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Hintergrund der Erfindung
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Das Gebiet der Erfindung bezieht sich allgemein auf den Aufbau und die Herstellung von Komponenten von Leiterplattenanwendungen und insbesondere auf den Aufbau und die Herstellung von elektromagnetischen Komponenten, wie beispielsweise Leistungsspulen zur Verwendung auf Leiterplatten.
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Elektronische Leistungswandler sind bekannt und in weit verbreiteter Anwendung, um elektrische Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Beispielsweise kann Leistung von einer ersten Gleichstromspannung (DC-Spannung, DC = Direct Current) zu einer anderen Gleichstromspannung umgewandelt werden, was üblicherweise als DC-DC- bzw. Gleichstrom-Gleichstrom-Spannungsumwandlung bezeichnet wird. Leistung kann auch von einer ersten Wechselstromspannung (AC-Spannung, AC = Alternating Current) zu einer anderen Gleichstromspannung unter Verwendung einer Konverter- bzw. Wandlerschaltung umgewandelt werden, was üblicher Weise als AC-DC- bzw. Wechselstrom-Gleichstrom-Spannungsumwandlung bezeichnet wird. Daher werden Leistungswandler bzw. Leistungskonverter oft als Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungswandler oder als Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler bezeichnet.
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Einige Arten von elektrischen Leistungswandlern weisen eine Spule auf, die manchmal als Leistungsspule bezeichnet wird, welche elektrische Energie in der Schaltung speichert und freigibt. Solche Wandler, welche Leistungsspulen aufweisen, werden beispielsweise in Switched-Mode-Leistungsversorgungssystemen bzw. Schaltleistungsversorgungssystemen verwendet, die elektronisch gesteuert werden und beispielsweise Leistung zu einer Vielzahl von in der Hand gehaltenen elektronischen Vorrichtungen liefern, die eine immer weiter zunehmende Anzahl von Merkmalen haben. Wenn Strom durch eine Wicklung in der Spule fließt, erzeugt der Stromfluss ein Magnetfeld, welches als magnetische Energie entweder in einem physischen Spalt oder in einem verteilten Spalt eines magnetischen Kerns der Spule gespeichert werden kann. Die gespeicherte magnetische Energie kann genauso einen Stromfluss in der Spule induzieren und elektrische Energie zurück in die Schaltung bringen. Aus diesem Grund werden solche Leistungswandlerschaltungen und Spulenkomponenten manchmal als Leistungsmagnetvorrichtungen bezeichnet. Leistungsmagnetwandler können beispielsweise Aufwärtswandler, Abwärtswandler und Sperrwandler aufweisen.
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Im Hinblick auf den Trend zu immer kleiner werdenden elektronischen Vorrichtungen mit immer leistungsfähigeren Merkmalen ist die Nachfrage nach Komponenten mit höherer Dichte auf Leiterplatten gestiegen. Um solche Anforderungen zu erfüllen, wurden Leistungsspulen genauso wie andere Komponenten immer weiter miniaturisiert. Es gibt jedoch praktische Herausforderungen und Kompromisse beim Vorsehen von gesteigerten Leistungsfähigkeiten in Komponenten mit kleinerer Größe. Die elektrische Leistung von herkömmlichen Spulen zur Oberflächenmontage bzw. SMD-Spulen ist in nicht wünschenswerter Weise für gewisse Leistungswandleranwendungen eingeschränkt, insbesondere für Anwendungen mit relativ hohem Strom und relativ hoher Leistung. Verbesserungen sind erwünscht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nicht einschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsbeispiele werden mit Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich in den verschiedenen Zeichnungen auf gleiche Teile beziehen, außer wenn dies in anderer Weise beschrieben wird.
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1 ist eine perspektivische Ansicht von unten einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Leistungsspule zur Oberflächenmontage.
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2 ist eine erste Seitenansicht der in 1 gezeigten Leistungsspulenkomponente.
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3 ist eine zweite Seitenansicht der in 1 gezeigten Leistungsspulenkomponente.
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4 ist eine Ansicht der in 1 gezeigten Leistungsspulenkomponente von unten.
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5 ist eine Seitenansicht einer Komponentenanordnung, welche die in den 1–4 gezeigte Leistungsspulenkomponente aufweist, welche auf einer Leiterplatte in gestapelter Beziehung mit einer anderen Leiterplattenkomponente montiert ist.
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6 ist eine perspektivische Ansicht von unten einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer Leistungsspule zur Oberflächenmontage.
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7 ist eine Ansicht von unten der in 6 gezeigten Leistungsspulenkomponente.
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8 ist eine erste Seitenansicht der in 6 gezeigten Leistungsspulenkomponente.
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9 ist eine zweite Seitenansicht der in 6 gezeigten Leistungsspulenkomponente.
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10 ist eine Seitenansicht einer Komponentenanordnung, welche die in den 6–9 gezeigte Komponente aufweist, welche auf einer Leiterplatte in gestapelter Beziehung mit einer anderen Leiterplattenkomponente montiert ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Montage- bzw. Bestückungsdichte von Leiterplatten ist seit langem ein dringliches Problem für Hersteller von elektronischen Vorrichtungen. Das Montieren bzw. Bestücken einer gesteigerten Anzahl von elektronischen Komponenten in einem ausgewählten Bereich einer Leiterplatte gestattet, dass entweder mehr Komponenten auf einer Leiterplatte vorgesehen werden oder gestattet eine wünschenswerte Verringerung der Größe der Leiterplatte, die bei irgendeiner Vorrichtung benötigt wird. Elektronische Vorrichtungen haben entsprechend leistungsfähigere Merkmale oder können kleiner werden. Neuere Trends bei der Verringerung der Größe der elektronischen Vorrichtungen, während gleichzeitig leistungsfähigere Vorrichtungen und Merkmale vorgesehen werden, haben Hersteller von elektronischen Komponenten dazu gezwungen, die Größe der Leiterplattenkomponenten zu verringern, was magnetische Komponenten, wie beispielsweise Spulen, einschließt, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist. Kleinere Komponenten nehmen weniger Raum auf der Leiterplatte ein und vergrößern wiederum die Montagedichte bzw. Bestückungsdichte der Leiterplatte.
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Bei Leistungswandlerschaltungen stellen magnetische Komponenten, wie beispielsweise Leistungsspulen, Probleme bei der Leistung bei gewissen Anwendungen dar, wenn ihre Größe verringert wird. Die Leistungsanforderungen bei Anwendungen mit höherer Leistung und höherem Strom sind schwierig mit dem Wunsch nach immer weiter miniaturisierten Komponenten zu vereinbaren. Die kleineren Spulen und kleineren Magnetkörper von miniaturisierten Leistungsspulen können kleinere Ströme gut handhaben, jedoch nicht größere. Bei Anwendungen mit höherem Strom und höherer Leistung werden größere Spulen benötigt. Wiederum erfordern höherer Strom und größere Spulen größere Magnetkerne, um Energie zu speichern.
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Üblicher Weise werden Leistungsspulenkomponenten, wie beispielsweise andere Leiterplattenkomponenten, auf einer Leiterplatte in einer horizontal beabstandeten Beziehung bezüglich anderer Komponenten auf der Platine bzw. Platte montiert. Bei dem Beispiel eines Leistungswandlers wird eine Leistungsspule in einer horizontal beabstandeten, jedoch naheliegenden Beziehung zu einer integrierten Schaltungskomponenten montiert, welche Leistungsstufenfunktionen vorsieht. Somit stehen größere Leistungsspulen zur Erfüllung von gesteigerten Leistungsanforderungen in Konflikt mit dem Wunsch, die Dichte der Leiterplatte zu vergrößern. Eine größere Leistungsspule wird mehr Fläche auf der Leiterplatte einnehmen, nicht weniger.
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Beispielhafte Ausführungsformen von Leistungsspulen werden unten beschrieben, welche diese und andere Nachteile in der Technik überwinden. Leistungsspulen werden vorgesehen, welche vollständig fähig sind, gesteigerte Anforderungen nach Leistung und Strom von modernen elektronischen Vorrichtungen zu erfüllen, während sie immer noch insgesamt Raumeinsparungen auf den Leiterplatten bieten. Dies wird erreicht, indem die Leistungsspule mit gestapelter Aufnahme von Komponenten konfiguriert wird, so dass anstelle der Montage der Leistungsspule und einer anderen Leiterplattenkomponente Seite an Seite in einer horizontal beabstandeten Beziehung, wie dies in herkömmlicher Weise ausgeführt worden ist, die Leistungsspulenkomponente vertikal mit einer anderen Komponente gestapelt sein kann, so dass die andere Komponente sich zwischen der Leiterplatte und der Leistungsspule erstreckt. Die andere Komponente kann in der Leistungskomponente verschachtelt sein oder unter dieser angeordnet sein, wenn sie auf der Leiterplatte montiert wird.
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Wegen der gestapelten Aufnahme der Komponenten, die bei den Leistungsspulen vorgesehen ist, kann die physische Größe der Leistungsspulen vergrößert werden, um größere Spulen und größere Magnetkerne aufzunehmen, um mit besseren Fähigkeiten in Schaltungen mit höherer Leistung und höherem Strom zu arbeiten. Während die größeren Leistungsspulen eine vergrößerte Fläche auf der Leiterplatte einnehmen, sind Raumeinsparungen auf der Leiterplatte immer noch möglich, weil die andere Komponente (beispielsweise eine integrierte Schaltungskomponente) einen kleineren Bereich innerhalb der Grenzen des größeren Bereichs einnimmt, der von der Leistungsspule eingenommen wird. Verfahrensaspekte werden teilweise offensichtlich sein und teilweise in der Beschreibung unten besprochen.
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Nun mit Bezug auf die 1–5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leistungsspule 100 dargestellt. Die Leistungsspule 100 weist im Allgemeinen einen magnetischen Körper 102 auf, der manchmal als Kern bezeichnet wird, weiter eine Spule 104 (1 und 2) und Oberflächenmontageanschlüsse bzw. SMD-Anschlüsse (SMD = surface mounted device) 106 und 108 (1 und 4). Die Oberflächenmontageanschlüsse 106, 108 vollenden elektrische Verbindungen zu Leiterbahnen oder leitenden Wegen einer Leiterplatte 110 (5). Die elektrischen Verbindungen zu der Leiterbahn können mittels Löten hergestellt werden, um einen Leitungspfad durch die Spule 104 der Spulenkomponente 100 zu vollenden.
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Der magnetische Körper 102 ist in dem gezeigten Beispiel aus einem ersten Magnetkernteil 112 und einem zweiten Magnetkernteil 114 hergestellt. Der magnetische Körper kann einen physischen Spalt 116 zur Energiespeicherung aufweisen. Die Kernteile 112, 114 können aus geeigneten magnetischen Materialien hergestellt sein, die in der Technik bekannt sind. Beispielhafte magnetische Materialien weisen Magnetpulverpartikel auf, wie beispielweise in verschiedenen Ausführungsformen Ferrit-Partikel, Eisenpartikel (Fe-Partikel), Sendust-Partikel (Fe-Si-Al-Partikel), MPP-Partikel (Ni-Mo-Fe-Partikel), HighFlux-Partikel (Ni-Fe-Partikel), Megaflux-Partikel (Fe-Si-Legierungspartikel), Partikel aus eisenbasiertem amorphem Pulver, Partikel aus kobaltbasiertem amorphem Pulver oder andere äquivalente in der Technik bekannte Materialien. Wenn solche Magnetpulverpartikel mit einem Polymerbindermaterial vermischt werden, kann das daraus resultierende magnetische Material verteilte Spalteigenschaften zeigen, welche jegliche Notwendigkeit vermeiden, unterschiedliche Teile aus magnetischen Materialien mit einem physischen Spalt zu versehen oder diese zu trennen. Für Anwendungen mit hohem Strom kann ein vorlegiertes magnetisches amorphes Metallpulver als vorteilhaft angesehen werden.
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Für Leistungsspulenanwendungen können Metallpulvermaterialien gegenüber Ferritmaterialien für die Anwendung als Magnetpulvermaterialien bei Hochleistungsspulenanwendungen bevorzugt werden, wie beispielsweise Fe-Si-Partikel mit einem höheren Bsat-Wert. Der Bsat-Wert bezieht sich auf die maximale Flussdichte B in einem magnetischen Material, die durch das Anlegen eines externen magnetischen Feldes mit einer Intensität bzw. Stärke H erreichbar ist. Eine Magnetisierungskurve, die manchmal als B–H-Kurve bezeichnet wird, wobei eine Flussdichte B gegen einen Bereich einer magnetischen Feldstärke H aufgezeichnet ist, kann den Bsat-Wert für irgendein gegebenes Material zeigen. Der anfängliche Teil der B–H-Kurve definiert die Permeabilität oder Neigung des Materials, magnetisiert zu werden. Bsat bezieht sich auf den Punkt auf der B–H-Kurve, wo ein maximaler Zustand einer Magnetisierung oder eines Flusses des Materials erreicht ist, so dass der Magnetfluss mehr oder weniger konstant bleibt, auch wenn die Magnetfeldstärke weiter ansteigt. Anders gesagt, der Punkt, wo die B–H-Kurve eine minimale Steigung erreicht und beibehält, stellt den Flussdichtesättigungspunkt (Bsat) dar.
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Metallpulverpartikel, wie beispielsweise Fe-Si-Partikel, haben ein relativ hohes Niveau an Permeabilität, während Ferritmaterialien, wie beispielsweise FeNi (Permalloy) eine relativ niedrige Permeabilität haben. Allgemein gesagt gilt, dass je höher eine Permeabilitätssteigung in der B–H-Kurve der verwendeten Metallpartikel ist, desto größer die Fähigkeit des Magnetkerns zur Speicherung von magnetischem Fluss und Energie bei einem festgelegten Strompegel ist, was das Magnetfeld induziert, welches den Fluss erzeugt.
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Der erste Kernteil 112 in dem gezeigten Beispiel weist eine Unterseite 118 auf, die bei Verwendung auf der Leiterplatte 110 aufliegt, und die Oberflächenmontageanschlüsse bzw. SMD-Anschlüsse 106, 108 sind auf der Unterseite 118 zur Montage auf der Leiterplatte 118 freigelegt. Die Unterseite 118, die am Besten in 4 zu sehen ist, hat eine Längenabmessung A und eine Breitenabmessung B, wobei das Produkt davon eine erste Fläche bzw. einen ersten Bereich definiert, den die Leistungsspule 100 auf der Leiterplatte 110 einnimmt, wenn sie montiert ist. Die Unterseite 118 weist weiter eine Bodenfläche auf, die eine Anschlussfläche 120 definiert, und zwar auf jeder gegenüberliegenden Seitenkante der Unterseite 118, und eine Komponentenaufnahmefläche 122, die sich dazwischen erstreckt. Die Komponentenaufnahmefläche 122 erstreckt sich in beabstandeter Beziehung von der Anschlussfläche 120, erstreckt sich jedoch im Allgemeinen parallel dazu. In dem veranschaulichten Beispiel ist die Komponentenaufnahmefläche 122 relativ zur Anschlussfläche 120 ausgenommen bzw. vertieft, so dass, wenn die Anschlussfläche 120 in Oberflächenkontakt mit der Leiterplatte 110 anliegt, die Komponentenaufnahmefläche 122 von der Leiterplatte 110 beabstandet ist. Die Komponentenaufnahmefläche 122 definiert einen Kanal oder Freiraum an der Unterseite 118 des Körpers 102, in dem eine andere Komponente 130 ruhen kann, wobei die Komponente 130 in einer vertikal gestapelten Anordnung zur Leistungsspule 100 ist, wie in 5 gezeigt.
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Die Anschlussfläche 120 erstreckt sich in dem gezeigten Beispiel an den vier Ecken der Unterseite 118, und die Oberflächenmontageanschlüsse 106 und 108 erstrecken sich zwischen gegenüberliegenden Kanten der Unterseite 118. Die Oberflächenmontageanschlüsse 106 und 108 definieren Oberflächenmontagebereiche bzw. SMD-Bereiche, die mit Abmessungen D und E in 4 bezeichnet sind. Die Abmessungen D und E sind im Hinblick auf die hohen Stromanforderungen der Leistungsspulenanwendung ausgewählt, und sie sind in in Betracht gezogenen Ausführungsbeispielen größer als das, was üblicher Weise in miniaturisierten Magnetkomponentenkonstruktionen der jüngeren Zeit vorgesehen worden ist. Die Anschlussflächen 120 haben in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch gemeinsam die Abmessung E.
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Die Komponentenaufnahmefläche 122 erstreckt sich zwischen den Anschlussflächen 120 und den Oberflächenmontageanschlüsse 106, 108. In dem gezeigten Beispiel hat die Komponentenaufnahmefläche 122 eine Längenabmessung F (3), die kleiner ist als die Abmessung A (4) der Unterseite. Insbesondere ist die Abmessung F gleich der Abmessung A minus der Abmessung E der ersten Anschlussfläche 120 und minus der Abmessung E der gegenüberliegenden Anschlussfläche 120. Die Komponentenaufnahmefläche 122 hat auch eine Breitenabmessung gleich der Abmessung B der Unterseite 118 (4) und eine Höhenabmessung G (3), welche die vertikale Beabstandung zur Leiterplatte 110 definiert. Entsprechend definiert die Komponentenaufnahmefläche 122 eine Komponentenaufnahmefläche, die innerhalb der Umgrenzung der größeren Fläche der Unterseite 118 einschließlich der Anschlussflächen 120 und der Oberflächenmontageanschlüsse 106, 108 ist. Die Höhenabmessung G in Kombination mit der Komponentenaufnahmefläche definiert ein Volumen oder einen dreidimensionalen Raum, das bzw. der ausreicht, um die andere Komponente 130 aufzunehmen. Die Komponentenaufnahmefläche ist im Hinblick auf die Längen-Breiten- und -Höhenabmessungen der anderen Komponente 130 ausgewählt. Die Breiten- und Höhenabmessungen der Komponente 130 sind mit Abmessungen H und I in 3 gezeigt, und die Längenabmessung in den in Betracht gezogenen Ausführungsbeispielen ist geringer als die Abmessung A (4) auf der Unterseite 118.
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Die Spule 104, die in den 1 und 4 (und auch gestrichelt in 5) gezeigt ist, ist aus einem leitenden Material geformt, und sie weist in dem gezeigten Beispiel einen sich horizontal erstreckenden Hauptwicklungsabschnitt 124, gegenüberliegende vertikale Wicklungsabschnitte 126 und 128 an jedem entgegengesetzten Ende des Hauptwicklungsabschnittes und die Oberflächenmontageanschlüsse 106 und 108 auf, wie in 5 zu sehen. Die Spule 104 erstreckt sich in einer C-Form, wobei die Enden der Spule 104 nach innen gedreht sind, um die Oberflächenmontageanschlüsse 106 und 108 zu definieren. Die Spule 104, wie sie in 5 zu sehen ist, vollendet weniger als eine komplette Windung einer Spulenwicklung und ist in vorteilhafter Weise für gewisse Anwendungen mit hohem Strom und hoher Leistung vorgesehen. Die Spule 104 hat eine Querschnittsfläche, die für die Stromanforderungen ausgewählt ist, die für die Leistungsanwendung geeignet sind, und die integral geformten Oberflächenmontageanschlüsse 106, 108 sehen eine ausreichende Fläche oder einen ausreichenden Fußabdruck vor, um eine zuverlässige elektrische Verbindung mit der Leiterplatte 110 sicherzustellen. Während eine einzige Spule 104 in der abgebildeten beispielhaften Ausführungsform gezeigt ist, kann mehr als eine Spule in weiteren oder alternativen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.
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Während eine spezielle Spulenkonfiguration beschrieben worden ist, welche integral geformte Oberflächenmontageanschlüsse aufweist, sind natürlich andere Konfigurationen möglich und können in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden. Alternative Spulenkonfigurationen können irgendeine Anzahl von Windungen aufweisen, welche Teil- oder Partialwindungen aufweisen, die weniger als eine vollständige Windung aufweisen, wie in der Spule 104, oder die mehr als eine vollständige Windung aufweisen, um einen erwünschten Induktivitätswert der Spulenkomponente zu erreichen. Als nicht einschränkende Beispiele können die Windungen oder Schleifen in einer Spulenwicklung eine Anzahl von geraden Leiterpfaden aufweisen, die an ihren Enden verbunden sind, gekrümmte Leiterpfade, spiralförmige Leiterpfade, serpentinenartige Leiterpfade oder noch andere Formen und Konfigurationen. Spulen können auch als im Allgemeinen ebene Elemente geformt werden oder können alternativ als dreidimensionales freistehendes Spulenelement geformt werden. Wie dem Fachmann klar sein wird, hängt ein Induktivitätswert der Wicklung einer Spule in erster Linie von der Anzahl der Windungen ab, die in der Wicklung vollendet sind, von dem (den) spezifischen Material(ien), das (die) verwendet wird (werden), um die Spule herzustellen, und von der Querschnittsfläche der Spulenwicklung. Als solches können die Induktivitätsnennwerte der Leistungsspulenkomponente 100 beträchtlich für unterschiedliche Anwendungen variiert werden, indem die Anzahl der Windungen in der Wicklung, die Anordnung der Windungen und die Querschnittsfläche der Spulenwindungen variiert werden.
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Das zweite magnetische Kernteil 114 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Allgemeinen rechteckig und ist mit dem ersten magnetischen Kernteil 112 verbunden, so dass der Hauptwicklungsabschnitt 124 der Spule 104 sich zwischen den zwei Kernteilen 112 und 114 erstreckt. Während eine zweiteilige Kernkonstruktion mit Kernteilen mit unterschiedlichen Formen beschrieben wird, könnten die Kernteile in anderen Ausführungsbeispielen die gleiche Form haben. Eine Konstruktion mit einem einzelnen Kernteil könnte alternativ in noch einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden.
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Die Komponente 130 kann bei in Betracht gezogenen Ausführungsbeispielen eine IC-Komponente (IC = Integrated Circuit = integrierte Schaltung) sein, die für eine Leistungsstufenfunktion in einer Leistungswandleranwendung konfiguriert ist. Die IC-Komponente 130 kann Schalt- und Steuerkomponenten aufweisen, welche in Kombination mit der Leistungsspule 100 eine Leistungswandlerfunktion vorsehen. Als nicht einschränkende Beispiele kann die IC-Komponente 130 konfiguriert sein, um eine Funktion eines Aufwärtswandlers, eines Abwärtswandlers oder eines Sperrwandlers vorzusehen. Andere Arten von Spannungsregelung sind genauso möglich, genauso wie andere Arten von IC-Komponenten, die eine andere Struktur und Funktionsweise für eine Leiterplatte vorsehen. Noch weiterhin können Nicht-IC-Komponenten von der Leistungsspule 100 aufgenommen werden. Irgendeine andere erwünschte Leiterplattenkomponente mit Abmessungen, die mit der Unterseite 118 und der ausgenommenen Aufnahmefläche 122 kompatibel sind, kann verwendet werden.
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Während es im Zusammenhang mit Leistungsspulenanwendungen beschrieben wird, ist das Merkmal der vertikal gestapelten Aufnahme auch nicht auf Leistungsspulenanwendungen eingeschränkt und als solche kann die Komponente 100 als eine andere Art von Spule oder als eine andere Art von SMD-Komponente konfiguriert sein. Beispielsweise könnte eine Transformatorkomponente mit einem ähnlichen Merkmal zur vertikal gestapelten Aufnahme versehen sein. Als ein weiteres Beispiel kann eine Schaltungsschutzsicherung oder eine Stromwellenunterdrückungskomponente mit einem ähnlichen Merkmal zur vertikal gestapelten Aufnahme versehen sein. Noch andere Variationen sind möglich. Abhängig von der Art der erwünschten Komponente kann der Körper 102 aus magnetischen Materialien hergestellt werden oder nicht, und kann aus zwei Teilen geformt sein oder nicht.
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In der in 5 gezeigten Anordnung verringert die vertikal gestapelte Aufnahme effektiv den Fußabdruck bzw. die Baufläche eines Spannungsreglers auf der Leiterplatte 100 in einer Leistungsmagnetanwendung ohne elektrische Leistung zu opfern. Während die Spule 100 größer ist als viele herkömmliche Spulenkomponenten für Oberflächenmontage, nimmt die gestapelte Anordnung mit der IC-Komponente 130 zwischen der Spule 100 und der Leiterplatte 110 tatsächlich weniger Raum auf der Leiterplatte 110 ein als eine kleinere Spule und die IC-Komponente einnehmen würden, wenn sie horizontal in einer voneinander beabstandeten Anordnung auf der Leiterplatte durch herkömmliche Techniken montiert worden wären. Außerdem sieht die vertikal gestapelte Anordnung zusätzliche Vorteile dahingehend vor, dass sie kürzere Leitungspfade zwischen den Komponenten 100 und 130 auf der Leiterplatte 110 gestattet. Die kürzeren Pfade auf den Leiterplatten verringern geringfügig Leistungsverluste, welche längere Pfade unvermeidlicher Weise einführen würden.
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Die 6–10 veranschaulichen eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Leistungsspulenkomponente 200 für Oberflächenmontage, die auch eine vertikal gestapelte Aufnahme mit der Komponente 130 auf der Leiterplatte 110 bietet, wie am Besten in 10 gezeigt.
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Die Komponente 200 weist einen Körper 202 auf, der manchmal als Magnetkern bezeichnet wird, der in der beispielhaften Ausführungsform durch ein erstes Teil 204 und ein zweites Teil 206 definiert wird, die miteinander verbunden sind und zumindest einen Teil einer Spule 208 umschließen. Die ersten und zweiten Kernteile 204, 206 sind aus magnetischen Materialien geformt, wie beispielsweise jene, die oben beschrieben wurden, und sie sind so zusammengesetzt, dass sie eine erwünschte relative magnetische Permeabilität für eine Leistungsspulenanwendung vorsehen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Kernteile 204, 206 ähnlich bemessen und geformt und der Körper 202 kann einen physischen Spalt 210 aufweisen, der sich zwischen den Kernteilen 204 und 206 erstreckt. Abhängig von den verwendeten magnetischen Materialien kann der Spalt 210 jedoch in einigen Ausführungsbeispielen als optional angesehen werden. Während zwei Kernteile im Beispiel der Komponente 200 gezeigt sind, sind auch Konstruktionen mit einem einzelnen Kernteil möglich und können in anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.
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Die Spule 208, so wie sie gezeigt ist, ist aus seinem leitenden Material hergestellt und definiert eine Wicklung, die mehr als eine vollständige Windung einer Spulenwicklung vollendet. Insbesondere weist die beispielhafte Spule 208 einen ersten SMD- bzw. Oberflächenmontageanschluss 212, einen vertikalen Wicklungsabschnitt 214, der sich von dem Oberflächenmontageanschluss 212 erstreckt, einen ersten horizontalen Wicklungsabschnitt 216 (in 9 gezeigt und gestrichelt in 10 gezeigt), einen zweiten vertikalen Wicklungsabschnitt 218, einen zweiten horizontalen Wicklungsabschnitt 220, einen dritten vertikalen Wicklungsabschnitt 222, einen dritten horizontalen Wicklungsabschnitt 224 (in 9 gezeigt), einen vierten vertikalen Wicklungsabschnitt 226 und einen zweiten Oberflächenmontageanschluss bzw. SMD-Anschluss 228 auf. Die Spulenwicklung und ihre Abschnitte 214, 216, 218, 220, 222, 224 und 226 wickeln sich um die jeweiligen Seiten des ersten Kernteils 204, wobei die Wicklungsabschnitte 216 und 224 sich zwischen den ersten und zweiten Kernteilen 204 und 206 erstrecken. Die Oberflächenmontageanschlüsse 212 und 228 sind nach innen gedreht und im Allgemeinen in einer Ebene miteinander in beabstandeter Beziehung zur Fläche der Unterseite 230. Die Oberflächenmontageanschlüsse 212 und 228 können auf der Oberfläche an leitenden Schaltungsbahnen oder Leiterwegen auf einer Leiterplatte unter Verwendung von bekannten Techniken montiert sein, wie beispielsweise durch Löten, um eine Schaltung bzw. einen Stromweg durch die Spule 208 zu vollenden.
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Die Spule 208 ist mit einer Querschnittsfläche versehen, die ausgewählt wurde, wobei die Stromanforderungen für die Leistungsspulenanwendung berücksichtigt wurden, und die Spule ist integral mit den Oberflächenmontageanschlüssen 212, 228 vorgesehen. Während eine beispielhafte Spulenwicklungskonfiguration gezeigt ist, sind natürlich andere Konfigurationen möglich. Der Fachmann wird erkennen, dass ein Induktivitätswert der Wicklung einer Spule in erster Linie von der Anzahl der Windungen abhängt, die in der Wicklung vollendet sind, von dem (den) spezifischen leitenden Material(ien), das (die) zur Herstellung der Spule verwendet wurde(n), und von der Querschnittsfläche der Spulenwicklung. Als solches können die Induktivitätsnennwerte der Leistungsspulenkomponente 200 beträchtlich für unterschiedliche Anwendungen variiert werden, indem die Anzahl der Windungen in der Wicklung, die Anordnung der Windungen und die Querschnittsfläche der Spulenwindungen variiert werden. Auch könnte mehr als eine Spule in der Komponente 200 vorgesehen werden, falls erwünscht.
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Die Oberflächenmontageanschlüsse 212, 228 sind, wie am Besten in den 6, 8 und 10 zu sehen, vertikal von einer Bodenfläche 230 des Körpers 202 beabstandet und insbesondere vom Magnetkernteil 204. Als solches ist der Komponentenkörper 202 von der Leiterplatte 110 im Gebrauch abgehoben, wie in 10 gezeigt. Ein dreidimensionaler Raum ist zwischen den Oberflächenmontageanschlüssen 212, 228 und der Bodenfläche 230 vorgesehen, so dass die andere Komponente 130 in einer vertikal gestapelten Beziehung zwischen dem Komponentenkörper 202 und der Leiterplatte 110 aufgenommen werden kann, wenn diese daran montiert sind. Genauso wie bei der ersten Komponente 100 sind die Länge, die Breite und die Höhe der anderen Komponente 130 so, dass die zweite Komponente 130 in dem Raum zwischen den Oberflächenmontageanschlüssen 212, 228 und dem Körper 202 aufgenommen werden kann. Wie bei der in 5 gezeigten Komponentenanordnung definiert die andere Komponente 130 in der in 10 gezeigten Anordnung eine kleinere Fläche auf der Leiterplatte 110 als ein Teil der größeren Fläche, der von der Komponente 200 eingenommen wird. Obwohl die physische Packungsgröße der Spule 200 vergrößert ist, werden immer noch Raumeinsparungen auf der Leiterplatte 110 realisiert, da die andere Komponente 130 auf der Leiterplatte vertikal unter der Spule 200 montiert ist, anstatt horizontal neben ihr, wie bei der herkömmlichen Praxis.
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Wie am Besten in 6 zu sehen, kann die Spule 208 auch Tragschenkel 230, 232 aufweisen, die integral damit ausgeformt sind und sich in beabstandeter Beziehung von den Oberflächenmontageanschlüssen 212, 228 erstrecken, und zwar in einer Richtung senkrecht zur Bodenfläche 230. Die Tragschenkel 232, 236 erstrecken sich über eine Distanz von der Bodenseite 230 gleich der Distanz, in der sich die Oberflächenmontageanschlüssen 212, 228 erstrecken. Die Tragschenkel 230, 232 können auf der Leiterplatte 110 aufliegen und zusätzliche Stabilität für Montagevorgänge vorsehen. In Kombination mit den Oberflächenmontageanschlüssen 212, 228 sehen die Tragschenkel 230, 232 eine stabile Unterstützung für die Komponente 200 auf der Oberfläche der Leiterplatte 210 vor und vereinfachen das Einrichten von elektrischen Verbindungen der Oberflächenmontageanschlüsse 212, 228 auf der Oberfläche der Leiterplatte 110. Bei in Betracht gezogenen Ausführungsbeispielen können die Tragschenkel 230 zu mechanischen Zwecken dienen, um eine stabilere Struktur vorzusehen, anstatt zu einem elektrischen Zweck, und sie stellen somit nicht selbst eine elektrische Verbindung mit der Leiterplatte 110 her. In einigen Ausführungsbeispielen und abhängig von der (den) vorgesehenen Spulenkonfiguration(en) können die Tragschenkel 230, 232 als optional angesehen werden. Während die in der Spule 208 integrierten Tragschenkel beschrieben worden sind, könnten genauso Tragschenkel oder andere Tragmerkmale in die Konstruktion des Körpers 200 integriert sein oder könnten in anderer Weise durch getrennt vorgesehene Tragkomponenten vorgesehen werden. Zahlreiche Variationen sind in dieser Hinsicht möglich.
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Die Vorteile des über die beabstandeten SMD- bzw. Oberflächenmontageanschlüsse 212, 228 erhöhten Körpers 202 sind ähnlich wie die Vorteile der ausgenommenen Aufnahmefläche der Komponente 100, wie sie oben beschrieben wurde, und sie sind genauso nicht notwendiger Weise auf Leistungsspulenkomponenten eingeschränkt. Verschiedene unterschiedliche Arten von Spulenkomponenten und Nicht-Spulenleiterplattenkomponenten können ähnliche Merkmale mit ähnlichen Vorteilen verwenden. Beispielsweise könnte eine Transformatorkomponente mit einem ähnlichen Merkmal zur vertikal gestapelten Aufnahme vorgesehen werden, welche einen von einer Leiterplatte erhöhten bzw. abgehobenen Körper hat. Als ein weiteres Beispiel könnte eine Schaltungsschutzsicherung oder eine Stromwellenunterdrückungskomponente mit einem ähnlichen Merkmal zur vertikal gestapelten Aufnahme vorgesehen werden. Noch andere Variationen sind möglich. Abhängig von der Art der erwünschten Komponente kann der Körper 202 aus magnetischen Materialien hergestellt werden oder nicht und kann in zwei Teilen geformt sein oder nicht.
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Es wird in Betracht gezogen, dass in noch anderen Ausführungsformen Kombinationen der Merkmale zur vertikal gestapelten Aufnahme möglich sind, welche die bezüglich der Komponenten 100 und 200 beschriebenen Merkmale kombinieren. Das heißt, die gleiche Komponente kann eine ausgenommene bzw. vertiefte Komponentenaufnahmefläche und Oberflächenmontageanschlüsse verwenden, die von dem magnetischen Körper beabstandet sind, um den Komponentenkörper anzuheben, und kann einen dreidimensionalen Raum definieren, in dem eine andere Komponente aufgenommen werden kann. Ein Teil der anderen Komponente kann durch die ausgenommene Komponentenaufnahmefläche aufgenommen werden, und ein Teil der anderen Komponente kann durch die beabstandeten Oberflächenmontageanschlüsse aufgenommen werden, welche den Komponentenkörper von der Leiterplatte abheben. Die Aufnahmeflächen, die von der ausgenommenen Komponentenaufnahmefläche und von den beabstandeten Oberflächenmontageanschlüssen, welche den Komponentenkörper von der Leiterplatte abheben, definiert werden, können in einem solchen Ausführungsbeispiel gleich oder unterschiedlich sein.
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Es wird angenommen, dass die Vorteile der Erfindung nun deutlich bezüglich der beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiele veranschaulicht worden sind.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Oberflächenmontagekomponente bzw. SMD-Komponente für eine Leiterplatte ist offenbart worden, welche Folgendes aufweist: einen Körper; und Oberflächenmontageanschlüsse zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte, wobei der Körper oder die Oberflächenmontageanschlüssen so konfiguriert sind, dass sie eine separat vorgesehene Leiterplattenkomponente in einer mit dem Körper vertikal gestapelten Beziehung aufnehmen, und wobei die separat vorgesehene Leiterplattenkomponente zwischen der Leiterplatte und dem Körper angeordnet ist.
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Optional kann der Körper eine ausgenommene Fläche bzw. einen vertieften Bereich definieren, die bzw. der so dimensioniert ist, dass die separat vorgesehene Oberflächenmontagekomponente bzw. SMD-Komponente aufgenommen wird. Der Körper kann eine Bodenfläche haben, wobei die Oberflächenmontageanschlüsse von der Bodenfläche beabstandet sind, und wobei die Bodenfläche von der Leiterplatte abgehoben ist, um einen Bereich zu definieren, der so bemessen ist, dass die separat vorgesehene Oberflächenmontagekomponente aufgenommen werden kann. Der Körper kann magnetisch sein und kann ein erstes Magnetkernteil und ein zweites Magnetkernteil aufweisen. Der Körper kann auch mindestens einen physischen Spalt aufweisen.
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Der Körper kann betriebsmäßig zumindest eine leitende Spule aufweisen. Die mindestens eine leitende Spule kann mehr als eine vollständige Windung einer Spulenwicklung definieren. Die mindestens eine leitende Spule kann alternativ weniger als eine komplette Windung einer Spulenwicklung definieren. Die Oberflächenmontageanschlüsse können integral auf gegenüberliegenden Enden der mindestens einen leitenden Spule vorgesehen sein. Die Spule kann zumindest einen Tragschenkel zum Tragen der Komponente auf der Leiterplatte definieren, wobei der Körper von der Leiterplatte abgehoben ist. Die Komponente kann eine Leistungsspule definieren.
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Die separat vorgesehene Leiterplattenkomponente kann eine integrierte Schaltungskomponente bzw. IC-Komponente aufweisen. Die IC-Komponente kann eine Leistungsstufe eines Leistungswandlers definieren.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Oberflächenmontagekomponente für eine Leiterplatte ist offenbart worden, welche Folgendes aufweist: einen magnetischen Körper; zumindest eine leitende Spule; und Oberflächenmontageanschlüsse bzw. SMD-Anschlüsse zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der leitenden Spule und der Leiterplatte, wobei der Körper oder die Oberflächenmontageanschlüssen konfiguriert sind, um eine separat vorgesehene Komponente in einer vertikal gestapelten Beziehung aufzunehmen, wobei die separat vorgesehene Leiterplattenkomponente zwischen der Leiterplatte und dem Körper angeordnet ist.
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Optional kann der Körper eine ausgenommene Fläche bzw. einen vertieften Bereich definieren, die so dimensioniert sind, dass die separate Komponente aufgenommen wird. Der magnetische Körper kann auch eine Bodenfläche haben und die Bodenfläche kann von der Leiterplatte abgehoben sein, um einen Bereich zu definieren, der dimensioniert ist, um die separat vorgesehene Oberflächenmontagekomponente aufzunehmen. Der magnetische Körper kann ein erstes magnetisches Kernteil und ein zweites magnetisches Kernteil aufweisen. Der magnetische Körper kann einen physischen Spalt aufweisen.
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Die mindestens eine leitende Spule kann mehr als eine komplette Windung einer Wicklung definieren oder kann alternativ weniger als eine komplette Windung einer Wicklung definieren. Die Oberflächenmontageanschlüsse können integral auf gegenüberliegenden Enden der mindestens einen leitenden Spule vorgesehen sein. Die Spule kann zumindest einen Tragschenkel definieren, um die Komponente auf einer Leiterplatte zu tragen, wobei der Körper von der Leiterplatte abgehoben ist. Der magnetische Körper und die Spule können eine Leistungsspule definieren.
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Die separat vorgesehene Komponente kann eine integrierte Schaltungskomponente bzw. IC-Komponente aufweisen und die IC-Komponente kann eine Leistungsstufe eines Leistungswandlers definieren.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenkomponentenanordnung ist offenbart worden, die Folgendes aufweist: eine erste Oberflächenmontagekomponente bzw. SMD-Komponente, die einen Körper und erste Oberflächenmontageanschlüsse aufweist, wobei der Körper eine Bodenfläche aufweist, die so dimensioniert ist, dass sie eine erste Fläche auf einer Leiterplatte einnimmt; und eine zweite Komponente, die so dimensioniert ist, dass sie ein zweite Fläche auf der Leiterplatte einnimmt, wobei die erste Oberflächenmontagekomponente so konfiguriert ist, dass sie die zweite Komponente in einer vertikal gestapelten Beziehung bezüglich der ersten Oberflächenmontagekomponente aufnimmt, wobei die zweite Komponente zwischen der Leiterplatte und dem Körper der ersten Komponente ist; und wobei die zweite Fläche ein Teil der ersten Fläche ist, wenn die ersten und zweiten Komponenten auf der Leiterplatte montiert sind.
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Optional kann die erste Oberflächenmontagekomponente eine Leistungsspule definieren. Die zweite Komponente kann eine IC-Komponente definieren. Die IC-Komponente kann eine Leistungsstufe eines Leistungswandlers definieren. Der Körper kann eine Bodenfläche aufweisen, die eine ausgenommene Fläche bzw. einen vertieften Bereich hat, die bzw. der dimensioniert sind, um die separat vorgesehene Komponente aufzunehmen. Der Körper kann auch eine Bodenfläche aufweisen, und die Bodenfläche kann von der Leiterplatte abgehoben sein, um einen Bereich zu definieren, der bemessen ist, um die separat vorgesehene Oberflächenmontagekomponente aufzunehmen.
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Die erste Oberflächenmontagekomponente kann eine Spule aufweisen, welche zumindest einen Teil einer Windung einer Spulenwicklung vollendet. Die ersten Oberflächenmontageanschlüsse können integral mit der Spule ausgeformt sein. Die Spule kann zumindest einen Tragschenkel aufweisen, der von den ersten Oberflächenmontageanschlüssen beabstandet ist.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, wobei sie den besten Weg miteinschließt, und sie soll auch jedem Fachmann ermöglichen, die Erfindung praktisch auszuführen, einschließlich jegliche Vorrichtungen oder Systeme herzustellen und zu verwenden und jegliche mit eingeschlossenen Verfahren mit auszuführen. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele miteinschließen, die dem Fachmann offensichtlich sein werden. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, sofern sie strukturelle Elemente haben, die von der wörtlichen Ausdrucksweise der Ansprüche nicht abweichen, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber der wörtlichen Ausdrucksweise der Ansprüche aufweisen.
