TWI645429B

TWI645429B - 變壓器結構

Info

Publication number: TWI645429B
Application number: TW107103121A
Authority: TW
Inventors: 顏孝璁; 簡育生; 葉達勳
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2018-12-21
Also published as: TW201933386A; US11615910B2; US20190237238A1

Abstract

本案涉及一種變壓器結構，包含第一電感以及第二電感。第一電感包含複數圈。第二電感亦包含複數圈，第二電感與第一電感係為交互設置，除了跨線外，第二電感與第一電感置於同一層。其中，第一電感的該些圈中至少一圈相鄰於第一電感的該些圈的另一圈以及第二電感中的一圈。

Description

變壓器結構

本案涉及一種電感結構，尤為一種變壓器結構。

電感結構為現今積體電路中不可或缺的一種元件，其中，變壓器結構更是一種由電感所構成的元件。然而，習知技術中的變壓器結構在滿足高電感比需求的前提下，往往其兩組電感之間的耦合係數以及的品質因子皆不甚理想。是故，此種變壓器結構亟待領域中人加以改良。

本案之一目的是在提供一種變壓器結構，其同時具備高互感值(L值)、較佳的耦合係數(K值)以及良好的品質因子(Q值)。

本案之實施態樣係為一種變壓器結構，包含一第一電感以及一第二電感。該第一電感包含複數圈。該第二電感亦包含複數圈，且該第二電感與該第一電感係為交互設置。其中該第一電感中的該些圈中至少一圈相鄰於該第一電感的該些圈的另一圈以及該第二電感中的一圈。

因此，根據本案之技術內容，本案實施例藉由提供一種變壓器結構，包含交互設置的該第一電感以及該第二電感，在變壓器結構的匝數比較高的狀況下，本案的變壓器結構具備高互感值，且由於兩組電感之間接近，也能保持好的耦合係數，此外，本案的變壓器結構的品質因子也相當良好。本案提供了一種各項指標值兼顧的高匝數變壓器結構，並提供良好的對稱架構，相對其他變壓器設計可減少10dB以上的二階諧波(2^nd harmonic)。

100、300、500、700‧‧‧第一電感

101、301、501、701‧‧‧第一埠

102~112、302~312、502~510、702~716‧‧‧金屬線段

113、313、511、717‧‧‧第二埠

200、400、600、800‧‧‧第二電感

201、401、601、801‧‧‧第三埠

202~206、402~410、602~610、802~806‧‧‧金屬線段

207、411、611、807‧‧‧第四埠

A‧‧‧第一區

L1‧‧‧第一假想直線

L2‧‧‧第二假想直線

CT‧‧‧平面中心點

S1‧‧‧第一側

S2‧‧‧第二側

S3‧‧‧第三側

S4‧‧‧第四側

第1圖為本案一實施例的變壓器結構的示意圖；第2圖為本案一實施例的變壓器結構的示意圖；第3圖為本案一實施例的變壓器結構的示意圖；第4圖為本案一實施例的變壓器結構的示意圖；以及第5圖為本案一實施例的變壓器結構的實驗結果示意圖。

第1圖為本案一實施例的變壓器結構的示意圖，其繪示了一變壓器結構的上視圖。在本實施例中，變壓器結構係設置於第一區A之平面上，其中，第一區A之平面上繪示有彼此垂直的第一假想直線L1以及第二假想直線L2，兩假想直線相交於平面中心點CT。如圖中所示，第一假想直線L1由上而下劃分平面，其一端為平面的第一側S1，其相對的另一端為平面的第二側S2。第二假想直線L2由左而右劃分平面，其一端為平面的第三側S3，其相對的另一端為平面的第四側S4。

如第1圖中所示，在本實施例中，第一區A之平面包含由外而內設置的第一圈至第九圈，第一電感100以及第二電感200交互地設置於第一區A的第一圈至第九圈當中，其中，第一電感100共包含六圈，分別設置於第一區A的第一、四、五、七、八、九圈上，而第二電感200共包含三圈，分別設置於第一區A的第二、三、六圈上，其中，第一電感100所包含之第一區A的第四、五、七圈係同時相鄰於第一電感100所屬的另一圈以及第二電感200的一圈，第二電感200所包含之第一區A的第二、三圈係同時相鄰於第二電感200所屬的另一圈以及第一電感100的一圈。

如第1圖所示，在本實施例中，其中第一電感100的第一埠101於第一側S1耦接金屬線段102，金屬線段102自第一側S1起沿第一區A的第一圈逆時針繞設，其經由第三側S3繞設至第二側S2，金屬線段102再於第二側S2交錯繞設至第一區A的第四圈，金屬線段102自第二側S2起沿第一區A的第四圈繞設，其經由第四側S4繞設至第一側S1，金屬線段102於第一側S1透過金屬線段103交錯耦接至金屬線段104，其中金屬線段104設置於第一區A的第五圈，金屬線段104自第一側S1起沿第一區A的第五圈繞設，其經由第三側S3繞設至第二側S2，金屬線段104再於第二側S2交錯繞設至第一區A的第七圈，並繼續沿第一區A的第七圈通過第四側S4繞設至第一側S1，金屬線段104於第一側S1透過金屬線段105交錯耦接至金屬線段106，其中金屬線段106設置於第一區A的第八圈，金屬線段106自第一側S1起沿第一區A的第八圈繞設，其經由第三側S3繞設至第二側S2，金屬線段106再於第二側S2交錯繞設至第一區A的第九圈，金屬線段106沿第一區A的第九圈根據平面中心點CT逆時針繞設一圈回第二側S2。

接續上段，在本實施例中，金屬線段106再於第二側S2透過金屬線段107交錯耦接至金屬線段108，其中金屬線段108設置於第一區A的第八圈，金屬線段108自第二側S2起沿第一區A的第八圈繞設，其經由第四側S4繞設至第一側S1，金屬線段108再於第一側S1交錯繞設至第一區A的第七圈，金屬線段108自第一側S1起沿第一區A的第七圈繞設，其經由第三側S3繞設至第二側S2，金屬線段102於第二側S2透過金屬線段109交錯耦接至金屬線段110，其中金屬線段110設置於第一區A的第五圈，金屬線段110自第二側S2起沿第一區A的第五圈繞設，其經由第四側S4繞設至第一側S1，金屬線段110於第一側S1交錯繞設至第一區A的第四圈，金屬線段110自第一側S1起沿第一區A的第四圈繞設，金屬線段110經由第三側S3繞設至第二側S2，並於第二側S2透過金屬線段111交錯耦接至金屬線段112，其中金屬線段112設置於第一區A的第一圈，金屬線段112自第二側S2起沿第一區A的第一圈繞設，其經由第四側S4繞設至第一側S1，金屬線段112於第一側S1耦接至第二埠113。

在本實施例中，第一電感100包含第一埠101、金屬線段102~112以及第二埠113，其中，金屬線段103、金屬線段105、金屬線段107、金屬線段109以及金屬線段111係設置於不同於其餘金屬線段所設置的另一層中，第一電感100的各圈即係透過金屬線段103、105、107、109以及111交錯耦接地設置於第一區A中。另外，第一電感100的第一埠101以及第二埠113與上述的其餘金屬線段係設置於同一層，且兩埠皆設置於第一區A的第一側S1。

如第1圖所示，在本實施例中，其中第二電感200的第三埠201於第二側S2耦接金屬線段201，金屬線段201自第二側S2起沿第一區A的第二圈順時針繞設，其經由第三側S3繞設至第一側S1，金屬線段201再於第一側S1交錯繞設至第一區A的第三圈，金屬線段201自第一側S1起沿第三圈繞設，其經由第四側S4繞設至第二側S2，金屬線段201於第二側S2透過金屬線段203交錯耦接至金屬線段204，其中金屬線段204設置於第一區A的第六圈，金屬線段204自第二側S2起沿第一區A的第六圈繞設，其根據平面中心點CT順時針繞設一圈回第二側S2，金屬線段204再於第二側S2交錯繞設至第一區A的第三圈，金屬線段204自第二側S2起沿第一區A的第三圈繞設，其經由第三側S3繞設至第一側S1，金屬線段204於第一側S1透過金屬線段205交錯耦接至金屬線段206，其中金屬線段206設置於第一區A的第二圈，金屬線段206自第一側S1起沿第一區A的第二圈繞設，其經由第四側S4繞設至第二側S2，金屬線段206於第二側S2耦接至第四埠207。

在本實施例中，第二電感200包含第三埠201、金屬線段202~206以及第四埠211，其中，第三埠201、金屬線段203、金屬線段205以及第四埠207係設置於不同於其餘金屬線段所設置的另一層中，第二電感200的各圈即係透過金屬線段203以及金屬線段205交錯耦接地設置於第一區A中。另外，第三埠201以及第四埠207皆設置於第一區A的第二側S2。應注意的是，在本實施例中，除了跨線(例如，金屬線段105、107、109等等)以外，第一電感100以及第二電感200的其他金屬線段皆係設置於積體電路的同一層當中。

由上述本案實施方式可知，本案實施例提供一種變壓器結構，其具備高互感值，且變壓器結構的兩組電感之間距離較近，使其仍能保持較佳的耦合係數，且其品質因子值亦一併提升。舉例而言，請參閱第1圖之左側部分，金屬線段110的右側為與其屬於相同電感之金屬線段104，因此，兩者間不會產生電容，而得以提升第一電感100之電性特性。此外，由於相同電感之金屬線段104與金屬線段110相鄰配置，兩者間會產生互感，進而提升K值，進一步提升了第一電感100之電性特性。此外，金屬線段204與同屬不同電感的金屬線段110相鄰配置，兩者間亦會產生互感，進而提升第二電感200的K值。相對地，第二電感200亦同樣具有類似之配置而得以提升第二電感200之電性特性。

第2圖為本案一實施例的變壓器結構的示意圖，其繪示了一變壓器結構的上視圖。在本實施例中，變壓器結構係設置於第一區A之平面上，其中，第一區A之平面上的假想直線以及第一至四側之配置皆同於第1圖，可同時參照第1圖。

如第2圖中所示，在本實施例中，第一區A之平面包含由外而內設置的第一圈至第九圈，第一電感300以及第二電感400交互地設置於第一區A的第一圈至第九圈當中，其中，第一電感300共包含六圈，分別設置於第一區A的第一、四、五、六、七、九圈上，而第二電感400共包含三圈，分別設置於第一區A的第二、三、八圈上，其中，第一電感300所包含之第一區A的第四、五、六、七、九圈係同時相鄰於第一電感300所屬的另一圈以及第二電感400的一圈，第二電感400所包含之第一區A的第二、三圈係同時相鄰於第二電感400所屬的另一圈以及第一電感300的一圈。基本上，本實施例中的第一電感300以及第二電感400之配置方式類似於第1圖實施例中的第一電感100以及第二電感200。

在本實施例中，第一電感300包含第一埠301、金屬線段302~312以及第二埠313，其中，金屬線段303、金屬線段305、金屬線段307、金屬線段309以及金屬線段311係設置於不同於其餘金屬線段所設置的另一層中，第一電感300的各圈即係透過金屬線段303、金屬線段305、金屬線段307、金屬線段309以及311交錯耦接地設置於第一區A中，其繞設方式如圖中所示。另外，第一電感300的第一埠301以及第二埠313與上述的其餘金屬線段係設置於同一層，且兩埠皆設置於第一區A的第一側S1。在本實施例中，第二電感400包含第三埠401、金屬線段402~410以及第四埠411，其中，第三埠401、金屬線段403、金屬線段405、金屬線段407、金屬線段409以及第四埠411係設置於不同於其餘金屬線段所設置的另一層中，第二電感400的各圈即係透過金屬線段403、金屬線段405、金屬線段407以及金屬線段409交錯耦接地設置於第一區 A中，其繞設方式如圖中所示。另外，第三埠401以及第四埠411皆設置於第一區A的第二側S2。

應注意的是，本實施例中的部分結構不同於第1圖之實施例。其中，在本實施例中，第二電感400的金屬線段402自第二側S2沿第一區A的第二圈逆時針繞設，其途經第三側S3，再於第一側S1交錯繞設至第一區A的第三圈，金屬線段402再沿第一區A的第三圈途經第四側S4繞設至第二側S2，金屬線段402於第二側S2透過金屬線段403交錯耦接至第一區A的第六圈，金屬線段202沿第一區A的第六圈繞設約八分之一圈透過金屬線段405跨接至金屬線段406，而金屬線段406設置於第一區A的第八圈，金屬線段406沿第一區A的第八圈繞設約四分之三圈後透過金屬線段407跨接至金屬線段408的一端，金屬線段408的該端係設置於第一區A的第六圈。亦即，若由第二側S2向內計算，第二電感400的最內圈係設置於第一區A的第六圈，但若由第一側S1、第三側S3或第四側S4向內計算，第二電感400的最內圈係設置於第一區A的第八圈。

第3圖為本案一實施例的變壓器結構的示意圖，其繪示了一變壓器結構的上視圖。在本實施例中，變壓器結構係設置於第一區A之平面上，其中，第一區A之平面上的假想直線以及第一至四側之配置皆同於第1圖或第2圖，故關於圖中所指的方向請同時參照第1圖及第2圖。

如第3圖中所示，在本實施例中，第一區A之平面包含由外而內設置的第一圈至第九圈，第一電感500以及第二電感600交互地設置於第一區A的第一圈至第九圈當中，其中，第一電感500共包含五圈，分別設置於第一區A的第一、四、五、八、九圈上，而第二電感600共包含四圈，分別設置於第一區A的第二、三、六、七圈上，其中，第一電感500所包含之第一區A第四、五、八圈係同時相鄰於第一電感500所屬的另一圈以及第二電感600的一圈，第二電感600所包含之第一區A第二、三、六、七圈係同時相鄰於第二電感600所屬的另一圈以及第一電感500的一圈。基本上，本實施例中的第一電感300以及第二電感400之配置方式類似於第1圖實施例中的第一電感100以及第二電感200。

在本實施例中，第一電感500包含第一埠501、金屬線段502~510以及第二埠511，其中，金屬線段503、金屬線段505、金屬線段507以及金屬線段509係設置於不同於其餘金屬線段所設置的另一層中，第一電感500的各圈即係透過金屬線段503、金屬線段505、金屬線段507以及金屬線段509交錯耦接地設置於第一區A中，其繞設方式如圖中所示。另外，第一電感500的第一埠501以及第二埠511與上述的其餘金屬線段係設置於同一層，且兩埠皆設置於第一區A的第一側S1。在本實施例中，第二電感600包含第三埠601、金屬線段602~610以及第四埠611，其中，第三埠601、金屬線段603、金屬線段605、金屬線段607、金屬線段609以及第四埠611係設置於不同於其餘金屬線段所設置的另一層中，第二電感600的各圈即係透過金屬線段603、金屬線段605、金屬線段607以及金屬線段609交錯耦接地設置於第一區A中，其繞設方式如圖中所示。另外，第三埠601以及第四埠611皆設置於第一區A的第二側S2。

應注意的是，除了第一電感500以及第二電感600的繞設圈數不同外，本實施例中仍有部分結構不同於第1圖或第2圖之實施例。其中，在本實施例中，第二電感600的金屬線段604自第二側S2起沿第一區A的第六圈順時針繞設，其途經第三側S3，再於第一側S1交錯繞設至第一區A的第七圈，金屬線段604再沿第一區A的第七圈途經第四側S4繞設至第二側S2，金屬線段604於第二側S2透過金屬線段605交錯跨接至金屬線段606，其中金屬線段606的一端設置於第一區A的第八圈，再來，金屬線段606於與金屬線段605耦接的第二側S2隨即又再繞設回第一區A的第七圈，金屬線段606再繼續沿第一區A的第七圈順時針繞設，第二電感600後續之金屬線段的繞設方式詳見圖中，於此不再贅述。亦即，第二電感600的金屬線段605應稱作一種跳線結構，其透過有效地利用其他金屬線段繞設所留下的空間，將金屬線段604跨接回同樣位於第一區A的第七圈的金屬線段606。

此外，如圖中所示，在本實施例中，第二電感600的第三埠601係於另一層中延伸以連接金屬線段602一端，同樣地，第二電感600的第四埠611亦係於另一層中延伸以連接金屬線段610的一端。

第4圖為本案一實施例的變壓器結構的示意圖，其繪示了一變壓器結構的上視圖。在本實施例中，變壓器結構係設置於第一區A之平面上，其中，第一區A之平面上的假想直線以及第一至四側之配置皆同於第1~3圖，故關於圖中所指的方向請同時參照第1~3圖。

如第4圖中所示，在本實施例中，第一區A之平面包含由外而內設置的第一圈至第六圈，第一電感700以及第二電感800交互地設置於第一區A的第一圈至第六圈當中，其中，第一電感700共包含四圈，分別設置於第一區A的第一、三、四、六圈上，而第二電感800共包含兩圈，分別設置於第一區A的第二、五圈上，其中，第一電感700所包含之第一區A的第三、四圈係同時相鄰於第一電感700所屬的另一圈以及第二電感800的一圈。不同於前述實施例的是，本實施例中，第一電感700以及第二電感800之繞設形狀為八邊形，而非矩形。

在本實施例中，第一電感700包含第一埠701、金屬線段702~716以及第二埠717，其中，金屬線段703、金屬線段705、金屬線段707以及金屬線段709係設置於不同於其餘金屬線段所設置的另一層中，第一電感700的各圈即係透過金屬線段703、金屬線段705、金屬線段707、金屬線段709、金屬線段711、金屬線段713以及金屬線段715交錯耦接或跨接地設置於第一區A中，其繞設方式如圖中所示。另外，第一電感700的第一埠701以及第二埠717與上述的其餘金屬線段係設置於同一層，且兩埠皆設置於第一區A的第一側S1。在本實施例中，第二電感800包含第三埠801、金屬線段802~806以及第四埠807，其中，金屬線段803以及金屬線段805係設置於不同於其餘金屬線段所設置的另一層中，第二電感800的各圈即係透過金屬線段803以及金屬線段805交錯耦接或跨接地設置於第一區A中，其繞設方式如圖中所示。另外，第三埠801以及第四埠807皆設置於第一區A的第二側S2。

應注意的是，在本實施例中，第一電感700以及第二電感800皆包含若干跳線結構，即係類似第3圖之實施例當中的金屬線段605，係用以有效地利用其他金屬線段繞設所留下的空間來耦接位於同一圈的前後金屬線段。例如，如第4圖所示，第一電感700的金屬線段707和金屬線段713皆為跳線結構，而第二電感800的金屬線段805亦為跳線結構。在本實施例中，除了跨線以及並聯走線(例如上述的金屬線段707、713、805等等)以外，第一電感700以及第二電感800的其他金屬線段皆係設置於積體電路的同一層當中。

第5圖為本案一實施例的變壓器結構的實驗結果示意圖。請參照第5圖，其中橫軸表示的係為頻率，縱軸表示的係為品質因子(Q factor)之值。其中，曲線Q1所繪示者係為利用本案上述實施例之電變壓結構的品質因子曲線，而曲線Q2所繪示者係為非利用本案之變壓感結構的品質因子曲線。顯然地，在大多數的頻率之下，曲線Q1皆係位於曲線Q2之上，尤其於頻率為0GHz~3.5GHz的區間時，曲線Q1與曲線Q2之間具有更大之差距。故知，本案所提供之變壓感結構其量測到的品質因子係為相當理想的。另外，本案的變壓器結構提供了良好的對稱架構，相對非利用本案之變壓感結構的設計可減少10dB以上的二階諧波(2^nd harmonic)。

由上述本案實施方式可知，本案提供一種變壓器結構，其第一電感及第二電感之間具備高互感值，但變壓器結構的兩組電感之間距離較近，使其仍能保持較佳的耦合係數，另外，此種變壓器結構的品質因子亦相當理想。

雖然本案以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種變壓器結構，包含：一第一電感，包含複數圈；以及一第二電感，包含複數圈，該第二電感與該第一電感係為交互設置；其中，該第一電感以及該第二電感係設置於同一層；其中，該第一電感的該些圈中至少二圈相鄰於該第一電感的該些圈的另一圈以及該第二電感的該些圈中的一圈。
如請求項1所述之變壓器結構，其中該第一電感的各圈之間係透過至少一組交錯結構相互耦接。
如請求項2所述之變壓器結構，其中該第一電感的該至少一組交錯結構係跨越該第二電感中的至少兩圈。
如請求項2所述之變壓器結構，其中該第一電感的該至少一組交錯結構係由設置於不同層中的兩金屬線段所構成。
如請求項1所述之變壓器結構，其中該第一電感與該第二電感係設置於一第一區，該第一區包含一第一側以及相對於該第一側的一第二側。
如請求項5所述之變壓器結構，其中該第一電感包含一第一埠以及一第二埠，該第二電感包含一第三埠以及一第四埠。
如請求項1所述之變壓器結構，其中該第一電感和該第二電感的圈數比例為二比一。
如請求項7所述之變壓器結構，其中該第一電感與該第二電感係設置於一第一區，該第一區包含由外而內設置的第一圈至第九圈，該第一電感包含當中的六圈，該第二電感包含當中的三圈。
如請求項7所述之變壓器結構，其中該第一電感與該第二電感係設置於一第一區，該第一區包含由外而內設置的第一圈至第六圈，該第一電感包含當中的四圈，該第二電感包含當中的兩圈。
如請求項1所述之變壓器結構，其中該第一電感和該第二電感的圈數比例為五比四。