FR2641438A1 - Integrated inductive circuit - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPTION "Circuit inductif intégré".DESCRIPTION "Integrated inductive circuit".
La présente invention concerne un circuit inductif planaire constitué d'enroulements et d'éventuellement un noyau en matériau magnétique, les enroulements étant élaborés par empilement de couches isolantes sur la surface desquelles sont disposées une pluralité de spires conductrices plates en forme de spirale, situées dans des plans parallèles ou confondus, le noyau en matériau magnétique, lorsqu'il existe, entourant étroitement lesdits enroulements en traversant des fenêtres ménagées dans l'empilement de couches isolantes. The present invention relates to a planar inductive circuit consisting of windings and possibly a core of magnetic material, the windings being produced by stacking insulating layers on the surface of which are arranged a plurality of flat conductive turns in the form of a spiral, located in parallel or merged planes, the magnetic material core, when it exists, closely surrounding said windings by crossing windows provided in the stack of insulating layers.
Un tel circuit inductif est décrit dans la publication PCIM (Août 1986) le titre de l'article étant "1 MHz Resonant Converter Power Transformer is small, efficient, economical". Cet article expose les problèmes rencontrés lors de la conception de circuits inductifs haute fréquence aux alentours et au-dessus d'l MHz. Il propose notamment un transformateur de puissance pour lequel ont été réduits, les pertes par courant de Foucault, l'effet de peau, l'inductance de fuite et de manière générale les inconvénients qui se présentent lors de l'élaboration d'une alimentation de puissance en haute fréquence. Ainsi, les enroulements du transformateur sont réalisés au moyen de spirales continues et plates en cuivre situées sur des substrats diélectriques indépendants.Les différents circuits imprimés constitués chacun par le substrat et la spire en cuivre sont empilés alors qu'une plaque isolante est insérée entre deux circuits imprimés consécutifs. Une telle réalisation, bien que comportant les avantages ci-avant énumérés présente cependant divers inconvénients. En effet, pour chaque circuit inductif, il est nécessaire de développer une série de circuits imprimés. En outre le procédé qui consiste à empiler les différents circuits imprimés séparés par des plaques isolantes ne permet pas d'assurer une bonne reproductibilité des circuits inductifs et donc de leurs caractéristiques. Such an inductive circuit is described in the PCIM publication (August 1986), the title of the article being "1 MHz Resonant Converter Power Transformer is small, efficient, economical". This article describes the problems encountered when designing high frequency inductive circuits around and above 1 MHz. It proposes in particular a power transformer for which the eddy current losses, the skin effect, the leakage inductance and generally the drawbacks which arise during the development of a power supply have been reduced. high frequency power. Thus, the windings of the transformer are produced by means of continuous and flat copper spirals located on independent dielectric substrates. The various printed circuits each consisting of the substrate and the copper coil are stacked while an insulating plate is inserted between two consecutive printed circuits. Such an embodiment, although having the advantages listed above has however various drawbacks. Indeed, for each inductive circuit, it is necessary to develop a series of printed circuits. In addition, the process which consists in stacking the various printed circuits separated by insulating plates does not make it possible to ensure good reproducibility of the inductive circuits and therefore of their characteristics.
La présente invention propose un circuit inductif planaire du type précité qui ne présente pas les divers inconvénients tout en conservant les avantages du circuit inductif connu. The present invention provides a planar inductive circuit of the aforementioned type which does not have the various drawbacks while retaining the advantages of the known inductive circuit.
Pour cela le circuit inductif planaire du genre mentionné dans le préambule est remarquable en ce qu'il est monolithiquement intégré sur ou dans un substrat unique comportant au moins une couche conductrice, substrat sur ou dans lequel sur la ou sur chaque couche conductrice est formée au moins une spire déterminée alors que les connexions transversales désirées entre spires sont réalisées sélectivement selon la technologie des trous métallisés et en particulier des trous enterrés et des trous borgnes. Ainsi le choix d'une intégration du circuit inductif par exemple sur un circuit monocouche ou dans un circuit multicouche (bien que l'article dans la publication PCIM déconseille expressément le choix d'une telle solution) autorise à une réalisation simple, efficace et peu onéreuse et ceci relativement à toute autre technique connue.En outre les circuits inductifs ainsi obtenus sont parfaitement fiables et reproductibles ce qui rend leur utilisation pratique et sûre même à des fréquences élevées (par exemple jusqu'à 10 MHz). Enfin le calcul des paramètres et des caractéristiques relatifs à des circuits ainsi réalisés est aisé, par exemple, quant au couplage magnétique, à l'inductance de fuite, aux capacités parasites, au flux de fuite, à l'isolement et la rigidité diélectrique (2 à 3 kV entre couches), etc... For this, the planar inductive circuit of the kind mentioned in the preamble is remarkable in that it is monolithically integrated on or in a single substrate comprising at least one conductive layer, substrate on or in which on or on each conductive layer is formed at minus a determined turn while the desired transverse connections between turns are made selectively according to the technology of metallized holes and in particular buried holes and blind holes. Thus the choice of an integration of the inductive circuit for example on a monolayer circuit or in a multilayer circuit (although the article in the publication PCIM expressly advises against the choice of such a solution) allows a simple, effective and little realization expensive and this relative to any other known technique. In addition, the inductive circuits thus obtained are perfectly reliable and reproducible, which makes their use practical and safe even at high frequencies (for example up to 10 MHz). Finally, the calculation of the parameters and characteristics relating to circuits thus produced is easy, for example, as regards magnetic coupling, leakage inductance, stray capacitances, leakage flux, insulation and dielectric strength ( 2 to 3 kV between layers), etc ...
Un autre important avantage se dégage du fait du choix d'une telle réalisation. En effet un tel circuit inductif peut être directement intégré à une carte de circuit imprimé monocouche ou multicouche destinée à recevoir une pluralité de composants discrets, les connexions avec lesdits composants étant alors directement réalisées sur la couche conductrice ou entre couches conductrices. Ainsi, lorsque des circuit inductifs doivent être implantés sur une carte de circuit imprimé, il suffit de prévoir leur implantation lors du développement et de la fabrication du circuit imprimé, ce qui n'impose qu'un très faible coût supplémentaire pour celui-ci. Another important advantage emerges from the choice of such an embodiment. Indeed, such an inductive circuit can be directly integrated into a monolayer or multilayer printed circuit board intended to receive a plurality of discrete components, the connections with said components then being made directly on the conductive layer or between conductive layers. Thus, when inductive circuits must be implanted on a printed circuit board, it suffices to provide for their implantation during the development and manufacture of the printed circuit, which imposes only a very low additional cost for the latter.
Le coût global est quant à lui sensiblement diminué puisque les divers circuits inductifs ne sont pas fabriqués de manière indépendante, de plus aucune connexion extérieure n'est à prévoir pour les diverses liaisons des circuits inductifs aux autres composants du circuit imprimé, ces liaisons étant avantageusement réalisées sur la couche conductrice ou entre couches conductrices, ce qui a pour effet d'améliorer encore la fiabilité, la reproductibilité et le comportement en haute fré quence.The overall cost is significantly reduced since the various inductive circuits are not manufactured independently, moreover no external connection is to be provided for the various connections of the inductive circuits to the other components of the printed circuit, these connections being advantageously performed on the conductive layer or between conductive layers, which has the effect of further improving reliability, reproducibility and behavior at high frequency.
La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. The following description with reference to the accompanying drawings, all given by way of example, will make it clear how the invention can be implemented.
La figure la représente une vue de dessus d'une couche conductrice présentant un ensemble de spires. Figure la represents a top view of a conductive layer having a set of turns.
La figure lb propose une vue en coupe d'un circuit imprimé multicouche et d'un exemple d'interconnexion par trous enterrés et trous borgnes. FIG. 1b shows a sectional view of a multilayer printed circuit and of an example of interconnection by buried holes and blind holes.
La figure 2 donne un exemple de réalisation d'un transformateur sur circuit imprimé. FIG. 2 gives an exemplary embodiment of a transformer on a printed circuit.
Sur la figure ta est proposée, en exemple, une vue de dessus d'une couche conductrice quelconque sur laquelle a été formée, par tout procédé connu en technique de circuit imprimé, un ensemble de deux spires T1 et T2 en forme de spirale. Ces deux spires qui se trouvent donc sur un même plan sont distinctes l'une de l'autre et sont reliées lorsqu'elles sont intégrées dans un circuit multicouche (par exemple par les points V1, V2, V3, V4) à d'autres spires formées sur une couche conductrice interne (inférieure ou supérieure1 selon la technologie des trous enterrés ou sur une couche conductrice externe (inférieure ou supérieure) au moyen de trous borgnes ou enfin sur plusieurs couches internes et externes au moyen de trous métallisés.Cet exemple de réalisation de deux spires n'est bien entendu pas limitatif, une spire unique ou un ensemble de plus de deux spires pouvant être formé selon les besoins. Le calcul permet de déterminer la largeur nécessaire des spires. La réalisation par photogravure permet d'atteindre à une grande précision ce qui autorise une excellente reproductibilité, un couplage constant, et garantit l'obtention des caractéristiques désirées et calculées. In Figure ta is proposed, as an example, a top view of any conductive layer on which has been formed, by any known method in printed circuit technique, a set of two turns T1 and T2 in the form of a spiral. These two turns which are therefore on the same plane are distinct from each other and are connected when they are integrated in a multilayer circuit (for example by points V1, V2, V3, V4) to other turns formed on an internal conductive layer (lower or upper1 according to buried hole technology or on an external conductive layer (lower or upper) by means of blind holes or finally on several internal and external layers by means of metallized holes. production of two turns is of course not limiting, a single turn or a set of more than two turns which can be formed as required. The calculation makes it possible to determine the necessary width of the turns. The realization by photogravure makes it possible to achieve high precision which allows excellent reproducibility, constant coupling, and guarantees obtaining the desired and calculated characteristics.
Sur la figure lb est représentée une vue en coupe constituant un empilage d'un circuit imprimé multicouche PC qui dans cet exemple comporte 8 couches conductrices en cuivre (CLA, CLB, CLC, CLD, CLE, CLF, CLG, CLH) les interconnexions - entre couches se faisant par dépôt de cuivre sur la surface interne d'un trou enterré BUV entre couches internes ou d'un trou borgne BLV entre une couche interne et une couche externe. Une description détaillée relative à la définition et à la fabrication des trous enterrés et trous borgnes est donnée dans la documentation PHILIPS : Philips Components de septembre 1988, m09398 063 80011.Entre chaque couche conductrice se trouve bien entendu une couche d'isolement'(ILi, IL2, IL3, IL4, ILs, ILs, IL7) par exemple en stratifié. In FIG. 1b is shown a sectional view constituting a stack of a multilayer printed circuit PC which in this example comprises 8 conductive copper layers (CLA, CLB, CLC, CLD, CLE, CLF, CLG, CLH) the interconnections - between layers made by depositing copper on the internal surface of a buried hole BUV between internal layers or of a blind hole BLV between an internal layer and an external layer. A detailed description relating to the definition and manufacture of buried and blind holes is given in the PHILIPS documentation: Philips Components of September 1988, m09398 063 80011. Between each conductive layer is of course an insulation layer '(ILi , IL2, IL3, IL4, ILs, ILs, IL7) for example in laminate.
Sur la figure 2 est proposé un exemple de réalisation d'un transformateur selon l'invention. Ce transformateur est réalisé sur un circuit imprimé ou une carte de circuit imprimé PCB comportant 8 couches avec raccordement des spires (figure 1) par trous enterrés et trous borgnes (figure 2). In Figure 2 is proposed an embodiment of a transformer according to the invention. This transformer is produced on a printed circuit or a PCB printed circuit board comprising 8 layers with connection of the turns (figure 1) by buried holes and blind holes (figure 2).
Dans cet exemple de réalisation le transformateur est du type
Forward résomant, il est parfaitement adapté à la conversion haute fréquence (par exemple 1 MHz) et permet de transmettre des puissances importantes (par exemple 75 W.).In this exemplary embodiment, the transformer is of the type
Forward efficient, it is perfectly suited to high frequency conversion (for example 1 MHz) and allows the transmission of significant powers (for example 75 W.).
Dans cet exemple de réalisation, ce transformateur comporte un enroulement primaire de 2 spires, un enroulement de récupération de 2 spires et un enroulement secondaire de 4 spires. L'enroulement de récupération sert à écouler le courant magnétisant au moyen par exemple d'une diode de roue libre connectée.à ses bornes. In this exemplary embodiment, this transformer comprises a primary winding of 2 turns, a recovery winding of 2 turns and a secondary winding of 4 turns. The recovery winding serves to drain the magnetizing current by means for example of a freewheeling diode connected to its terminals.
Le matériau magnétique (3F3) du noyau est de type EI42, la partie E est spécialement usinée pour s'adapter à l'épaisseur du circuit imprimé, la partie I est également de faible épaisseur. Des cales isolantes Ipi, 1P2 sont placées respectivement entre la partie E et le circuit PCB et la partie I et le circuit PCB. Dans le circuit imprimé PCB des fenêtres W1, Wz, W3 sont ménagées de manière à laisser passer la partie E du noyau magnétique et un moyen de fixation FM (par exemple une bride) dudit noyau au circuit imprimé. Une fois fixé le noyau magnétique entoure ainsi étroitement les enroulements réalisés dans le circuit imprimé. The magnetic material (3F3) of the core is of type EI42, part E is specially machined to adapt to the thickness of the printed circuit, part I is also of small thickness. Insulating shims Ipi, 1P2 are placed respectively between part E and the PCB circuit and part I and the PCB circuit. In the PCB printed circuit, windows W1, Wz, W3 are arranged so as to allow part E of the magnetic core and an FM fixing means (for example a flange) from said core to the printed circuit. Once fixed, the magnetic core thus tightly surrounds the windings made in the printed circuit.
Le transformateur peut, selon l'invention, être fabriqué isolément ou être directement intégré à une carte de circuit imprimé comportant d'autres composants, les liaisons étant alors directement et avantageusement effectuées entre couches conductrices. Le circuit magnétique peut être de tout type et de toute matière, de même celui-ci peut être fixé par collage ou tout autre moyen par exemple par bride, par clip, etc... According to the invention, the transformer can be manufactured in isolation or be directly integrated into a printed circuit board comprising other components, the connections then being directly and advantageously made between conductive layers. The magnetic circuit can be of any type and of any material, in the same way it can be fixed by gluing or any other means for example by flange, by clip, etc ...
Une telle réalisation de circuits inductifs est parfaitement adaptée à une utilisation en haute fréquence (jusqu'à 10 MHz) et à puissance élevée (environ 100 W). Such an embodiment of inductive circuits is perfectly suited for use at high frequency (up to 10 MHz) and at high power (around 100 W).
De tels circuits sont néanmoins avantageusement utilisables pour des fréquences relativement basses (jusqu'à environ 50 kHz) mais ceci pour des puissances moindres (environ 10 W). Such circuits are nevertheless advantageously usable for relatively low frequencies (up to approximately 50 kHz) but this for lower powers (approximately 10 W).
En outre et à l'évidence, il est à noter que la réalisation d'un circuit inductif intégré par exemple dans un circuit hybride ne sortirait pas du cadre de l'invention. In addition and obviously, it should be noted that the production of an inductive circuit integrated for example in a hybrid circuit would not depart from the scope of the invention.
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TP | Transmission of property | ||
CL | Concession to grant licences | ||
ST | Notification of lapse |