CN116612959A - 可安装在电路板上的电感器 - Google Patents

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阿洛克·K·洛希亚
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Abstract

本公开的一个或多个实施例涉及可安装在电路板上的电感器。电感器设置在印刷线路板上方并安装在印刷线路板上。电感器包括绕组和芯。绕组包括在不同位置处被电连接到印刷线路板的第一端接和第二端接。芯包括：包括磁性材料的第一部分，该第一部分具有沿着内表面的通道，以用于接纳该绕组，并且该通道在该内表面的第一底角和第二底角处或上方终止；第二部分，该第二部分是该第一部分的镜像，包括面向该第一部分的内表面的内表面；以及分布间隙，所述分布间隙将第一部分与第二部分均匀地分开，除了绕组沿镜像的通道通过的地方。绕组沿分布间隙位于镜像通道中，并且绕组在空间上将芯划分为相等体积的上部和下部。

Description

可安装在电路板上的电感器
技术领域
本公开涉及可安装在电路板上的电感器。
背景技术
电感器可以包括在负载点(POL)转换器中，例如，直流到直流(DC-DC)降压转换器、单相转换器或多相转换器。POL转换器可以被构造在印刷线路板上，并且可以用作降压转换器或升压转换器，以分别将输入电压降压或升压到特定负载所需的电压。由POL转换器供电的负载可以包括完全可编程门阵列(FPGA)、中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、射频(RF)功率放大(PA)等。
发明内容
本发明的一个或多个实施例可以提供一种电感器，该电感器被配置为设置在印刷线路板上方并且安装在该印刷线路板上。电感器可以包括绕组和芯。绕组可以包括第一端接和第二端接，第一端接和第二端接被配置为在不同的位置处被电连接到印刷线路板。所述芯可以包括：第一部分，该第一部分包括磁性材料，该第一部分具有沿着内表面的通道，该通道被配置为接纳该绕组并且在该内表面的第一底角和第二底角处或上方终止；第二部分，该第二部分是该第一部分的镜像，包括面向该第一部分的内表面的内表面；以及分布间隙，该分布间隙将所述第一部分与所述第二部分均匀地分开，除了所述绕组沿镜像的所述通道通过的地方。绕组可以沿分布间隙位于第一部分和第二部分的镜像的通道中，并且绕组可以在空间上将芯划分为体积相等的上部和下部。
此外，本公开的一个或多个实施例可以提供一种系统，该系统包括：印刷线路板；以及电感器，该电感器被设置在所述印刷线路板上方并且被安装在所述印刷线路板上。电感器可以包括绕组和芯。绕组可以包括第一端接和第二端接，第一端接和第二端接被配置为在不同的位置处被电连接到印刷线路板。所述芯可以包括：第一部分，该第一部分包括磁性材料，该第一部分具有沿着内表面的通道，该通道被配置为接纳该绕组，并且在该内表面的第一底角和第二底角处或上方终止；第二部分，该第二部分是该第一部分的镜像，该第二部分包括面向该第一部分的内表面的内表面；以及分布间隙，所述分布间隙将所述第一部分与所述第二部分均匀地分开，除了所述绕组穿过镜像的所述通道的地方。绕组可以沿分布间隙位于第一部分和第二部分的镜像的通道中，并且绕组可以在空间上将芯划分为体积相等的上部和下部。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施例的转换器的电路图。
图2A示出了根据一个或多个实施例的安装在印刷线路板上的电感器的透视图。
图2B示出了根据一个或多个实施例的图2A的截面视图。
图2C和图2D示出了根据一个或多个实施例的印刷线路板中的槽中的电感器的绕组的端接的截面图。
图2E示出了根据一个或多个实施例的与印刷线路板的顶表面形成对接接头的电感器的绕组的端接的截面图。
图2F示出了根据一个或多个实施例的电感器的绕组。
图3A和图3B分别示出了根据一个或多个实施例的电感器的前端视图和后端视图。
图3C-图3E示出了根据一个或多个实施例的电感器的侧视图、仰视图和透视图。
具体实施方式
如这里所使用的，印刷电路板(PCB)是指具有整个电路装置的板，而印刷线路板(PWB)是指没有部件的板。此外，在本公开中，上、下、左、右、前和后等是相对术语。
POL电感器可以被设计成在POL转换器中工作，当使用多相时，POL转换器承载几安培(amps)到几百安培。由POL转换器供电的负载可以包括完全可编程门阵列(FPGA)、中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、射频(RF)功率放大(PA)等。本公开的一个或多个实施例可以改善转换器的瞬态响应和效率。所公开的电感器的紧凑尺寸可以增加各相的功率密度。此外，所公开的电感器可以减少功率损耗并改善电感器和/或转换器的其它部件周围的气流。
电感器可以包括芯、绕组和分布间隙，用于最小化所有相关的损耗，例如绕组损耗、芯损耗、边缘损耗等。减小间隙的尺寸可以减小芯和绕组中的损耗。在一个或多个实施例中，使用两个较小的间隙代替单个较大的间隙接地到芯腿中的一个使损耗最小化。该结构还可以减小电感器之间的耦合以用于使性能最大化并使气流最大化。耦合可以作为基于间隙位置的电感器取向的因子而减小。当间隙跨印刷线路板对准时，它不位于相邻的电感器旁边。如果不能完全消除的话，这就大大减少了电感器之间的耦合。
特别地，对于多相转换器，电感器的设计对于转换器在高效率应用中的电和热性能可能是关键的。芯、绕组、PWB安装以及电感器耦合可以是优化性能时考虑的关键元件。可以考虑芯的形状、绕组的形状、以及对于优化转换器可能是基本的组装技术。
关于绕组形状，减小绕组的长度可以允许减小交流电流(AC)、电流-电阻(I2R)和边缘损耗。I2R功率损耗是由流过电阻的电流引起的。在一个或多个实施例中，绕组形状可以是所谓的A形框架，因为该形状类似于大写字母A的下腿和横档，如图2B所示并在下面更详细地描述。
关于降压转换器的开关节点侧上的绕组着陆机构，绕组被设计为表面安装到PWB，从而最小化开关节点和绕组之间的距离。这种绕组着落机构或绕组端接可以减小由于短距离引起的PWB中的损耗，在该位置处的多层和通孔减小了PWB损耗。在电感器的输出侧，电感器绕组进入PWB中的槽，这也减少了PWB中电流必须通过的层数。
绕组还可以在绕组的端部或端接处印压，以减小占地面积，从而提高功率密度。这里使用的印压(coining)是一种压平工艺。印压可以是精密冲压的形式，其中工件经受足够高的应力以在材料的表面上引起塑性流动。塑性流动可以减小表面晶粒尺寸并使表面加工硬化。印压是冷加工工艺。
绕组侧上的肩部还可以减小损耗并且增加与PWB的接触，以便在改善气流的同时减小损耗。肩部还可用作电感器的挡块，以允许模块的拾取和放置应用。
此外，芯形状可以使得绕组以角度进入和离开，使芯中的磁通量最大化，顶部芯区域和底部芯区域被优化用于减小的高度并且被优化用于高通量密度应用，例如高电流降压转换器。此外，当电感器并排放置时，芯可以在侧面倒角以改善气流。
电感器芯可以具有以减小电感器之间的磁耦合的方式定位的分布间隙。因此，分布间隙可以允许电感器的放置彼此非常接近而不产生串扰。
在一个或多个实施例中，电感器可以用作转换器的一部分。转换器可以将交流电转换为直流电，反之亦然。此外，转换器还可用于增加(或升压)输入电压以产生大于输入电压的输出电压，并且转换器可用于降低(或降压)输入电压以产生低于输入电压的输出电压。
在一个或多个实施例中，转换器可以是具有大于或等于7V且小于或等于14V的输入电压以及大于或等于0.45V且小于或等于2V的输出电压的非隔离负载点DC-DC降压转换器。非隔离转换器在其输入和其输出之间具有DC路径。
转换器可以是多相转换器，其每相承载高达40安培(A)。
图1示出了具有提供输入电压Vin 103的电压源102的降压转换器100的示例电路图。电压源102通过转换器向负载104供电。转换器100可以包括电设置在电压源102和电感器108之间的控制开关106。控制开关106可以包括晶体管，例如场效应晶体管(FET)。电感器108的输出可以被电耦合到负载104，并且电容器110被布线为与负载并联。电感器108可以将来自转换器的输出电压Vo 112供应给负载。与二极管116并联的置位-复位(SR)开关114可以被电设置在接地118和到负载104的输入之间。SR开关114可以是FET。长虚线120表示用于构造转换器100的高侧印刷电路板(PCB)的电流。短虚线122表示低侧PCB的电流。当控制开关106接通时，控制开关106控制开关网络的一部分(SW网络，也称为交换节点)。当SR开关114接通时，它控制开关网络的另一部分。开关网络(SW网络)包括控制开关106和SR开关114两者的组合效果。
图2A示出了设置在印刷线路板224上并且安装在其上的电感器201的实施例。如图2B的截面图所示，印刷线路板224可以包括多层导体和通孔226。再次参考图2A，电感器可以包括芯228和绕组230。
芯可以包括第一部分232和第二部分234(这里分别示为左部分和右部分)。芯的第一部分和第二部分可以由分布间隙236分开。如图2B所示，除了设置在芯的每个部分232、234的内表面上的通道238之外，分布的间隙可以均匀地分开芯的第一部分232和第二部分234。在一个或多个实施例中，分布间隙236可以被定向为垂直于印刷线路板。使分布间隙236为气隙可能是有利的，尽管在间隙中可使用其它类型的材料。当分布间隙236是气隙时，可以通过允许增加的空气循环来改善设置在印刷线路板224上和电感器201的芯228下方的电子部件240的冷却。例如，电子部件240可以包括场效应晶体管242，其可以产生需要去除的大量热量。
仍然参考图2A和图2B，绕组230可以包括第一端接244和第二端接246(这里分别示为前端接和后端接)。端接也可被称为绕组着陆机构。端接244、246可以包括在绕组的任一侧上的肩部248。端接可以通过焊料250被电连接和机械连接到印刷线路板224。
在一个或多个实施例中，绕组230的第一端接244可以被设置在印刷线路板224上的槽252中，如图2B所示。图2C和图2D示出了在印刷线路板224中不同深度的槽252中的电感器绕组230的第一端接244的截面图。印刷线路板包括多个层254。肩部248确保第一端接下降到进入槽252中的正确深度。
在一个或多个实施例中，绕组端接244、246中的一个或两个可以被印压256。印压可用于减少端接的占地面积以及增加功率密度。
第二端接246可以在降压转换器100中的电感器108的控制开关106侧上。如图2E所示，第二端接246可以与印刷线路板224的顶表面258形成对接接头。
再次参考图2A和图2B，绕组230可以被设置在通道238中，通道238形成在芯228的左部分232和右部分234的面对的内表面上。绕组可以是电导体，例如冲压铜，但是也可以使用其它导电材料。图2F示出了绕组230的透视图。除了端接的不同，绕组230可以具有左右对称以及前后对称。参考图2B和图2F，绕组230可以具有从端接向上延伸的竖直部分260。这些竖直部分可用于将电感器芯提升到印刷线路板上方，从而允许用于将部件设置在芯下方的印刷线路板上和用于围绕部件的气流的间隙以用于冷却。
绕组230可以通过跟随芯的左部分和右部分中的通道而沿着分布的间隙延伸。保持绕组230的镜像的通道可以在内表面的底角262终止，镜像的通道在该位置处弯曲0度和90度之间的第一角度264，并且第二次弯曲第二角度266，该第二角度266是第一角度的补角，从而导致镜像通道的并且因此绕组230的水平部分268。(这里使用的镜像是指对称的特性，而不是指光学或电磁反射表面。)因为绕组跟随通道，所以绕组可以具有相同的形状。这种形状可以称为A形框架形状，因为绕组类似于大写字母A的下腿和横条。通过减小绕组230的长度，从而减小损耗，A形框架形状是有利的。此外，通过在芯的下边缘处进入芯228，更大部分的磁通量保持在芯中，有助于减小芯的尺寸。
再次参考图2B，绕组230可以在空间上将芯228划分为上部和下部。芯228的上部和下部的体积可以相等，并且具有相等的磁通密度。芯228可以包括导磁率大于自由空间导磁率的磁性材料270。这种材料的示例可以是铁氧体，或许是锰锌(MnZn)铁氧体。芯228还可以包括非磁性间隔件272的一个或多个区域。该间隔件272可用于调谐电感器201的电感。所述一个或多个间隔件可以包括芳香族聚酰胺聚合物。例如，间隔件可以包括聚(间苯二胺异酞酰胺)(M-phenylenediamine iso-phthalamide)纸，如市售的纸。
如图2A和图2B所示，电感器201可以包括围绕芯228设置的包绕件274，该包绕件固定绕组230与芯的第一部分232和第二部分234的相对位置。包绕件可以是例如胶带。
图3A-图3E示出了具有许多类似于上面已经讨论的特征的电感器的各种视图。电感器301包括绕组330以及芯的第一部分332和第二部分334。芯在其左底部边缘和右底部边缘上被倒角376。该倒角可以改善芯下方的气流，从而为可设置在电感器的芯部分332、334下方的电子部件提供额外的冷却。
绕组330可以包括具有肩部348的端接344、346。在一个或多个实施例中，第一端接344和第二端接346各自包括从绕组330沿相反方向向外延伸的一对肩部348。肩部348可以向下倾斜同时向外延伸378。
端接344、346可以与印刷线路板形成对接接头。然而，一个或两个端接可以包括插入到印刷线路板中的槽中的接片380、382。
本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，在此通过引用并入本文，其程度如同每个参考文献被单独地和具体地指出引入作为参考并在此完整地阐述。
在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一”和“一个”和“该”和“至少一个”以及类似指示物的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。术语“至少一个”后面跟着一个或多个项目的列表(例如，“A和B中的至少一个”)的使用应被解释为表示从所列出的项目(A或B)中选择的一个项目或所列出的项目(A和B)中的两个或更多个的任何组合，除非本文中另有说明或与上下文明显矛盾。除非另外指明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。除非本文中另外指明，否则本文中数值范围的列举仅旨在用作单独提及落在该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独值并入本说明书中，如同其在本文中单独列举一样。本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，并且不对本发明的范围造成限制，除非另有要求。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的要素对于本发明的实践是必要的。
本文描述了本发明的优选实施方案，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。在阅读了前面的描述后，这些优选实施例的变型对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。本发明人期望熟练的技术人员适当地采用这些变化，并且本发明人意图以不同于本文具体描述的方式实践本发明。因此，本发明包括适用法律允许的所附权利要求中所述主题的所有修改和等同物。此外，除非本文中另有说明或与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述要素在其所有可能变化中的任何组合。

Claims (25)

1.一种电感器，所述电感器被配置为设置在印刷线路板上方并且安装在所述印刷线路板上，所述电感器包括：
绕组，包括：
第一端接和第二端接，所述第一端接和所述第二端接被配置为在不同位置处被电连接到所述印刷线路板；以及
芯，包括：
包括磁性材料的第一部分，所述第一部分具有沿着内表面的通道，所述通道被配置为接纳所述绕组，并且在所述内表面的第一底角和第二底角处或上方终止；
第二部分，所述第二部分是所述第一部分的镜像，所述第二部分包括面向所述第一部分的所述内表面的内表面；以及
分布间隙，所述分布间隙将所述第一部分与所述第二部分均匀地分开，除了所述绕组沿着镜像的所述通道通过的地方之外，
其中：
所述绕组沿着所述分布间隙位于所述第一部分和所述第二部分的镜像的所述通道中，并且
所述绕组在空间上将所述芯划分为体积相等的上部和下部。
2.根据权利要求1所述的电感器，其中镜像的所述通道将所述绕组的端部保持在所述内表面的所述第一底角和所述第二底角处，镜像的所述通道在所述第一底角和所述第二底角处弯曲0度到90度之间的第一角度，并且第二次弯曲第二角度，所述第二角度是所述第一角度的补角，从而产生镜像的所述通道的水平部分。
3.根据权利要求2所述的电感器，其中所述绕组从所述第一底角和所述第二底角竖直向下延伸。
4.根据权利要求1所述的电感器，其中：
所述第一端接在所述印刷线路板中的槽中终止，并且
所述第二端接在所述印刷线路板的顶表面上终止。
5.根据权利要求4所述的电感器，其中所述第一端接和所述第二端接被印压。
6.根据权利要求1所述的电感器，其中所述电感器还包括围绕所述芯设置的包绕件，所述包绕件将所述绕组与所述芯的所述第一部分和所述第二部分的相对位置固定。
7.根据权利要求1所述的电感器，其中所述分布间隙被定向为垂直于所述印刷线路板。
8.根据权利要求1所述的电感器，其中所述芯还包括非磁性间隔件的至少一个区域。
9.根据权利要求8所述的电感器，其中所述非磁性间隔件包括芳香族聚酰胺聚合物。
10.根据权利要求9所述的电感器，其中所述非磁性间隔件包括聚(间苯二胺异酞酰胺)纸。
11.一种系统，包括：
印刷线路板；以及
电感器，所述电感器被设置在印刷线路板上方并且安装在所述印刷线路板上，所述电感器包括：
绕组，包括：
第一端接和第二端接，所述第一端接和第二端接被配置为在不同位置处被电连接到所述印刷线路板；以及
芯，包括：
包括磁性材料的第一部分，所述第一部分具有沿着内表面的通道，所述通道被配置为接纳所述绕组，并且在所述内表面的第一底角和第二底角处或上方终止；
第二部分，所述第二部分是所述第一部分的镜像，所述第二部分包括面向所述第一部分的所述内表面的内表面；以及
分布间隙，所述分布间隙将所述第一部分与所述第二部分均匀地分开，除了所述绕组穿过镜像的所述通道的地方之外，
其中：
所述绕组沿着所述分布间隙位于所述第一部分和所述第二部分的镜像的所述通道中，并且
所述绕组在空间上将所述芯划分为体积相等的上部和下部。
12.根据权利要求11所述的系统，其中镜像的所述通道将所述绕组的端部保持在所述内表面的所述第一底角和所述第二底角处，镜像的所述通道在所述第一底角和所述第二底角处弯曲0度和90度之间的第一角度并且第二次弯曲第二角度，所述第二角度是所述第一角度的补角，从而产生镜像的所述通道的水平部分。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述绕组从所述第一底角和所述第二底角竖直向下延伸。
14.根据权利要求11所述的系统，所述系统还包括转换器，所述转换器将输入电压转换成不同于所述输入电压的输出电压。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述转换器是直流到直流转换器，所述直流到直流转换器将所述输入电压转换成小于所述输入电压的所述输出电压。
16.根据权利要求15所述的系统，其中：
所述第一端接和所述第二端接各自包括一对肩部，所述一对肩部从所述绕组沿相反方向向外延伸，
所述第一端接在所述印刷线路板中的槽中终止，并且
所述第二端接在所述印刷线路板的顶表面上终止。
17.根据权利要求16所述的系统，其中：
所述第一端接和所述第二端接被印压，以及
所述肩部向下倾斜同时向外延伸。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二端接被设置在所述转换器的开关节点侧上。
19.根据权利要求13所述的系统，其中所述芯的所述第一部分和所述第二部分两者包括倒角的下部外边缘，所述倒角的下部外边缘平行于镜像的所述通道的所述水平部分。
20.根据权利要求11所述的系统，其中所述分布间隙被定向为垂直于所述印刷线路板。
21.根据权利要求11所述的系统，其中所述芯还包括非磁性间隔件的至少一个区域。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述非磁性间隔件包括芳香族聚酰胺聚合物。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述非磁性间隔件包括聚(间苯二胺异酞酰胺)纸。
24.根据权利要求14所述的系统，其中所述转换器包括非隔离负载点DC-DC降压转换器，所述非隔离负载点DC-DC降压转换器具有大于或等于7V且小于或等于14V的输入电压，以及大于或等于0.45V且小于或等于2V的输出电压。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述转换器被配置为每相承载高达40安培。
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