TWI668714B - 磁性單元 - Google Patents

磁性單元 Download PDF

Info

Publication number
TWI668714B
TWI668714B TW108105847A TW108105847A TWI668714B TW I668714 B TWI668714 B TW I668714B TW 108105847 A TW108105847 A TW 108105847A TW 108105847 A TW108105847 A TW 108105847A TW I668714 B TWI668714 B TW I668714B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
magnetic
winding
magnetic column
column
line segment
Prior art date
Application number
TW108105847A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202027105A (zh
Inventor
吳睿
葉益青
周嫄
Original Assignee
大陸商台達電子企業管理（上海）有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 大陸商台達電子企業管理（上海）有限公司 filed Critical 大陸商台達電子企業管理（上海）有限公司
Application granted granted Critical
Publication of TWI668714B publication Critical patent/TWI668714B/zh
Publication of TW202027105A publication Critical patent/TW202027105A/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/30—Fastening or clamping coils, windings, or parts thereof together; Fastening or mounting coils or windings on core, casing, or other support
    • H01F27/306—Fastening or mounting coils or windings on core, casing or other support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H01F2027/2809—Printed windings on stacked layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H01F2027/2819—Planar transformers with printed windings, e.g. surrounded by two cores and to be mounted on printed circuit

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

本發明涉及電力電子技術領域，提供一種磁性單元，包含磁芯和繞組，該繞組包含第一繞組和第二繞組，該第一繞組和該第二繞組磁耦合，該磁芯包含排列為一排的Q根磁柱（Q為≥2的自然數），該第一繞組繞設於該Q根磁柱，該第二繞組繞設於該Q根磁柱。通過使第一繞組的線圈位於任意相鄰兩磁柱之間的部分大體上是沿任意相鄰兩磁柱之間的對稱平面對稱分佈的，因此任意相鄰兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈均勻，從而本發明的磁性單元在具有很小的交流損耗的同時，也具備了很高的銅利用率（從而具有很小的直流導通電阻Rdc），由此在總體上具有很小的損耗。

Description

磁性單元
本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種磁性單元。
隨著人類對智能生活要求的提升，社會對數據處理的需求日益旺盛。全球在數據處理上的能耗，平均每年達到數千億甚至數萬億度；而一個大型數據中心的占地面積可以達到數萬平方米。因此，高效率和高功率密度，是這一產業健康發展的關鍵指標。
數據中心的關鍵單元是服務器，其主板通常由CPU、Chipsets（中央處理器、晶片組）內存等數據處理晶片和它們的供電電源及必要外圍元件組成。隨著單位體積服務器處理能力的提升，意味著這些處理晶片的數量、集成度也在提升，導致空間佔用和功耗的提升。因此，為這些晶片供電的電源（因為與數據處理晶片同在一塊主板上，又稱主板電源），就被期望有更高的效率，更高的功率密度和更小的體積，來支持整個服務器乃至整個數據中心的節能和占地面積縮小。為了滿足高功率密度的需求，電源的開關頻率也越來越高，業界低壓大電流電源的開關頻率基本都在1MHz。
高頻高功率密度磁性元件大多數都是使用PCB來實現繞組，同時在預留出孔位來安裝磁性材料，也就是常說的磁芯來實現。如圖1A所示，該磁性元件包含了繞組1、繞組2和磁芯，其中繞組1、繞組2是採用PCB上的銅箔來實現，由於PCB是多層銅箔加上絕緣層疊起來，因此繞組1、繞組2是具有多層結構的銅箔結構，圖1B是圖1A的上平面圖。
為了方便說明，圖1B為對稱形態，如圖所示，共有兩條對稱線，分別為中心線1與中心線2。
為了實現高效率低損耗的繞組，主要要考慮兩個方面，第一考慮繞組的直流導通電阻Rdc，第二是繞組的交流損耗係數Kac，繞組損耗可以表示如下：
Pwinding=Irms2×Rdc×Kac
其中Irms是通過繞組的電流有效值，由電路工作狀態決定。在相同的工作狀態下，Rdc與Kac越小，則繞組損耗越低。
對於PCB或者是銅箔式的繞組，相同面積厚度的情況下提高銅箔的利用率是提高Rdc的關鍵，如圖2所示的一個典型的PCB繞組，可以看出，扣除PCB中必要的磁柱開孔，影響到銅利用率的為繞組間隙，繞組間隙越大，越多，則繞組中銅箔利用率越低，繞組的Rdc越高，則繞組的損耗加大。一般的，繞組間隙是由工藝（製程）決定，與PCB銅箔厚度和廠家的制程相關，所以繞組間隙W2有一個最小值，不會隨著繞組和間隙的總寬度W1的變小而繼續變小，因此，在W1接近W2的情況下，間隙的個數將明顯影響winding的銅利用率。舉個實際的例子，如果W1=2mm，W2最小為0.2mm，兩個winding間隙，則銅利用率大約為80%，如果W1=1mm，而W2與間隙數不變，則銅利用率降為60%。減少間隙的個數成為提高銅利用率的最有效的選擇，如果沒有間隙則匝數變為1匝每層，銅利用率為100%，這樣需要更多的層數來實現所需的匝數，帶來的一個顯而易見的問題就是成本的提高和PCB厚度的提升。實際中PCB的層數是受到限制的，因此每層一匝的情況並不能適用每一種情況。
另外一個影響繞組損耗的關鍵參數是Kac，這是由繞組的結構，開關頻率，銅箔厚度所決定，在開關頻率與銅箔厚度固定的情況下，繞組結構決定了Kac的大小趨勢，而這可以通過典型的MMF（磁動勢）來簡單的判斷，一般來說，MMF分佈越均勻，則Kac越小，圖3A展示了一個例子，磁柱之間為偶數匝的一種結構的MMF圖，該圖左側為沿著圖1B所示的中心線1畫出的圖1A的剖面結構圖，P代表原邊繞組，S1，S2則為副邊繞組。右側則為兩個磁柱中間繞組的MMF圖。從MMF來說，該MMF分佈最大點與最小點的絕對值相同，因此分佈比較均勻，沒有明顯的MMF值偏大或偏小。而圖3B則不同，磁柱之間存在奇數匝的佈線層，其MMF圖顯示其中有一點明顯偏大，因此該結構會出現Kac變大。實際仿真結構顯示，在1MHz，3oz銅厚的情況下，圖3B較圖3AKac增大了25%左右。因此，MMF分佈越均勻，則Kac越小，而MMF分佈均勻與繞組的結構有關，圖3A上下繞組分佈均勻，故而有MMF分佈均勻，而圖3B中所示繞組上下並不一致，因此分佈並不均勻。當磁柱之間存在設置有奇數匝（2n+1匝）繞組的佈線層時，這一現象較為明顯。
因此，需要一種新的磁性單元的結構設計方案。
在所述先前技術部分揭露的上述信息僅用於加強對本發明的背景的理解，因此它可以包括不構成對本發明所屬技術領域中具有通常知識者已知的習知技術的訊息。
本發明提供一種磁性單元，進而至少在一定程度上克服由於相關技術的限制和缺陷而導致的一個或者多個問題。
本發明的其他特性和優點將通過下面的詳細描述變得顯然，或部分地通過本發明的實踐而習得。
根據本發明的第一方面，公開一種磁性單元，其特徵在於，該磁性單元包含磁芯和繞組，該繞組包含第一繞組和第二繞組，該第一繞組和該第二繞組磁耦合，該磁芯包含排列為一排的Q根磁柱，其中Q為≥2的自然數，該第一繞組繞設於該Q根磁柱，該第二繞組繞設於該Q根磁柱；
其中，該第一繞組包含形成於第一佈線層的第一部分繞組和形成於第二佈線層的第二部分繞組；其中，該Q根磁柱中相鄰的第i磁柱與第i+1磁柱之間形成一虛擬直線，該虛擬直線與該第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該虛擬直線與該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，該虛擬直線與該第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該虛擬直線與該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，其中，1≤i≤Q-1，n≥1；
其中，該第i磁柱和該第i+1磁柱具有一對稱平面，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該對稱平面相交；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該對稱平面相交。
根據本發明的一示例實施方式，該第一部分繞組繞設該第i磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第i磁柱的最內匝串聯連接，該第一部分繞組繞設該第i+1磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第i+1磁柱的最內匝串聯連接。
根據本發明的一示例實施方式，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該對稱平面兩側的長度的比值A∈[0.7,1.43]，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該對稱平面兩側的長度的比值B∈[0.7,1.43]。
根據本發明的一示例實施方式，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等。
根據本發明的一示例實施方式，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於該第n+1個交叉線段的長度；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度。
根據本發明的一示例實施方式，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減。
根據本發明的一示例實施方式，該第一繞組或該第二繞組由PCB、銅箔、線餅或其組合構成。
根據本發明的一示例實施方式，該第一繞組和該第二繞組中的其中一個繞組為一變壓器的原邊繞組，另一個繞組為該變壓器的副邊繞組。
根據本發明的一示例實施方式，該磁性單元包括多個該第一繞組繞設於該Q根磁柱。
根據本發明的第二方面，公開一種磁性單元，其特徵在於，該磁性單元包含磁芯和繞組，該繞組包含第一繞組和第二繞組，該第一繞組和該第二繞組磁耦合，該磁芯包含排列為P排Q列矩陣的P*Q根磁柱，其中P，Q為≥2的自然數，該第一繞組繞設於該P*Q根磁柱，該第二繞組繞設於該P*Q根磁柱；
其中，該第一繞組包含形成於第一佈線層的第一部分繞組和形成於第二佈線層的第二部分繞組；其中，該每一排的Q根磁柱中相鄰的第i磁柱與第i+1磁柱之間形成一第一虛擬直線，該第一虛擬直線與該第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該第一虛擬直線與該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，該第一虛擬直線與該第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該第一虛擬直線與該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，該每一列的P根磁柱中相鄰的第j磁柱與第j+1磁柱之間形成一第二虛擬直線，該第二虛擬直線與該第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該第二虛擬直線與該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，該第二虛擬直線與該第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該第二虛擬直線與該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，其中，1≤i≤Q-1，1≤j≤P-1，n≥1；
其中，該每一排中相鄰的該第i磁柱和該第i+1磁柱具有一第一對稱平面，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該第一對稱平面相交；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該第一對稱平面相交； 該每一列中相鄰的該第j磁柱和該第j+1磁柱具有一第二對稱平面，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該第二對稱平面相交；該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該第二對稱平面相交。
根據本發明的一示例實施方式，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組繞設該第i磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第i磁柱的最內匝串聯連接，該第一部分繞組繞設該第i+1磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第i+1磁柱的最內匝串聯連接；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組繞設該第j磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第j磁柱的最內匝串聯連接，該第一部分繞組繞設該第j+1磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第j+1磁柱的最內匝串聯連接。
根據本發明的一示例實施方式，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第一對稱平面兩側的長度的比值C∈[0.7,1.43]，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第一對稱平面兩側的長度的比值D∈[0.7,1.43] ；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第二對稱平面兩側的長度的比值E∈[0.7,1.43]，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第二對稱平面兩側的長度的比值F∈[0.7,1.43]。
根據本發明的一示例實施方式，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等。
根據本發明的一示例實施方式， 在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度。
根據本發明的一示例實施方式，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減。
根據本發明的一示例實施方式，該第一繞組或該第二繞組由PCB、銅箔、線餅或其組合構成。
根據本發明的一示例實施方式，該第一繞組和該第二繞組中的其中一個繞組為一變壓器的原邊繞組，另一個繞組為該變壓器的副邊繞組。
根據本發明的一示例實施方式，該磁性單元包括多個該第一繞組繞設於該P*Q根磁柱。
根據本發明的一示例實施方式，該P排Q列矩陣中任一排與任一列之間的夾角為80°~90°。
根據本發明的一些實施方式，通過使第一繞組的線圈位於任意相鄰兩磁柱之間的部分大體上是沿任意相鄰兩磁柱之間的對稱平面對稱分佈的，因此任意相鄰兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈均勻，從而本發明的磁性單元在具有很小的交流損耗的同時，也具備了很高的銅利用率（從而具有很小的直流導通電阻Rdc），由此在總體上具有很小的損耗。
根據本發明的一些實施方式，通過增加更多的磁柱進行矩陣式擴展，可以獲得更多面積及更大面積比例上的磁動勢MFF分佈均勻區域。
根據本發明的另一些實施方式，通過分別將第一部分繞組（/第二部分繞組）位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度,這樣可以獲得更低的繞組阻抗Rdc。
應當理解的是，以上的一般描述和後文的細節描述僅是示例性的，並不能限制本發明。
現在將參考圖式更全面地描述示例實施例。然而，示例實施例能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的實施例；相反，提供這些實施例使得本發明將全面和完整，並將示例實施例的構思全面地傳達給本領域的技術人員。在圖中相同的圖式標記表示相同或類似的部分，因而將省略對它們的重複描述。
此外，所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本發明的實施例的充分理解。然而，本發明所屬技術領域中具有通常知識者將意識到，可以實踐本發明的技術方案而沒有特定細節中的一個或更多，或者可以採用其它的方法、組元、裝置、步驟等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知方法、裝置、實現或者操作以避免模糊本發明的各方面。
圖式中所示的方框圖僅僅是功能實體，不一定必須與物理上獨立的實體相對應。即，可以採用軟體形式來實現這些功能實體，或在一個或多個硬體模組或集成電路中實現這些功能實體，或在不同網路及/或處理器裝置及/或微控制器裝置中實現這些功能實體。
圖式中所示的流程圖僅是示例性說明，不是必須包括所有的內容和操作/步驟，也不是必須按所描述的順序執行。例如，有的操作/步驟還可以分解，而有的操作/步驟可以合併或部分合併，因此實際執行的順序有可能根據實際情況改變。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種組件，但這些組件不應受這些術語限制。這些術語乃用以區分一組件與另一組件。因此，下文論述的第一組件可稱為第二組件而不偏離本發明概念的教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯的列出項目中的任一個及一或多者的所有組合。
本領域技術人員可以理解，圖式只是示例實施例的示意圖，圖式中的模組或流程並不一定是實施本發明所必須的，因此不能用於限制本發明的保護範圍。
本發明的目的在於提供一種磁性單元，包含磁芯和繞組，該繞組包含第一繞組和第二繞組，該第一繞組和該第二繞組磁耦合，該磁芯包含排列為一排的Q根磁柱（Q為≥2的自然數），該第一繞組繞設於該Q根磁柱，該第二繞組繞設於該Q根磁柱。通過使第一繞組的線圈位於任意相鄰兩磁柱之間的奇數匝部分大體上是沿任意相鄰兩磁柱之間的對稱平面對稱分佈的，因此任意相鄰兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈均勻，從而本發明的磁性單元在具有很小的交流損耗的同時，也具備了很高的銅利用率（從而具有很小的直流導通電阻Rdc），由此在總體上具有很小的損耗。
下面結合圖4至圖8B對本發明的一種磁性單元進行詳細說明，其中，圖4示出根據本發明一示例實施方式的磁性單元的示意圖；圖5A示出根據本發明的具有兩根磁柱的磁性單元的俯視圖，但僅以L1、L2兩層佈線層為例分別給出了俯視示意；圖5B示出沿圖5A中AA’方向的剖面圖及磁動勢分佈的示意圖；圖6A示出根據本發明的具有四根磁柱的磁性單元的俯視圖；圖6B示出沿圖6A中AA’方向的剖面圖及磁動勢分佈的示意圖；圖7示出根據本發明的具有二、三、四根磁柱的磁性單元在n等於1時交叉線段的分佈示意圖；圖8A示出包括兩個第一繞組的磁性單元的俯視圖；圖8B示出沿圖8A中AA’方向的剖面圖。磁柱可以通過磁芯上蓋板和磁芯下蓋板連接，本案不以此為限。
如圖4至圖8B所示，磁性單元包含磁芯和繞組，該繞組包含第一繞組R1和第二繞組R2，第一繞組R1和第二繞組R2磁耦合，其中，第一繞組R1標出了具體的匝數序號，第二繞組R2未標出具體匝數序號。第二繞組R2的實現也可以分佈在一層佈線層或兩層佈線層中，本發明並不以此為限。磁芯包含排列為一排的由Q 1至Q Q的Q根磁柱（Q為≥2的自然數），第一繞組R1繞設於所有的Q根磁柱，第二繞組R2繞設於所有的Q根磁柱；其中，第一繞組R1包含形成於第一佈線層L1的第一部分繞組和形成於第二佈線層L2的第二部分繞組；磁芯可以包含Q根磁柱以外的其他磁柱。其中， Q根磁柱中相鄰的第i磁柱與第i+1磁柱之間形成一虛擬直線（如圖5A中的AA’線），虛擬直線與第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且虛擬直線與第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個（如圖7所示，其中圖7示出了根據本發明的具有二、三、四根磁柱的磁性單元在n等於1時交叉線段的分佈示意圖，相鄰兩磁柱之間形成的交叉線段為3個，是奇數個），虛擬直線與第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且虛擬直線與第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，其中，1≤i≤Q-1，n≥1，實際上2n+1也就是任意相鄰兩根磁柱之間具有的繞組線圈的匝數，在以下的敘述（及相應圖式）中均以n=1（即任意相鄰兩根磁柱之間具有的繞組線圈的匝數為3）為例進行說明，但本發明不以此為限；其中，第i磁柱和第i+1磁柱具有一對稱平面，第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和對稱平面相交，如圖5B中所示，第一部分繞組位於第一磁柱Q 1與第二磁柱Q 2之間的3個交叉線段的第2個交叉線段（即位於匝數標號為6的繞組線圈上的交叉線段）和對稱平面相交；第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和對稱平面相交，如圖5B中所示，第二部分繞組位於第一磁柱Q 1與第二磁柱Q 2之間的3個交叉線段的第2個交叉線段（即位於匝數標號為3的繞組線圈上的交叉線段）和對稱平面相交。在這種分佈結構下，相鄰兩磁柱之間的奇數匝繞組趨向於均衡分佈，有利於MMF分佈。Q根磁柱的任兩個相鄰磁柱均可以形成虛擬直線，不同磁柱形成的多個虛擬直線可以是不重合的，分別用於查驗對應的兩磁柱之間的繞組分佈即可。
以圖5A至圖5B所示的具有兩根磁柱的磁性單元為例，圖5A示出根據本發明的具有兩根磁柱的磁性單元的俯視圖，圖5B示出沿圖5A中AA’方向的剖面圖及磁動勢分佈的示意圖，由圖中可以看到，第一繞組R1一共形成了匝數標號依次為1-6的6匝繞組線圈，而這6匝繞組線圈位於兩磁柱之間的部分大體上是沿對稱平面對稱分佈的，因此兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈均勻（6匝繞組線圈位於兩磁柱之間的部分若是沿對稱平面對稱分佈的話則兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈最均勻），6匝繞組線圈採用L1、L2兩層佈線層共同實現，每層需要形成3匝（奇數匝）繞組，6匝繞組線圈包括位於佈線層L1的第一部分繞組1、5、6和位於第二佈線層L2的第二部分繞組2、3、4，每層佈線層中位於相鄰磁柱之間的匝數為奇數（也體現為交叉線段的數量為奇數），因此需要均衡分佈。如圖5B中的磁動勢MMF分佈所示，由於磁動勢MMF分佈越均勻，則交流損耗係數Kac越小，因此本發明的磁性單元具有很小的交流損耗；而在銅利用率上，本發明的磁性單元的繞組線圈之間的間隙也較少（相比於現有技術圖3A中每個佈線層在相鄰磁柱之間均有5個間隙的情況，圖5A至圖5B中在保持匝數相同的情況下每個佈線層在相鄰磁柱之間的間隙只有2個），因此具備了更高的銅利用率。也就是說，本發明的磁性單元在具有很小的交流損耗係數Kac的同時，也具備了很高的銅利用率（從而具有很小的直流導通電阻Rdc），從而在總體上具有很小的導通損耗。
由於具備了磁動勢MMF分佈均勻特性的區域是在兩個磁柱之間的區域，而在其他區域並不具備其特性，因此由兩個柱組成的磁動勢MMF分佈均勻特性的面積大約為整體面積的1/4。如果有更多的磁柱擴展，可以獲得更多面積上的MMF分佈均勻區域。如圖6A至圖6B所示的具有四根磁柱的磁性單元，第一繞組R1一共形成了匝數標號依次為1-12的12匝繞組線圈，而這12個繞組線圈位於兩磁柱之間的部分大體上是對稱分佈的，相鄰兩磁柱之間任一佈線層需要形成3匝繞組（奇數匝）。通過設計使得3個交叉線段的第2個交叉線段和對應的相鄰兩磁柱之間的對稱平面（如圖6B中虛線所示）相交，磁柱中間處均可實現較好的MMF分佈，由於在4個磁柱情況下磁柱間的面積占比增加，因此大約是37.5%面積會得到較好的MMF分佈，高於兩柱的25%。隨著磁柱個數增加，均勻分佈的面積也隨之增加。
圖6B中，以左數第一個磁柱和第二個磁柱中間的繞組線圈分佈為例，佈線層L1、L2均有編號為①②③的三個交叉線段，其中最中間的交叉線段②被左數第一個磁柱和第二個磁柱的對稱平面（如左側虛線所示）切割，且被切割的兩部分的長度大約相等，即比值約為1，但在其他實施例中，該比值也可以為0.7或1.43等其他比值，能確保中間的交叉線段②被對稱平面切割即可。當該比值∈[0.7,1.43]時，MMF分佈更均勻。
此外，如圖6B所示，交叉線段①的長度小於交叉線段②的長度，交叉線段②的長度大於交叉線段③的長度。當交叉線段的數量更多時（仍為奇數個），各個交叉線段的長度的設計可以是靈活的，例如最中間的交叉線段的長度最長，最中間的交叉線段兩側的交叉線段的長度依次遞減，此時總的繞組阻抗最小；或者各個交叉線段的長度相接近，此時方便設計；也可以選用其他的長度設計，如最中間的交叉線段的長度最長，其他交叉線段的長度可以小於等於最中間的交叉線段的長度，本發明並不以此為限。
根據本發明的一示例實施方式，第一繞組或第二繞組由PCB、銅箔、線餅或其組合構成。可以根據需要選擇合適的繞組構成方式/材料。
根據本發明的一示例實施方式，第一繞組包括位於第一佈線層的第一部分繞組和位於第二佈線層的第二部分繞組。第一部分繞組繞設第i磁柱的最內匝和第二部分繞組繞設第i磁柱的最內匝串聯連接，第一部分繞組繞設第i+1磁柱的最內匝和第二部分繞組繞設第i+1磁柱的最內匝串聯連接。以圖5A至圖5B所示的具有兩根磁柱的磁性單元為例，其中位於L1層的第一部分繞組繞設第一磁柱Q 1的最內匝1和位於L2層的第二部分繞組繞設第一磁柱Q 1的最內匝2通過過孔形成串聯連接，第一部分繞組繞設第二磁柱Q 2的最內匝5和第二部分繞組繞設第二磁柱Q 2的最內匝4通過過孔串聯連接，從而形成了依次流經匝數標號為1-6的線圈的電流流動路徑，其中圖中指向繞組的箭頭表示某一時刻電流流入方向，背向繞組的箭頭表示電流流出方向。而串聯連接的具體方式可以根據繞組具體的構成方式/材料而定，如果是PCB，可能是通過過孔，如果是銅箔，可能是通過鍍銅、銅箔折疊、銅柱等方式連接。第一部分繞組和第二部分繞組可以分別包含幾段繞組，本案不以此為限。
根據本發明的一示例實施方式，第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在對稱平面兩側的長度的比值A∈[0.7,1.43]，第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在對稱平面兩側的長度的比值B∈[0.7,1.43]。通過限定該比值，對稱平面切割相鄰磁柱之間奇數匝繞組中的最中間匝的位置更容易實現均衡的MMF分佈。
根據本發明的一示例實施方式，第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等，第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等。各個交叉線段的長度相等的實施方式設計、製造簡單，易於實現，且交叉線段在對稱平面兩側是完全對稱分佈的，因此兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈更加均勻，從而獲得更小的交流損耗係數Kac。但本發明不以此為限，也可以是第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等、而第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度不相等或不完全相等。
根據本發明的一示例實施方式，第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度，且其他2n個交叉線段中至少一個線段的長度小於第n+1個交叉線段的長度；第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度，且其他2n個交叉線段中至少一個線段的長度小於第n+1個交叉線段的長度。
根據本發明的一示例實施方式，該第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減。
根據本發明的一示例實施方式，第一繞組和第二繞組中的其中一個繞組為一變壓器的原邊繞組，另一個繞組為變壓器的副邊繞組。可以根據需要而定，並無任何限制。
根據本發明的一示例實施方式，磁性單元包括多個第一繞組繞設於Q根磁柱。也就是說在繞組層數上進行擴展(即在z方向上進行擴充)，主要用於增加銅面積，減少Rdc。例如圖8A至圖8B示出包括兩個第一繞組的磁性單元；每個磁柱上有兩個第一繞組，總共包括第一佈線層L1至第四佈線層L4等4個佈線層，其中第一佈線層L1可以和第二佈線層L2串聯構成一個第一繞組，第三佈線層L3和第四佈線層L4可以串聯構成另一繞組。而同樣的，串聯連接的具體方式可以根據繞組具體的構成方式/材料而定，如果是PCB，可能是通過過孔，如果是銅箔，可能是通過鍍銅、銅箔折疊、銅柱等方式連接。
如前所述，由於具備了磁動勢MMF分佈均勻特性的區域是在兩個磁柱之間的區域，而在其他區域並不具備其特性，因此由兩個磁柱組成的磁動勢MMF分佈均勻特性的面積大約為整體面積的1/4。如果有更多的磁柱擴展，可以獲得更多面積上的MFF分佈均勻區域。下面結合圖9至圖13對本發明的對磁柱進行矩陣式擴展的磁性單元進行詳細說明，其中，圖9示出根據本發明另一示例實施方式的磁性單元的示意圖；圖10A示出根據本發明的具有2X2矩陣磁柱的磁性單元的俯視圖；圖10B示出沿圖10A中AA’方向的剖面圖；圖11示出根據本發明的具有2X3矩陣磁柱的磁性單元的俯視圖；圖12示出根據本發明另一示例實施方式的磁性單元的交叉線段的分佈示意圖；圖13示出圖10A所示的磁性單元的交叉線段的分佈示意圖。
如圖9、12所示，磁性單元包含磁芯和繞組，繞組包含第一繞組和第二繞組，第一繞組和第二繞組磁耦合，磁芯包含排列為P排Q列矩陣的由QP（1，1）至QP（Q，P）的P*Q根磁柱，其中P，Q為≥2的自然數，第一繞組繞設於P*Q根磁柱，第二繞組繞設於P*Q根磁柱；其中，第一繞組包含形成於第一佈線層L1的第一部分繞組和形成於第二佈線層L2的第二部分繞組；其中，每一排的Q根磁柱中相鄰的第i磁柱與第i+1磁柱之間均可以形成一第一虛擬直線，第一虛擬直線可以與對應的位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且第一虛擬直線與第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，第一虛擬直線與第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且第一虛擬直線與第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，每一列的P根磁柱中相鄰的第j磁柱與第j+1磁柱之間形成一第二虛擬直線，第二虛擬直線與第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且第二虛擬直線與第一部分繞組位於該第j磁柱與第j+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，第二虛擬直線與第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且第二虛擬直線與第二部分繞組位於第j磁柱與第j+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個（如圖12所示，其中圖12示出了根據本示例實施方式的磁性單元在n等於1時交叉線段的一種分佈示意圖，其中以n=1為例，即交叉線段為3個，其他情況下，每一排的Q根磁柱中的第一磁柱外與第Q磁柱外的交叉線段個數均可為n個或n+1個，且每一列的P根磁柱中的第一磁柱外與第P磁柱外的交叉線段個數均可為n個或n+1個，不限於圖12中的排布方式；同樣的，對於如圖7所示的磁柱排成一排的磁性單元，兩端磁柱之外的交叉線段個數均可為n個或n+1個，相鄰磁柱之間為2n+1個。多根磁柱的任兩個相鄰磁柱均可以形成第一（第二）虛擬直線，不同磁柱形成的多個虛擬直線可以是不重合的，分別用於查驗對應的兩磁柱之間的繞組分佈即可。此外，圖13示出具有2X2矩陣磁柱的磁性單元在n等於1時交叉線段的一種分佈示意圖，相鄰磁柱間的交叉線段個數均為3個，但第一磁柱和第四磁柱之外的交叉線段分佈不限於圖13中的排布方式，每個磁柱外的交叉線段個數可為1個或者2個），其中，1≤i≤Q-1，1≤j≤P-1，n≥1，實際上2n+1也就是任意相鄰兩根磁柱之間具有的繞組線圈的匝數，在以下的敘述（及相應圖式）中均以n=1（即任意相鄰兩根磁柱之間具有的繞組線圈的匝數為3）為例進行說明，但本發明不以此為限；其中，每一排中相鄰的第i磁柱和第i+1磁柱具有一第一對稱平面，第一部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和第一對稱平面相交；第二部分繞組位於第i磁柱與第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和第一對稱平面相交；每一列中相鄰的第j磁柱和第j+1磁柱具有一第二對稱平面，第一部分繞組位於第j磁柱與第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和第二對稱平面相交；第二部分繞組位於第j磁柱與第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和第二對稱平面相交。
以圖10A至圖10B所示的具有2X2矩陣磁柱的磁性單元為例（此外，圖11示出根據本發明的具有2X3矩陣磁柱的磁性單元的俯視圖），圖10A示出根據本發明的具有2X2矩陣磁柱的磁性單元的俯視圖；圖10B示出沿圖10A中AA’方向的剖面圖，由圖中可以看到，第一繞組R1一共形成了匝數標號依次為1-12的12匝繞組線圈，而這12匝繞組線圈位於兩磁柱之間的部分大體上是沿對稱平面對稱分佈的，如圖10B中兩相鄰磁柱QP（2，1）和QP（2，2）之間在L1、L2佈線層形成的匝數（交叉線段）為奇數，且中間的交叉線段8、11被第二對稱平面相交，因此兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈均勻（12匝繞組線圈位於兩磁柱之間的部分若是沿對稱平面對稱分佈的話則兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈最均勻）。而且進一步的，由於磁柱的增加，並且在相鄰磁柱之間處均可實現較好的MMF分佈，因此大約是50%面積會得到較好的MMF分佈，相比較如圖6A至圖6B所示的同樣包括4根磁柱（其成一排排列）的示例實施方式（如前所述，其大約是37.5%的面積會得到較好的MMF分佈）來說，MMF較好的區域更多。而隨著磁柱個數增加，均勻分佈的面積也隨之增加。
也就是說，在磁柱數量相同的情況下，磁柱呈矩陣式排列的磁性單元要比磁柱成一排排列的磁性單元具有更多磁動勢MMF均勻/較好分佈的面積。
根據本發明的一示例實施方式，第一繞組或第二繞組由PCB、銅箔、線餅或其組合構成。
根據本發明的一示例實施方式，在每一排的Q根磁柱中，第一部分繞組繞設第i磁柱的最內匝和第二部分繞組繞設第i磁柱的最內匝串聯連接，第一部分繞組繞設第i+1磁柱的最內匝和第二部分繞組繞設第i+1磁柱的最內匝串聯連接；以及在每一列的P根磁柱中，第一部分繞組繞設第j磁柱的最內匝和第二部分繞組繞設第j磁柱的最內匝串聯連接，第一部分繞組繞設第j+1磁柱的最內匝和第二部分繞組繞設第j+1磁柱的最內匝串聯連接。以圖10A至圖10B所示的具有2X2矩陣磁柱的磁性單元為例，其中第一部分繞組繞設磁柱QP（1，1）的最內匝5和第二部分繞組繞設磁柱QP（1，1）的最內匝4串聯連接，第一部分繞組繞設磁柱QP（2，1）的最內匝6和第二部分繞組繞設磁柱QP（2，1）的最內匝7串聯連接；以及第一部分繞組繞設磁柱QP（1，2）的最內匝1和第二部分繞組繞設磁柱QP（1，2）的最內匝2串聯連接，第一部分繞組繞設磁柱QP（2，2）的最內匝10和第二部分繞組繞設磁柱QP（2，2）的最內匝9串聯連接，從而形成了依次流經匝數標號為1-12的線圈的電流流動路徑，其中圖中指向繞組的箭頭表示某一時刻電流流入方向，背向繞組的箭頭表示電流流出方向。而串聯連接的具體方式可以根據繞組具體的構成方式/材料而定，如果是PCB，可能是通過過孔，如果是銅箔，可能是通過鍍銅、銅箔折疊、銅柱等方式連接。
根據本發明的一示例實施方式，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第一對稱平面兩側的長度的比值C∈[0.7,1.43]，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第一對稱平面兩側的長度的比值D∈[0.7,1.43] ；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第二對稱平面兩側的長度的比值E∈[0.7,1.43]，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第二對稱平面兩側的長度的比值F∈[0.7,1.43]。
根據本發明的一示例實施方式，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等。各個交叉線段的長度相等的實施方式設計、製造簡單，易於實現，且交叉線段在對稱平面兩側是完全對稱分佈的，因此兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈更加均勻，從而獲得更小的交流損耗係數Kac。
根據本發明的一示例實施方式， 在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度，且其他2n個交叉線段中至少一個線段的長度小於第n+1個交叉線段的長度，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度，且其他2n個交叉線段中至少一個線段的長度小於第n+1個交叉線段的長度；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度，且其他2n個交叉線段中至少一個線段的長度小於第n+1個交叉線段的長度，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度，且其他2n個交叉線段中至少一個線段的長度小於第n+1個交叉線段的長度。
根據本發明的一示例實施方式，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減。
以圖10A至圖10B所示的具有2X2矩陣磁柱的磁性單元為例，其中n=1，即任意兩根磁柱之間依次具有第1至第3交叉線段等3個交叉線段，可以將3個交叉線段設置為不等長度，例如使得第2交叉線段的長度大於第1交叉線段的長度且第2交叉線段的長度大於第3交叉線段的長度,這樣可以獲得更低的總繞組阻抗Rdc。
根據本發明的一示例實施方式，第一繞組和第二繞組中的其中一個繞組為一變壓器的原邊繞組，另一個繞組為變壓器的副邊繞組。
根據本發明的一示例實施方式，磁性單元包括多個第一繞組繞設於P*Q根磁柱。同樣的，與如圖8A至圖8B所示的示例實施方式類似，也是在繞組層數上進行擴展(即在z方向上進行擴充)，同樣主要用於增加銅面積，減少Rdc。
根據本發明的一示例實施方式， P排Q列矩陣中任一排與任一列之間的夾角為80°~90°。也就是說任一排與任一列之間並不僅限於垂直相交，只要大體上垂直即可。
通過以上的詳細描述，本領域的技術人員易於理解，根據本發明實施例的磁性單元及磁性元件具有以下優點中的一個或多個。
根據本發明的一些實施方式，通過使第一繞組的線圈位於任意相鄰兩磁柱之間的部分大體上是沿任意相鄰兩磁柱之間的對稱平面對稱分佈的，因此任意相鄰兩磁柱之間的磁動勢MMF分佈均勻，從而本發明的磁性單元在具有很小的交流損耗的同時，也具備了很高的銅利用率（從而具有很小的直流導通電阻Rdc），由此在總體上具有很小的損耗。
根據本發明的一些實施方式，通過增加更多的磁柱進行矩陣式擴展，可以獲得更多面積及更大面積比例上的磁動勢MFF分佈均勻區域。
根據本發明的另一些實施方式，通過分別將第一部分繞組（/第二部分繞組）位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度,這樣可以獲得更低的繞組阻抗Rdc。
本領域技術人員在考慮說明書及實踐這裡公開的發明後，將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般性原理並包括本發明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發明的真正範圍和精神由下面的申請專利範圍指出。
應當理解的是，本發明並不局限於上面已經描述並在圖式中示出的精確結構，並且可以在不脫離其範圍進行各種修改和改變。本發明的範圍僅由所附的申請專利範圍來限制。
1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12‧‧‧匝數標號
AA’ ‧‧‧方向
L1‧‧‧第一佈線層
L2‧‧‧第二佈線層
L3‧‧‧第三佈線層
L4‧‧‧第四佈線層
P‧‧‧原邊繞組
PCB‧‧‧印刷電路板
Q1、Q2、Q3、……、QQ‧‧‧磁柱
R1‧‧‧第一繞組
R2‧‧‧第二繞組
S1、S2‧‧‧副邊繞組
W1‧‧‧總寬度
W2‧‧‧繞組間隙
圖1A示出使用PCB繞組的磁性元件的立體圖。 圖1B示出使用PCB繞組的磁性元件的平面圖。 圖2示出典型的PCB繞組的示意圖。 圖3A示出現有的一磁性單元及其磁動勢分佈的示意圖。 圖3B示出現有的另一磁性單元及其磁動勢分佈的示意圖。 圖4示出根據本發明一示例實施方式的磁性單元的示意圖。 圖5A示出根據本發明的具有兩根磁柱的磁性單元的俯視圖。 圖5B示出沿圖5A中AA’方向的剖面圖及磁動勢分佈的示意圖。 圖6A示出根據本發明的具有四根磁柱的磁性單元的俯視圖。 圖6B示出沿圖6A中AA’方向的剖面圖及磁動勢分佈的示意圖。 圖7示出根據本發明的具有二、三、四根磁柱的磁性單元在n等於1時交叉線段的分佈示意圖。 圖8A示出包括兩個第一繞組的磁性單元的俯視圖。 圖8B示出沿圖8A中AA’方向的剖面圖。 圖9示出根據本發明另一示例實施方式的磁性單元的示意圖。 圖10A示出根據本發明的具有2X2矩陣磁柱的磁性單元的俯視圖。 圖10B示出沿圖10A中AA’方向的剖面圖。 圖11示出根據本發明的具有2X3矩陣磁柱的磁性單元的俯視圖。 圖12示出根據本發明另一示例實施方式的磁性單元的交叉線段的分佈示意圖。 圖13示出圖10A所示的磁性單元的交叉線段的分佈示意圖。

Claims (19)

  1. 一種磁性單元，該磁性單元包含磁芯和繞組，該繞組包含第一繞組和第二繞組，該第一繞組和該第二繞組磁耦合，該磁芯包含排列為一排的Q根磁柱，其中Q為≥2的自然數，該第一繞組繞設於該Q根磁柱，該第二繞組繞設於該Q根磁柱； 其中，該第一繞組包含形成於第一佈線層的第一部分繞組和形成於第二佈線層的第二部分繞組；其中，該Q根磁柱中相鄰的第i磁柱與第i+1磁柱之間形成一虛擬直線，該虛擬直線與該第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該虛擬直線與該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，該虛擬直線與該第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該虛擬直線與該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，其中，1≤i≤Q-1，n≥1； 其中，該第i磁柱和該第i+1磁柱具有一對稱平面，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該對稱平面相交；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該對稱平面相交。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性單元，其中，該第一部分繞組繞設該第i磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第i磁柱的最內匝串聯連接，該第一部分繞組繞設該第i+1磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第i+1磁柱的最內匝串聯連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磁性單元，其中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該對稱平面兩側的長度的比值A∈[0.7,1.43]，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該對稱平面兩側的長度的比值B∈[0.7,1.43]。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性單元，其中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之磁性單元，其中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於該第n+1個交叉線段的長度；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之磁性單元，其中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磁性單元，其中，該第一繞組或該第二繞組由PCB、銅箔、線餅或其組合構成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性單元，其中，該第一繞組和該第二繞組中的其中一個繞組為一變壓器的原邊繞組，另一個繞組為該變壓器的副邊繞組。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之磁性單元，包括多個該第一繞組繞設於該Q根磁柱。
  10. 一種磁性單元，該磁性單元包含磁芯和繞組，該繞組包含第一繞組和第二繞組，該第一繞組和該第二繞組磁耦合，該磁芯包含排列為P排Q列矩陣的P*Q根磁柱，其中P，Q為≥2的自然數，該第一繞組繞設於該P*Q根磁柱，該第二繞組繞設於該P*Q根磁柱； 其中，該第一繞組包含形成於第一佈線層的第一部分繞組和形成於第二佈線層的第二部分繞組；其中，該每一排的Q根磁柱中相鄰的第i磁柱與第i+1磁柱之間形成一第一虛擬直線，該第一虛擬直線與該第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該第一虛擬直線與該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，該第一虛擬直線與該第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該第一虛擬直線與該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，該每一列的P根磁柱中相鄰的第j磁柱與第j+1磁柱之間形成一第二虛擬直線，該第二虛擬直線與該第一部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該第二虛擬直線與該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，該第二虛擬直線與該第二部分繞組投影交叉形成交叉線段，且該第二虛擬直線與該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的交叉線段為2n+1個，其中，1≤i≤Q-1，1≤j≤P-1，n≥1； 其中，該每一排中相鄰的該第i磁柱和該第i+1磁柱具有一第一對稱平面，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該第一對稱平面相交；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該第一對稱平面相交； 該每一列中相鄰的該第j磁柱和該第j+1磁柱具有一第二對稱平面，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該第二對稱平面相交；該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段和該第二對稱平面相交。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，其中，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組繞設該第i磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第i磁柱的最內匝串聯連接，該第一部分繞組繞設該第i+1磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第i+1磁柱的最內匝串聯連接；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組繞設該第j磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第j磁柱的最內匝串聯連接，該第一部分繞組繞設該第j+1磁柱的最內匝和該第二部分繞組繞設該第j+1磁柱的最內匝串聯連接。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，其中，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第一對稱平面兩側的長度的比值C∈[0.7,1.43]，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第一對稱平面兩側的長度的比值D∈[0.7,1.43] ；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第二對稱平面兩側的長度的比值E∈[0.7,1.43]，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段在該第二對稱平面兩側的長度的比值F∈[0.7,1.43]。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，其中，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度相等。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，其中， 在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度，該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度，該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的第n+1個交叉線段的長度大於等於其他2n個該交叉線段的長度，且其他2n個該交叉線段中至少一個交叉線段的長度小於第n+1個該交叉線段的長度。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，其中，在該每一排的Q根磁柱中，該第一部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；該第二部分繞組位於該第i磁柱與該第i+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；以及在該每一列的P根磁柱中，該第一部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減；該第二部分繞組位於該第j磁柱與該第j+1磁柱之間的2n+1個交叉線段的長度由第1個向第n+1個依次遞增，並由第n+1個向第2n+1個依次遞減。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，其中，該第一繞組或該第二繞組由PCB、銅箔、線餅或其組合構成。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，其中，該第一繞組和該第二繞組中的其中一個繞組為一變壓器的原邊繞組，另一個繞組為該變壓器的副邊繞組。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，包括多個該第一繞組繞設於該P*Q根磁柱。
  19. 如申請專利範圍第10項所述之磁性單元，其中，該P排Q列矩陣中任一排與任一列之間的夾角為80°~90°。
TW108105847A 2018-12-29 2019-02-21 磁性單元 TWI668714B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811644701.3 2018-12-29
CN201811644701.3A CN111383830B (zh) 2018-12-29 2018-12-29 磁性单元
??201811644701.3 2018-12-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI668714B true TWI668714B (zh) 2019-08-11
TW202027105A TW202027105A (zh) 2020-07-16

Family

ID=68316518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108105847A TWI668714B (zh) 2018-12-29 2019-02-21 磁性單元

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11437175B2 (zh)
CN (1) CN111383830B (zh)
TW (1) TWI668714B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI759018B (zh) * 2019-12-18 2022-03-21 財團法人工業技術研究院 電磁特性量測裝置、電磁特性量測系統以及電磁特性量測方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3186203A1 (en) 2020-07-15 2022-01-20 Mahdi S. ATTEIA Dc to dc boost converter
CA3212757A1 (en) * 2021-03-19 2022-09-22 Ururaki Inc. Transformer
CN113363061B (zh) * 2021-04-08 2023-01-24 华为数字能源技术有限公司 一种集成磁器件、变压器及电源系统
CN114121442B (zh) * 2021-11-05 2024-07-16 西安交通大学 一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组
EP4369586A1 (en) * 2022-11-14 2024-05-15 Delta Electronics Inc. Power supply unit and dc conversion module

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI534842B (zh) * 2012-01-20 2016-05-21 Sumida Corp Magnetic parts and manufacturing method thereof

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1009140B (zh) * 1985-04-01 1990-08-08 菲利浦光灯制造公司 产生和/或接收交变磁场的射频线圈系统
JPH1116751A (ja) * 1997-06-24 1999-01-22 Alps Electric Co Ltd トランス
JP5139685B2 (ja) * 2007-01-26 2013-02-06 パナソニック株式会社 積層素子
JP4800451B1 (ja) * 2011-06-10 2011-10-26 株式会社精電製作所 高周波トランス
CN107910171B (zh) * 2013-09-17 2020-03-20 精量电子（深圳）有限公司 线性可变差动变压器
JP6471415B2 (ja) * 2014-04-22 2019-02-20 富士通株式会社 プレーナ型変圧装置及びスイッチング電源回路
CN105163489A (zh) 2015-06-18 2015-12-16 旭利电子股份有限公司 感应线圈总成
US10163558B2 (en) * 2016-01-21 2018-12-25 Globalfoundries Inc. Vertically stacked inductors and transformers
EP3267444A1 (en) * 2016-07-06 2018-01-10 Tamura Corporation Transformer and switched-mode power supply apparatus
CN106448998B (zh) * 2016-11-11 2018-09-11 北方民族大学 环形电抗器及装置
JP6631584B2 (ja) * 2017-04-20 2020-01-15 株式会社村田製作所 インダクタ及びインダクタの製造方法
CN107146694B (zh) * 2017-07-06 2024-07-05 华侨大学 一种用于提高工频变压器短路阻抗的结构

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI534842B (zh) * 2012-01-20 2016-05-21 Sumida Corp Magnetic parts and manufacturing method thereof

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI759018B (zh) * 2019-12-18 2022-03-21 財團法人工業技術研究院 電磁特性量測裝置、電磁特性量測系統以及電磁特性量測方法
US11573277B2 (en) 2019-12-18 2023-02-07 Industrial Technology Research Institute Electromagnetic property measuring device, electromagnetic property measuring system and electromagnetic property measuring method

Also Published As

Publication number Publication date
US11437175B2 (en) 2022-09-06
TW202027105A (zh) 2020-07-16
US20200211756A1 (en) 2020-07-02
CN111383830A (zh) 2020-07-07
CN111383830B (zh) 2021-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI668714B (zh) 磁性單元
US11532420B2 (en) Thin film inductor and power conversion circuit
CN102314998B (zh) 集成多相耦合电感器及产生电感的方法
TW582120B (en) Multi-layer wiring device, wiring method and wiring characteristic analyzing/predicting method
KR100813913B1 (ko) 전자 변압기/인덕터 장치 및 이의 제조방법
US7875955B1 (en) On-chip power inductor
US7902953B1 (en) Method and apparatus for improving inductor performance using multiple strands with transposition
CN104517941B (zh) 线圈及制备应用于电感元件的线圈的方法
WO2021185012A1 (zh) 一种全耦合磁性元件
JP3488869B2 (ja) 平面コイルおよび平面トランス
US20050200338A1 (en) Fully integrated DC-to-DC regulator utilizing on-chip inductors with high frequency magnetic materials
CN107302298A (zh) 具有两路或多路输出电压的电源模块
CN103518260A (zh) 对称中央分接头的电感器结构
JP2005191217A (ja) スパイラルインダクタおよびそれを備えた回路装置または差動回路
CN207993862U (zh) 一种电感堆叠结构
JPH0563922B2 (zh)
CN113517120B (zh) 矩阵变压器及使用该矩阵变压器的电源
JPH08203739A (ja) 空芯コイル装置
CN111435625B (zh) 磁性器件及其制造方法
CN109950228B (zh) 一种芯片及设备
TWI727904B (zh) 電感裝置
JPH06302443A (ja) プリントコイル形トランス
JP5097997B2 (ja) 配線素子ブロックとそれを含む半導体チップ
JP2004095777A (ja) インダクタ素子
JPH0521244A (ja) 薄形トランス