的与所述第一表面相对的第二表面上的第三迹线和第四迹线，所述第三迹线和所述第四迹线与所述第一迹线和所述第二迹线并联连接；

所述第一迹线和所述第三迹线具有相同或基本相同的截面形状；并且

所述第二迹线和所述第四迹线具有相同或基本相同的截面形状。

23.根据权利要求19-22中任一项所述的设备，其中，所述线圈中的迹线的数量随着所述线圈的长度而变化，和/或所述第一迹线和所述第二迹线的截面积随着所述线圈的长度而变化。

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