TWI627642B - 可變耦合電感器 - Google Patents

Abstract

一種可變耦合電感器，包含一第一芯材、一第一導線、一第二導線、 一第二芯材以及一磁性結構。第一芯材包含一第一突出部、一第二突出部、一第三突出部以及一第一導線槽與一第二導線槽，其中該第二突出部位於該第一突出部與該第三突出部之間，且該第一導線槽與該第二導線槽分別位於該第一突出部與該第二突出部之間以及該第二突出部與該第三突出部之間。該第一導線與該第二導線分別設置於該第一導線槽與該第二導線槽中。該第二芯材設置於該第一芯材上。該第一突出部與該第二芯材之間形成有一第一間隙、該第二突出部與該第二芯材之間形成有一第二間隙以及該第三突出部與該第二芯材之間形成有一第三間隙。磁性結構設置於該第二突出部與該第二芯材之間，且磁性結構相對於該第二突出部之中線呈對稱分佈。

Description

可變耦合電感器

本發明關於一種可變耦合電感器，尤指一種可同時提高輕載與重載效率之可變耦合電感器。

耦合電感器已經發展一段時間，然而卻不常使用在電路板。隨著更為強大的電腦微處理器在小電路板上需要高電流，耦合電感器也逐漸地被使用於電路板。耦合電感器能夠用來降低傳統電感器所耗費的電路板空間之總量。目前，已經顯示耦合電感器可明顯地降低漣波電流(ripple current)，並且已容許使用較小的電容器，以節省電路板的空間。由於耦合電感器的直流電阻(direct current resistance,DCR)低，可在重載時有較佳效率。然而，由於耦合電感器是利用耦合的方式將雙導線的磁通抵銷，此會使輕載的感量變低，而輕載的效率變差。

因此，本發明的目的之一在於提供一種可同時提高輕載與重載效率之可變耦合電感器，以解決上述問題。

根據一實施例，本發明之可變耦合電感器包含一第一芯材、一第一導線、一第二導線、一第二芯材以及一磁性結構。第一芯材包含一第一突出部、一第二突出部、一第三突出部以及一第一導線槽與一第二導線槽，其中該第二突出部位於該第一突出部與該第三突出部之間，且該第一導線槽與該第二導線槽分別位於該第一突出部與該第二突出部之間以及該第二突出部與該第三突出部之間。該第一導線與該第二導線分別設置於該第一導線槽與該第二導線槽中。該第二芯材設置於該第一芯材上。該第一突出部與該第二芯材之間形成有一第一間隙、該第二突出部與該第二芯材之間形成有一第二間隙以及該第三突出部與該第二芯材之間形成有一第三間隙。磁性結構設置於該第二突出部與該第二芯材之間，且磁性結構相對於該第二突出部之中線呈對稱分佈。

綜上所述，本發明係於位於該第一芯材中間的該第二突出部與該第二芯材之間設置磁性結構，並且使此磁性結構相對於該第二突出部之中線呈對稱分佈，以藉由此磁性結構提高可變耦合電感器的初始感量，進而提高輕載效率。此外，本發明之可變耦合電感器可以鐵氧磁體(ferrite)做為材料來達到高飽和電流，並且使用銅片當電極來降低直流電阻，因此可在重載有較佳效率。換言之，本發明之可變耦合電感器可同時提高輕載與重載效率。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

1‧‧‧可變耦合電感器

10‧‧‧第一芯材

12‧‧‧第一導線

14‧‧‧第二芯材

13‧‧‧第二導線

16、16'、16"、16'''‧‧‧磁性結構

100‧‧‧第一突出部

102‧‧‧第二突出部

104‧‧‧第一導線槽

106‧‧‧第三突出部

105‧‧‧第二導線槽

160、162‧‧‧片段

1040‧‧‧底面

G1‧‧‧第一間隙、第三間隙

G2‧‧‧第二間隙

C‧‧‧中線

D1、D2、D3‧‧‧垂直距離

H‧‧‧總高度

A、B‧‧‧點

X、X3、X4、X5‧‧‧長度

Y1、Y2、Y3、Y4、Y5‧‧‧寬度

第1圖為根據本發明一實施例之可變耦合電感器的立體圖。

第2圖為第1圖中的可變耦合電感器移除第二芯材的立體。

第3圖為第2圖中的第一芯材與磁性結構的立體圖。

第4圖為第1圖中的可變耦合電感器移除二導線的側視圖。

第5圖為以第1圖中的可變耦合電感器量測得到之感量與電流的關係圖。

第6圖為根據本發明另一實施例之第一芯材與磁性結構的立體圖。

第7圖為根據本發明另一實施例之第一芯材與磁性結構的立體圖。

第8圖為根據本發明另一實施例之第一芯材與磁性結構的立體圖。

請參閱第1圖至第4圖，第1圖為根據本發明一實施例之可變耦合電感器1的立體圖，第2圖為第1圖中的可變耦合電感器1移除第二芯材14的立體，第3圖為第2圖中的第一芯材10與磁性結構16的立體圖，第4圖為第1圖中的可變耦合電感器1移除二導線12、13的側視圖。如第1圖至第4圖所示，可變耦合電感器1包含一第一芯材10、一第一導線12、一第二導線13、一第二芯材14以及一磁性結構16。第一芯材10包含一第一突出部100、一第二突出部102、一第三突出部106以及一第一導線槽104與一第二導線槽105，其中該第二突出部102位於該第一突出部100與該第三突出部之間，該第一導線槽104與該第二導線槽105分別位於該第一突出部100與該第二突出部102之間以及該第二突出部102與該第三突出部之間106。換言之，該第二突出部102係位於該第一芯材10的中間部位。該第一導線12與該第二導線13分別設置於該第一導線槽104與該第二導線槽105中。該第二芯材14設置於該第一芯材10上，使得該第一突出部100、該第三突出部106分別與該第二芯材14之間形成有一第一間隙、一第三間 隙G1，且該第二突出部102與該第二芯材14之間形成有一第二間隙G2。該磁性結構16設置於該第二突出部102與該第二芯材14之間，且該磁性結構16相對於該第二突出部102之中線CL呈對稱分佈，如第3圖與第4圖所示。

由於該第二突出部102係位於該第一芯材10的中間部位，且該磁性結構16設置於該第二突出部102與該第二芯材14之間，因此在可變耦合電感器1完成後，該磁性結構16係位於可變耦合電感器1的中間部位。此外，該磁性結構16之二端分別與該第一芯材10及該第二芯材14完全接觸。於此實施例中，該磁性結構16係呈長條狀，但不以此為限。於此實施例中，該磁性結構16與該第一芯材10一體成型，但不以此為限。該第一芯材10、第二芯材14或磁性結構16之材料可為鐵粉、鐵氧磁體、永久磁鐵或其他磁性材料。由於該第一芯材10與磁性結構16為一體成型，故該第一芯材10與磁性結構16之材料相同。於另一實施例中，該磁性結構16亦可與該第二芯材14一體成型，此時，該第二芯材14與磁性結構16之材料相同。於另一實施例中，該磁性結構16亦可為獨立元件，此時，該磁性結構16與第一芯材10、第二芯材14之材料可相同或不同。需說明的是，若因製造公差使得該磁性結構16無法與該第一芯材10及該第二芯材14完全接觸時，可在縫隙處填入磁性膠(例如，絕緣樹脂和磁性粉末的磁性接著劑)。

於此實施例中，該第一間隙、第三間隙G1之垂直距離D1小於該第二間隙G2之垂直距離D2。該第一間隙、第三間隙G1可為氣隙、磁隙或非磁隙，且該第二間隙G2也可為氣隙、磁隙或非磁隙，可根據實際應用而設計。需說明的是，氣隙是以空氣來進行隔絕的間隙，其不含其他材料，由於空氣的磁阻較大，可增加電感飽和度；磁隙是於間隙中填充磁性材料，以減少磁阻，進 而使電感感量增加；非磁隙是於間隙中填充除了空氣之外的非磁性材料，以增進氣隙無法達成的功能，例如填充結合膠，以使不同的磁性材料結合在一起。較佳地，該第一間隙、第三間隙G1可為非磁隙，且該第二間隙G2可為氣隙或非磁隙。

於此實施例中，在可變耦合電感器1完成後，可變耦合電感器1具有一總高度H，該第一間隙、第三間隙G1之垂直距離D1可介於0.0073H與0.0492H之間，且該第二間隙G2之垂直距離D2可介於0.0196H與0.1720H之間。此外，如第4圖所示，該第一間隙、第三間隙G1與該第二間隙G2皆位於第一導線槽104之底面1040至該第二芯材14的垂直距離D3所涵蓋的範圍中。換言之，從第4圖所示之側視圖來看，該第一間隙、第三間隙G1與該第二間隙G2皆不高於且不低於第一導線槽104之底面1040至該第二芯材14的垂直距離D3。於實際應用中，該第一間隙、第三間隙G1產生主要感量，且該第二間隙G2產生漏感(leakage inductance)。

於此實施例中，該磁性結構16具有一第一導磁率μ1，該第一間隙、第三間隙G1具有一第二導磁率μ2，且該第二間隙G2具有一第三導磁率μ3，其中第一導磁率至第三導磁率之關係為μ1>μ2≧μ3。一般而言，導磁率與磁阻成反比，亦即導磁率越大，則磁阻越小。本發明係使位於中央的該磁性結構16的該第一導磁率μ1大於兩側的第一間隙、第三間隙G1與第二間隙G2的該第二導磁率μ2與該第三導磁率μ3。換言之，該磁性結構16的磁阻小於第一間隙、第三間隙G1與第二間隙G2的磁阻。

舉例而言，位於中央的該磁性結構16可以低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)印刷而成，此時，該第一導磁率μ1約介於 50與200之間，而兩側的第一間隙、第三間隙G1與第二間隙G2的該第二導磁率μ2與該第三導磁率μ3約等於1。由於該磁性結構16的該第一導磁率μ1大於該第一間隙、第三間隙G1與第二間隙G2的第二導磁率μ2與第三導磁率μ3，在可變耦合電感器1通電流時，起始磁通便會由中央的該磁性結構16通過。需說明的是，無論該第一芯材10與第二芯材14的材料為何，亦即無論該第一芯材10與第二芯材14的導磁率大小為何，只要位於中央的該磁性結構16的該第一導磁率μ1大於該第一間隙、第三間隙G1與第二間隙G2的第二導磁率μ2與第三導磁率μ3，就可以達到可變耦合電感效果。

此外，該第一芯材10具有一第四導磁率μ4，且該第二芯材14具有一第五導磁率μ5。舉例而言，於另一實施例中，當該磁性結構16、第一芯材10與第二芯材14之材料皆為鐵氧磁體(ferrite)時，則該第一導磁率μ1、第四導磁率μ4與第五導磁率μ5相等。當該磁性結構16之材料為鐵氧磁體時，可提高可變耦合電感器1之初感特性，使可變耦合電感器1在輕載使用的效率更好。需說明的是，該磁性結構16之材料亦可不同於該第一芯材10與第二芯材14之材料，只要該第一導磁率μ1至第五導磁率μ5之關係滿足μ1≧μ4>μ2≧μ3且μ1≧μ5>μ2≧μ3即可。

綜上所述，本發明係於位於該第一芯材10中間的該第二突出部102與該第二芯材14之間設置具有高導磁率(即上述之第一導磁率μ1)之該磁性結構16，並且使該磁性結構16相對於該第二突出部102之中線CL呈對稱分佈，以藉由該磁性結構16提高可變耦合電感器1的初始感量，進而提高輕載效率。

請參閱第5圖以及下表1，第5圖為以第1圖中的可變耦合電感器1量測得到之感量與電流的關係圖，表1為感量與電流的對照表。如第5圖所示，A點為輕載與重載的轉換點(此實施例的A點電流為10A，但不以此為限)，且B點為期望達到的最大電流(此實施例的B點電流為50A，但不以此為限)。A點以下的電流定義為輕載，由第5圖與表1可知，可變耦合電感器1於輕載時的感量明顯提高，因此本發明之可變耦合電感器1可有效提高輕載效率。需說明的是，於此實施例中，可變耦合電感器1之總高度H約為4.07mm，該第一間隙、第三間隙G1之垂直距離D1係介於0.03mm與0.2mm之間，且該第二間隙G2之垂直距離D2係介於0.08mm與0.7mm之間。

於此實施例中，磁性結構16具有一第一表面積A1，且第二突出部102具有一第二表面積A2。如第3圖所示，該磁性結構16與該第二突出部102的長度皆為X，該磁性結構16的寬度為Y1，且該第二突出部102的寬度為Y2，則該磁性結構16之該第一表面積A1為X*Y1，且該第二突出部102之該第二表面積A2為X*Y2。若將A點的電流定義為第一電流I1，且將B點的電流定義為第二電流I2，則第一電流I1、第二電流I2與該第一表面積A1、第二表面積A2的關係可表示為1.21(I1/I2)≧A1/A2≧0.81(I1/I2)。此外，在第一電流I1下可測得一第一感量L1，且在第二電流I2下可測得一第二感量L2，則該第一感量L1與該第二感量L2的關係可表示為0.8L1≧L2≧0.7L1。換言之，本發明可藉由調整該第一表面積A1與該第二表面積A2的大小來調整在第一電流I1(即上述之輕載與重載的轉換點之電流)下的該第一感量L1與在第二電流I2(即上述之期望達到的最大電流)下的該第二感量L2。

需說明的是，上述之第一電流I1可以下列方式來定義。在第一電流I1加1安培下測得一第三感量L3，且5.5nH≧L1-L3≧4.5nH。舉例而言，此 實施例之第一電流I1為10A，其對應的該第一感量L1為159.35nH，第一電流I1加1安培為11A，其對應的該第三感量L3為154.38，則L1-L3=4.97nH，亦即5.5nH≧4.97nH≧4.5nH。藉由上述定義方式，即可在本發明之可變耦合電感器1通電流時，藉由感量的量測找到第4圖中的A點所對應的電流(即上述之第一電流I1)。

請參閱第6圖，第6圖為根據本發明另一實施例之第一芯材10與磁性結構16'的立體圖。該磁性結構16'與上述之磁性結構16的主要差別在於，該磁性結構16'的長度X3小於磁性結構16的長度X，且該磁性結構16'的寬度Y3大於磁性結構16的寬度Y1。於此實施例中，該磁性結構16'的表面積X3*Y3等於磁性結構16的表面積X*Y1。此外，該磁性結構16'仍須相對於該第二突出部102之中線CL呈對稱分佈。需說明的是，該磁性結構16'可與該第一芯材10一體成型、與該第二芯材14一體成型或為獨立元件，視實際應用而定。

請參閱第7圖，第7圖為根據本發明另一實施例之第一芯材10與磁性結構16"的立體圖。該磁性結構16"與上述之磁性結構16的主要差別在於，該磁性結構16"包含二片段160，且每一個片段160的長度與寬度分別為X4與Y4。於此實施例中，該磁性結構16"的表面積(X4*Y4)*2等於磁性結構16的表面積X*Y1。此外，該磁性結構16"之二片段160仍須相對於第二突出部102之中線CL呈對稱分佈。需說明的是，該磁性結構16"可與該第一芯材10一體成型、與該第二芯材14一體成型或為獨立元件，視實際應用而定。

請參閱第8圖，第8圖為根據本發明另一實施例之第一芯材10與磁性結構16'''的立體圖。該磁性結構16'''與上述之磁性結構16的主要差別在於，該磁性結構16'''包含四片段162，且每一個片段162的長度與寬度分別為X5與 Y5。於此實施例中，該磁性結構16'''的表面積(X5*Y5)*4等於磁性結構16的表面積X*Y1。此外，該磁性結構16'''之四片段162仍須相對於第二突出部102之中線CL呈對稱分佈。需說明的是，該磁性結構16'''可與該第一芯材10一體成型、與該第二芯材14一體成型或為獨立元件，視實際應用而定。

換言之，在相同表面積下，可自行設計所需的磁性結構的片段數與形狀。無論磁性結構的片段數與形狀為何，磁性結構皆須相對於該第二突出部102之中線CL呈對稱分佈。

綜上所述，本發明係於位於該第一芯材中間的該第二突出部與該第二芯材之間設置磁性結構，並且使此磁性結構相對於該第二突出部之中線呈對稱分佈，以藉由此磁性結構提高可變耦合電感器的初始感量，進而提高輕載效率。此外，本發明之可變耦合電感器可以鐵氧磁體(ferrite)做為材料來達到高飽和電流，並且使用銅片當電極來降低直流電阻，因此可在重載有較佳效率。換言之，本發明之可變耦合電感器可同時提高輕載與重載效率。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (8)

1. 一種可變耦合電感器，包含：一第一芯材，具有一上表面、一下表面、一第一側表面以及與該第一側表面相對的一第二側表面，其中該上表面具有自該第一側表面延伸至該第二側表面的一第一突出部、一第二突出部以及一第三突出部，其中該第二突出部位於該第一突出部與該第三突出部之間且該第二突出部之上表面分別低於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面，該第一突出部與該第二突出部之間形成一第一導線槽，以及該第二突出部與該第三突出部之間形成一第二導線槽；設置於該第一導線槽之一第一導線與設置於該第二導線槽之一第二導線；一第二芯材，設置於該第一芯材之上方；以及一磁性結構，設置於該第二突出部與該第二芯材之間，該磁性結構相對於該第二突出部之中線呈對稱分佈，所述磁性結構與所述第一芯材一體成型。
2. 一種可變耦合電感器，包含：一第一芯材，具有一上表面、一下表面、一第一側表面以及與該第一側表面相對的一第二側表面，其中該上表面具有自該第一側表面延伸至該第二側表面的一第一突出部、一第二突出部以及一第三突出部，其中該第二突出部位於該第一突出部與該第三突出部之間且該第二突出部之上表面分別低於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面，該第一突出部與該第二突 出部之間形成一第一導線槽，以及該第二突出部與該第三突出部之間形成一第二導線槽；設置於該第一導線槽之一第一導線與設置於該第二導線槽之一第二導線；一第二芯材，設置於該第一芯材之上方；以及一磁性結構，設置於該第二突出部與該第二芯材之間，該磁性結構相對於該第二突出部之中線呈對稱分佈，所述磁性結構之上表面分別高於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面。
3. 一種可變耦合電感器，包含：一第一芯材，該第一芯材之上表面具有一第一突出部、一第二突出部以及一第三突出部，其中該第二突出部位於該第一突出部與該第三突出部之間且該第二突出部之上表面分別低於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面，該第一突出部與該第二突出部之間形成一第一導線槽，以及該第二突出部與該第三突出部之間形成一第二導線槽；設置於該第一導線槽之一第一導線與設置於該第二導線槽之一第二導線；一第二芯材，設置於該第一芯材之上方；以及一磁性結構，設置於該第二突出部與該第二芯材之間，該磁性結構相對於該第二突出部之中線呈對稱分佈，其中該磁性結構與該第二芯材一體成型。
4. 一種可變耦合電感器，包含： 一第一芯材，該第一芯材之上表面具有一第一突出部、一第二突出部以及一第三突出部，其中該第二突出部位於該第一突出部與該第三突出部之間且該第二突出部之上表面分別低於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面，該第一突出部與該第二突出部之間形成一第一導線槽，以及該第二突出部與該第三突出部之間形成一第二導線槽；設置於該第一導線槽之一第一導線與設置於該第二導線槽之一第二導線，該第一導線與該第二導線分別通過該第一導線槽與該第二導線槽環繞該第一芯材；一第二芯材，設置於該第一芯材之上方；以及一磁性結構，設置於該第二突出部與該第二芯材之間，該磁性結構相對於該第二突出部之中線呈對稱分佈，所述磁性結構之上表面分別高於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面。
5. 一種可變耦合電感器，包含：一第一芯材，該第一芯材之上表面具有一第一突出部、一第二突出部以及一第三突出部，該第一突出部與該第二突出部之間形成一第一導線槽，以及該第二突出部與該第三突出部之間形成一第二導線槽；設置於該第一導線槽之一第一導線與設置於該第二導線槽之一第二導線；一第二芯材，設置於該第一芯材之上方；以及一磁性結構，設置於該第二突出部與該第二芯材之間，所述磁性結構包括相互隔開的兩片段，所述兩片段相對於所述第二突出部的中線呈對 稱分佈，所述磁性結構之上表面分別高於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面。
6. 一種可變耦合電感器，包含：一第一芯材，該第一芯材之上表面具有一第一突出部、一第二突出部以及一第三突出部，該第一突出部與該第二突出部之間形成一第一導線槽，以及該第二突出部與該第三突出部之間形成一第二導線槽；設置於該第一導線槽之一第一導線與設置於該第二導線槽之一第二導線；一第二芯材，設置於該第一芯材之上方；以及一磁性結構，設置於該第二突出部與該第二芯材之間，所述磁性結構包括相互隔開的多個片段，所述多個片段的每一片段相對於所述第二突出部的中線呈對稱分佈。
7. 一種可變耦合電感器，包含：一第一芯材，該第一芯材之上表面具有一第一突出部、一第二突出部以及一第三突出部，其中該第二突出部位於該第一突出部與該第三突出部之間且該第二突出部之上表面分別低於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面，該第一突出部與該第二突出部之間形成一第一導線槽，以及該第二突出部與該第三突出部之間形成一第二導線槽；設置於該第一導線槽之一第一導線與設置於該第二導線槽之一第二導線；一第二芯材，設置於該第一芯材之上方；以及 一磁性結構，設置於該第二突出部與該第二芯材之間，所述磁性結構包括相互隔開的兩片段，所述兩片段相對於所述第二突出部的中線呈對稱分佈，所述磁性結構之上表面分別高於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面。
8. 一種可變耦合電感器，包含：一第一芯材，該第一芯材之上表面具有一第一突出部、一第二突出部以及一第三突出部，其中該第二突出部位於該第一突出部與該第三突出部之間且該第二突出部之上表面分別低於該第一突出部之上表面與該第三突出部之上表面，該第一突出部與該第二突出部之間形成一第一導線槽，以及該第二突出部與該第三突出部之間形成一第二導線槽；設置於該第一導線槽之一第一導線與設置於該第二導線槽之一第二導線；一第二芯材，設置於該第一芯材之上方；以及一磁性結構，設置於該第二突出部與該第二芯材之間，所述磁性結構包括相互隔開的多個片段，所述多個片段的每一片段相對於所述第二突出部的中線呈對稱分佈。