FR2907590A1

FR2907590A1 - Bobinage solenoide annulaire, bobinage comportant plusieurs branches de bobinage et micro-inductance comportant l'un des bobinages

Info

Publication number: FR2907590A1
Application number: FR0609274A
Authority: FR
Inventors: Bastien Orlando; Bernard Viala
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; STMicroelectronics SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; STMicroelectronics SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-04-25
Anticipated expiration: 2026-10-23
Also published as: US20080094165A1; EP1916675A1; EP1916675B1; JP2008109139A; US7423509B2; FR2907590B1

Abstract

Le bobinage comporte une pluralité de spires (1) disjointes, chaque spire (1) comportant une section plane inférieure (4) dans un plan inférieur et une section plane supérieure (5) dans un plan supérieur. Les spires (1) remplissent la quasi-totalité de la surface enveloppe du bobinage, un écart (2) d'isolement minimum séparant les spires (1) adjacentes. Le bobinage peut être du type solénoïde annulaire, chaque spire comportant une section montante intérieure (6) et une section montante extérieure (7). Dans une autre variante, les spires constituent une pluralité de branches de bobinage sensiblement parallèles, des sections montantes de deux branches adjacentes disposées entre les deux branches adjacentes étant disposées en alternance dans un plan unique.

Description

1 Bobinage solénoïde annulaire, bobinage comportant plusieurs branches de

bobinage et micro-inductance comportant l'un des bobinages Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un bobinage solénoïde annulaire comportant une pluralité de spires disjointes, chaque spire comportant une section plane inférieure dans un plan inférieur, une section plane supérieure dans un plan ~o supérieur, une section montante intérieure et une section montante extérieure. L'invention est également relative à un bobinage comportant une pluralité de spires disjointes constituant une pluralité de branches de bobinage 15 sensiblement parallèles, chaque spire comportant une section plane inférieure dans un plan inférieur, une section plane supérieure dans un plan supérieur et deux sections montantes, les sections montantes de deux branches adjacentes disposées entre les deux branches adjacentes étant disposées en alternance dans un plan unique. 20 État de la technique L'invention s'inscrit dans la thématique des micro-inductances intégrées pour 25 des applications en électronique de puissance. Elle peut, d'une manière plus générale, s'appliquer à tous les systèmes inductifs intégrés ou non (inductances, transformateurs, têtes d'enregistrement magnétique, actionneurs, capteurs, etc...) nécessitant une haute densité de puissance électrique. 30 2907590 2 Il existe depuis de nombreuses années des micro-inductances de divers types. Cependant, les composants discrets restent très majoritairement utilisés dans des applications utilisant de fortes densités de puissance car seuls ces derniers permettent d'utiliser des fils de bobinage très épais 5 permettant d'atteindre de très faibles niveaux de résistance électrique. La plupart des micro-inductances utilisées sur le marché sont des composants discrets fabriqués par des procédés micromécaniques de micro usinage, collage, micro-enroulement, etc... Ces procédés sont lourds à mettre en oeuvre, à traitement individuel, peu flexibles en termes de conception et limitent grandement la miniaturisation des circuits de puissance. En particulier, l'épaisseur des micro-inductances discrètes (typiquement supérieur à 0.5 mm) ne permet pas une mise en boîtier appropriée aux circuits d'alimentation utilisés actuellement pour la téléphonie mobile, par exemple.

Les techniques de fabrications utilisées en microélectronique permettent une flexibilité bien plus grande au niveau de la mise en oeuvre de conceptions différentes, assurent un traitement collectif et sont compatibles avec l'idée de miniaturisation car l'épaisseur (substrat compris) peut facilement être inférieure à 300 pm. Cependant, elles sont mal adaptées au dépôt de fortes épaisseurs (supérieures à 10pm) de matériaux conducteurs, magnétiques ou diélectriques et à leur gravure après photolithographie. Pour les composants intégrés, on se heurte à des contraintes de réalisation 25 technologique. En effet, des dépôts de couches conductrices ayant une épaisseur supérieure à 100 micromètres ne sont pour l'instant pas envisageable dans un procédé industriel standard. Des micro-inductances de type solénoïde torique présentent un bon 30 compromis entre pertes et niveau d'inductance car elles s'approchent du cas idéal du solénoïde infini.

2907590 3 L'article Numerical Inductor Optimization de A. von der Weth et al. (Trans. Magn. Soc. Japan, Vol.2, No.5, pp.361-366, 2002) décrit une micro-inductance avec un circuit magnétique ouvert composé d'une pluralité de 5 noyaux parallélépipédiques. Une pluralité de spires disjointes constitue un bobinage autour des branches du noyau magnétique. Chaque spire comporte une section plane inférieure dans un plan inférieur, une section plane supérieure dans un plan supérieur et deux sections planes montantes. Les sections montantes de deux branches adjacentes disposées entre les 10 deux branches adjacentes sont disposées en alternance dans un plan unique, ce qui permet d'obtenir un faible espacement entre deux branches adjacentes. La compacité du dispositif peut ainsi être augmentée. Pour ces dispositifs, on cherche à augmenter le niveau d'inductance et à minimiser les pertes.

15 Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à améliorer les performances d'une micro-20 inductance, tout en augmentant la compacité de la micro-inductance. Selon l'invention, les spires remplissent la quasi-totalité de la surface enveloppe du bobinage, un écart d'isolement minimum séparant les spires adjacentes. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, dans le cas d'un bobinage solénoïde annulaire, la section montante intérieure de la quasi-totalité des spires est plus étroite que la section montante extérieure correspondante.

2907590 4 Selon un mode de réalisation préférentiel, les sections planes inférieure et supérieure de la quasi-totalité des spires s'élargissent vers l'extérieur du bobinage.

5 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, dans le cas d'un bobinage comportant plusieurs branches de bobinage sensiblement parallèles, les sections supérieure et inférieure sont sensiblement rectangulaires. ~o Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les sections supérieure et inférieure correspondant à une même spire ont la même forme. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les sections supérieure et inférieure correspondant à une même spire sont alignées l'une 15 par rapport à l'autre. L'invention a également pour but une micro-inductance comportant un bobinage selon l'invention. La micro-inductance peut comporter un noyau magnétique enveloppé par le bobinage. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 25 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : les figures 1 à 3 représentent, respectivement en vue de perspective, en 30 vue de dessus et en vue de dessous, un mode de réalisation particulier de la première variante de l'invention, 20 2907590 5 la figure 4 représente, en vue de perspective, un autre mode de réalisation particulier de la première variante de l'invention, les figures 5 et 6 représentent, respectivement en vue de dessus et en vue de dessous, un autre mode de réalisation particulier de la première 5 variante de l'invention, la figure 7 représente, en vue de perspective, un autre mode de réalisation particulier de la première variante de l'invention, les figures 8 à 10 représentent un mode de réalisation particulier de la seconde variante de l'invention, respectivement en vue de perspective, 10 en vue de dessus et en coupe vue de dessous selon le plan défini par les deux axes A-A et B-B de la figure 8, la figure 11 représente, en vue de perspective, un autre mode de réalisation particulier de la seconde variante de l'invention.

15 Description d'un mode préférentiel de l'invention Les différents types de bobinage décrits ci-dessous peuvent être réalisés sans nécessairement utiliser un noyau magnétique. De préférence, 20 cependant, le bobinage enveloppe un noyau magnétique. Le bobinage solénoïde annulaire représentée à la figure 1 comporte une pluralité de spires 1 espacées les unes des autres par un écart 2 d'isolement minimum séparant les spires 1 adjacentes. L'écart 2 d'isolement est fixé par 25 les contraintes de réalisation technologique et le comportement électromagnétique souhaité. Les spires 1 constituent un bobinage autour d'un noyau magnétique 3 sensiblement annulaire. Chaque spire 1 comporte une section plane inférieure 4 dans un plan inférieur, une section plane supérieure 5 dans un plan supérieur, une section montante plane intérieure 6 30 et une section montante plane extérieure 7. Les spires 1 remplissent la 2907590 6 quasi-totalité de la surface enveloppe du bobinage, à l'écart 2 d'isolement minimum près. On entend par surface enveloppe du bobinage une surface continue 5 délimitée par le bobinage et reliant les spires adjacentes entre elles. La surface enveloppe du bobinage inclut ainsi les spires 1 et les écarts 2 d'isolement. Cette surface enveloppe du bobinage doit être remplie au maximum par les spires 1, l'écart 2 d'isolement servant uniquement à assurer l'isolation électrique entre les spires 1. Les écarts 2 d'isolement 10 peuvent, par ailleurs être remplis par un matériau isolant. Ainsi, sur la figure 1, les spires constituent une enveloppe quasi-totale du noyau magnétique 3 annulaire. Contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, la micro-inductance utilise toute la place potentiellement disponible 15 pour le bobinage et ne laisse pas d'espace inutilisé. La micro-inductance a ainsi une résistance plus faible pour un encombrement prédéterminé. Le bobinage annulaire peut, par exemple, être circulaire de manière à former un bobinage torique. De préférence, le bobinage annulaire est rectangulaire.

20 Le bobinage enveloppant peut s'adapter à des puces carrées, rondes (figure 4), rectangulaire, avec ou sans circuit magnétique. Dans le cas de bobinages ronds comme à la figure 4, les sections montantes intérieure 6 et extérieure 7 peuvent ne pas être planes et sont, par exemple, courbées pour suivre les 25 contours du noyau magnétiques. Le nombre de spires 1 peut être très variable et les spires 1 peuvent éventuellement être réparties de manière inhomogène d'une branche à l'autre (figures 5 et 6), c'est-à-dire les sections plane supérieure 5 et intérieure 6, typiquement de forme trapézoïdale, peuvent être de dimension variable d'une spire 1 à l'autre. On peut 30 également imaginer des spires 1 de forme plus complexe, par exemple des trapèzes arrondis ou taillés comme illustré à la figure 7.

2907590 7 Comme représenté aux figures 1 à 7, la section montante intérieure 6 de la quasi-totalité des spires 1 est plus étroite que la section montante extérieure 7 correspondante, c'est-à-dire la section montante extérieure 7 appartenant à 5 la même spire 1 que la section montante intérieure 6. Dans la plupart des cas (figures 1-4 et 7) il s'agit en fait de la totalité des spires. Les figures 5 et 6 montrent un exemple où il s'agit seulement d'une quasi-totalité des spires, car certaines spires (1 a et 1 b) ont des sections montantes intérieures 6 qui sont aussi larges (6b) que la section montante extérieure (7b) 10 correspondante, voire plus larges (6a, 7a). Ainsi, les sections planes inférieure 4 et supérieure 5 de la quasi-totalité des spires 1 s'élargissent vers l'extérieur, notamment par rapport au noyau magnétique 3 annulaire, sauf pour les exemples précités des spires 1 a et 1 b représentées sur les figures 5 et 6.

15 Le dimensionnement du bobinage de type solénoïde torique peut se faire par exemple de la manière suivante illustrée à la figure 2. Le noyau magnétique 3 toroïdal a une longueur externe LMAG et une largeur WMAG. On définit le nombre N de spires par branche nécessaire à l'obtention du niveau 20 d'inductance voulu. Sur la figure 2, par exemple, trois spires sont associées à chacune des quatre branches du noyau magnétique 3. La distance INT entre deux spires adjacentes correspond à l'écart 2 d'isolement minimum et est fixée d'après des contraintes technologiques ou des considérations électriques, en tenant compte, par exemple, des capacités parasites ou des 25 effets de proximité. La marge M entre le bobinage et le noyau magnétique 3 ainsi que la dimension V des sections montantes 6 sont définis par des contraintes technologiques. On calcule ensuite les largeurs maximale et minimale du bobinage WMAX et 30 WMIN d'après les formules suivantes : 2907590 8 WMAX=(LMAG-(N-1)*INT)/N (1) WMIN=(LMAG-2*WMAG-(N+1)*INT-2*M-2*V)/N (2). L'épaisseur du bobinage est un compromis entre la facilité de réalisation et le 5 niveau de résistance désiré. La micro-inductance représentée aux figure 8 à 10 comporte un noyau magnétique 3 fermé comportant quatre branches parallèles 11 (11 a, 11 b, 11 c, 11 d). On pourrait également envisager le même bobinage sans noyau 10 magnétique ou avec un noyau ouvert. Une pluralité de spires 1 disjointes constituent un bobinage autour des branches 11 sensiblement parallèles du noyau magnétique 3. Lorsque ce bobinage est utilisé sans noyau magnétique, les spires 1 disjointes constituent une pluralité de branches de bobinage sensiblement parallèles.

15 Chaque spire 1 comporte une section plane inférieure 4 dans un plan inférieur, une section plane supérieure 5 dans un plan supérieur et deux sections planes montantes 12 et 13. Il est à noter que ces quatre éléments (la section plane inférieure 4, la section plane supérieure 5 et les deux 20 sections planes montantes 12 et 13) ne sont pas reliés entre eux de façon à former une boucle comme, par exemple, dans le cas d'un bobinage solénoïde classique. En effet, les sections planes 4 et 5 peuvent appartenir à des conducteurs électriques distincts, chaque conducteur électrique passant du plan inférieur pour une branche prédéterminée au plan supérieur pour une 25 branche adjacente et inversement. Les sections montantes 12a et 12b de deux branches adjacentes 11 a et 11 b disposées entre les deux branches adjacentes 11 a et 11 b, sont disposées en alternance (12a, 12b, 12a, 12b,...) dans un plan unique. Dans le mode de 30 réalisation particulier représenté à la figure 8, ce plan unique est perpendiculaire au plan du noyau magnétique 3 et passe par l'axe C-C qui 2907590 9 passe par les sections montantes 12a et 12b. Les spires 1 constituent une enveloppe quasi-totale des branches 11 du noyau magnétique, un écart 2 d'isolement minimum séparant les spires 1 adjacentes.

5 Ainsi, les spires 1 remplissent la quasi-totalité de la surface enveloppe du bobinage, le bobinage étant constitué par plusieurs branches de bobinage, avec ou sans noyau magnétique. Les sections supérieure 5 et inférieure 4 représentent, compte tenu de leur 10 dimensions, l'essentiel de la surface des spires. Ainsi, tandis que la longueur Lm (figure 8) des sections montantes 6 et 7 est, par exemple, de l'ordre de 20 microns, la longueur Ls des sections inférieures 4 et supérieures 5 est, par exemple, de l'ordre de plusieurs centaines de microns. Les sections supérieure 5 et inférieure 4 ont, de préférence, une forme sensiblement 15 rectangulaire (voire figures 8à 11), à laquelle s'ajoute des raccords aux sections montantes 6 et 7. La section supérieure 5 a avantageusement les mêmes dimensions et, de préférence, la même forme que la section inférieure 4 correspondant à la même spire 1 et elles sont, de préférence, alignées l'une par rapport à l'autre. Ainsi, elles se superposent 20 complètement, c'est-à-dire leurs projections dans un plan parallèle aux sections supérieure 4 et inférieure 5 sont les mêmes. Sur les figures 8-10, les sections supérieure 4 et inférieure 5 ont une largeur supérieure à la largeur des sections montantes 12a et 12b correspondantes 25 disposées entre deux branches adjacentes 11 a et 11 b. La largeur des sections montantes 12a et 12b disposées entre deux branches adjacentes 11 a et 11 b est, de préférence, inférieure à la moitié de la largeur les sections supérieure 4 et inférieure 5 afin de permettre l'enchevêtrement des spires au niveau des croisements entre les spires. Ainsi, les sections supérieure 5 et 30 inférieure 4 ont une largeur supérieure à la somme des largeurs des sections montantes 12 correspondantes disposées entre deux branches de bobinage 2907590 10 adjacentes. Avantageusement, les sections montantes 12a et 12b ont la même surface. Les sections montantes 13 disposées à l'extérieur d'une branche extérieure 5 11 a de la micro-inductance peuvent présenter la même largeur que les sections supérieure 4 et inférieure 5 des spires 1 correspondantes de la même branche 11a. Sur les figures 8-10, les sections supérieure 4 et inférieure 5 de chaque spire io 1 correspondant à la branche 11a (à droite sur la figure 8) sont reliées par les sections montantes 13 disposées à l'extérieur. Les sections supérieure 4 et inférieure 5 de chaque spire 1 correspondant à la branche 11d à l'autre extrémité (à gauche sur la figure 8) du noyau 3 sont reliées par les sections montantes 12c disposées entre les branches 11c et 11d adjacentes. Deux 15 spires adjacentes correspondant à la branche 11d à l'extrémité du noyau 3 (représentée à gauche sur la figure 8) sont reliées par une section montante 12d disposée à l'extérieur et une section de connexion 14 disposée dans le plan inférieur correspondant aux sections inférieures 4.

20 Le dimensionnement de ce bobinage peut se faire de la manière suivante illustrée à la figure 9. On définit la longueur C du noyau magnétique. On considèrera que toutes les branches du noyau sont de même largeur WMAG. Les contraintes technologiques et électriques fixent les dimensions V des sections montantes 12, la distance inter-spire INT et l'espacement M 25 entre le bobinage et le circuit magnétique. II est à noter que la figure 9 n'est pas à l'échelle et que l'espacement M est, ainsi, variable sur la figure 9. La distance inter-spire INT entre deux spires adjacentes correspond à l'écart 2 d'isolement minimum. L'espacement entre les branches 1 doit au moins être I=V+2*M. Le bobinage peut alors être entièrement défini. Le nombre de 30 spires par branche N (cinq sur la figure 9) est déterminé par le niveau d'inductance désiré. La largeur WMAX des sections supérieure 5 et 2907590 11 inférieure 4 est calculée selon la formule WMAX=(C-2*WMAG-(N-1)*INT- 2M)/N. La largeur WMIN sections montantes 12 est calculée selon la formule WMIN=(WMAX-INT)/2. L'épaisseur de matériau conducteur est finalement fixée comme un compromis entre la facilité de réalisation et le niveau de 5 résistance souhaité. Sur la figure 11 est illustré une micro-inductance avec un noyau magnétique fermé 3 sensiblement annulaire dont seulement deux branches parallèles 11 sont couvertes d'un bobinage constituant une enveloppe quasi-totale des 10 deux branches 11. Le même type de bobinage que celui précédemment décrit peut être utilisé. Les deux variantes permettent d'améliorer les performances des systèmes inductifs. La première variante permet d'abaisser la résistance du bobinage 15 de type solénoïde torique, refermé sur lui-même en adaptant les largeurs des spires 1 du bobinage afin d'utiliser au mieux l'espace disponible. Ce type de bobinage présente donc des sections variables s'élargissant en s'éloignant du centre du noyau annulaire. La seconde variante permet d'augmenter l'inductance de la micro-inductance et la compacité du bobinage.

20 Dans les deux variantes, les spires constituent une enveloppe quasi-complète du noyau magnétique, sur l'anneau entier dans le cas du solénoïde torique et sur les branches parallèles entières dans le cas du noyau multibranche. Seuls les écarts 2 d'isolement minimum séparent les sections 25 planes inférieures 4 de deux spires adjacentes, les sections planes supérieures 5 de deux spires adjacentes et deux sections montantes adjacentes. L'écart 2 d'isolement minimum dépend de la technologie de fabrication utilisée et des contraintes électromagnétiques. L'écart entre spires ne dépasse pas l'écart 2 d'isolement minimum.

30 2907590 12 Pour les composants intégrés utilisant des techniques de micro-fabrication classiques, les deux variantes ne présentent aucune difficulté de fabrication additionnelle par rapport aux systèmes conventionnels préexistants. Par exemple, les sections 5 supérieures et inférieures 4 peuvent respectivement 5 être gravées dans des couches conductrices.

Claims

Revendications

1. Bobinage solénoïde annulaire comportant une pluralité de spires (1) disjointes, chaque spire (1) comportant une section plane inférieure (4) dans un plan inférieur, une section plane supérieure (5) dans un plan supérieur, une section montante intérieure (6) et une section montante extérieure (7), bobinage caractérisé en ce que les spires (1) remplissent la quasi-totalité de la surface enveloppe du bobinage, un écart (2) d'isolement minimum séparant les spires (1) adjacentes.

2. Bobinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section montante intérieure (6) de la quasi-totalité des spires (1) est plus étroite que la section montante extérieure (7) correspondante.

3. Bobinage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les sections planes inférieure (4) et supérieure (5) de la quasi-totalité des spires (1) s'élargissent vers l'extérieur du bobinage.

4. Bobinage comportant une pluralité de spires (1) disjointes constituant une pluralité de branches de bobinage sensiblement parallèles, chaque spire (1) comportant une section plane inférieure (4) dans un plan inférieur, une section plane supérieure (5) dans un plan supérieur et deux sections montantes (12a, 12b, 13), les sections montantes (12a, 12b) de deux branches adjacentes disposées entre les deux branches adjacentes étant disposées en alternance dans un plan unique, bobinage caractérisé en ce que les spires (1) remplissent la quasi-totalité de la surface enveloppe du bobinage, un écart (2) d'isolement minimum séparant les spires (1) adjacentes.

5. Bobinage selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sections supérieure (5) et inférieure (4) sont sensiblement rectangulaires. 13 2907590 14

6. Bobinage selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les sections supérieure (5) et inférieure (4) correspondant à une même spire ont la même forme.

7. Bobinage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les sections supérieure (5) et inférieure (4) correspondant à une même spire sont alignées l'une par rapport à l'autre. 10

8. Bobinage selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les sections supérieure (5) et inférieure (4) ont une largeur supérieure à la largeur des sections montantes (12) correspondantes disposées entre deux branches de bobinage adjacentes. 15

9. Bobinage selon la revendication 8, caractérisé en ce que les sections supérieure (5) et inférieure (4) ont une largeur supérieure à la somme des largeurs des sections montantes (12) correspondantes disposées entre deux branches de bobinage adjacentes. 20

10. Bobinage selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les sections montantes (13) disposées à l'extérieur d'une branche de bobinage extérieure du bobinage présentent la même largeur que les sections supérieure (5) et inférieure (4) des spires correspondantes. 25

11. Micro-inductance, caractérisée en ce qu'elle comporte un bobinage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.

12. Micro-inductance selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comporte un noyau magnétique enveloppé par le bobinage. 5 30