每個線圈帶有不足一匝的可分式電感器及包括這種電感器的pcb的製作方法
2023-12-01 18:35:31 1
專利名稱：每個線圈帶有不足一匝的可分式電感器及包括這種電感器的pcb的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及邏輯集成電路，具體則涉及能順利應用於同步整流器電路的簡單可分式線繞電感器結構。更確切地說，本發明提供電源組件中的輸出電感器，將輸出電感線圈納入印刷電路板系統，以降低成本和設計的複雜性，並改善噪聲性能。
在努力改進效率並提高功率密度的過程中，對於這幾種類型的應用來說，同步整流成為必須採用的技術。由於低壓半導體器件已發展成為有前途的技術，同步整流在過去十年中已得到普及。然而，電源電子設計工程師仍然受到挑戰，需要設計出具有高功率密度、高效率、低輸出電壓及高輸出電流的電源組件。
可以進行同步整流的電源組件一般包含一個單個線繞輸出電感器，這個電感器連接到同步整流器電路的輸出負載。由於其簡單並減少了元件數量，因此已成為一般採用的最普遍的方法了。被稱為「四分之一塊(quarter brick)」的電源組件結構可用於電路板空間有限制的情況。有一種四分之一塊電源組件的尺寸為長2.28英寸、寬1.45英寸、高0.5英寸。
四分之一塊電源組件與其他類似的電源組件的結構一樣，一般都把輸入插頭和輸出插頭設置在組件的相對兩端。主要由於封裝以及電路設計的限制，要求輸出電感器接在電感器的輸入和輸出端的相對兩端。採取這種結構，結果使線圈的結構多出半匝，這樣又影響了電感磁芯中最終的磁通量分布圖。尤其是由輸出電感器終端產生的不足一匝的電感量隨電流而增加，因此電感器容易飽和。
根據本發明所公開的一個實施方案，可分式電感器包含一個電感器磁芯，電感器磁芯的結構是從一個基體構件上伸出第一、第二、第三支柱。第一和第二支柱預先設置，在基體構件的表面上隔開距離，形成第一個凹槽區域。第二支柱又和第三支柱一起形成第二個凹槽區域，第二個凹槽區域由第二支柱將其與第一凹槽區域分開。電感器還包含圍繞電感磁芯設置的電感線圈，當電流流過電感線圈時，通過第一、第二、第三支柱形成大致相等的磁通量。
在本發明的一個實施方案中，可分式電感器被納入印刷電路板(PCB)系統中，印刷電路板系統包含多個PCB層。每個PCB層包括預先設置在兩個基體材料亞層之間的導電磁芯亞層，每個導電磁芯亞層製成預定的電路路徑。PCB系統還包括多個預先設置在PCB層之間的絕緣層以及貫穿PCB層的第一、第二、第三個開孔。按照本發明，開孔是用來接納電感磁芯的。電感磁芯相應的支柱能夠插入PCB系統中對應的開孔。
在又一實施方案中，採用本發明的同步整流器電路中，可分式電感器構成同步整流電路次級端的輸出電感器。
本發明的一個技術優點是易於在諸如四分之一塊電源組件等的電源組件系統中採納本發明的電感器結構。
本發明的又一個技術優點是這種新型的電感器結構可以用來對共態噪聲進行濾波，並減小濾波器電路的輸出噪聲。
本發明的另一個技術優點是可以在其他電源電路布局中採用本發明的可分式電感器結構，例如全電橋電路和推挽電路。
圖1說明同步整流器電路中現有技術的單個電感器結構。
圖2A-C說明帶有負載Co的輸出電感器的等效結構。
圖3表示本發明的可分式電感器。
圖4A是具有不同繞線匝數的本發明電感器的頂視圖。
圖4B說明具有不同繞線匝數的本發明電感器的磁特性。
圖5A是具有相同繞線匝數的本發明電感器的頂視圖。
圖5B說明具有相同繞線匝數的本發明電感器的磁特性。
圖6是印刷電路板電壓輸入及輸出的簡單示意圖。
圖7是帶有同步整流的印刷電路板的簡單方框圖。
圖8A說明本發明電感器被納入其中的印刷電路板的分層。
圖8B是印刷電路板的頂視圖。
圖9是應用於同步整流器電路的本發明電感器的電路簡圖。
圖10A和10B說明現有技術電路及本發明的電路的噪聲差別。
除非另有說明，在不同的圖中相對應的數字和符號表示對應的部分。
優選實施方案簡述下面對本發明進行描述。首先討論現有技術半橋DC-DC轉換器電路，然後描述本發明的幾個優選實施方案，並討論其優點。
圖1說明半橋DC-DC轉換器中的同步整流器電路10中單個電感器Lo的使用。同步整流器電路10包括一個初級變壓器T1，T1有初級和次級線圈，依次為11和12。同步整流器電路10還包含外部驅動電路18，其作用是驅動同步整流器Q1和Q2。
詳細地說，第一和第二同步整流器Q1和Q2實際與初級變壓器T1及外部驅動電路18耦合。開關同步整流器Q1和Q2的定時信號來自外部驅動電路18。然後定時信息通過初級變壓器T1從整流器電路10的初級端傳遞到次級端16。
按傳統方式採用單個輸出電感器Lo，見圖1。根據現有技術，優先採用單個輸出電感器Lo是因為設備簡單並能減少元件數量。但是，在某些應用中，輸出電感器Lo被分為連接在輸出電容器兩端的兩個相同的線圈，以增強共態噪聲抑制。顯然，兩個線圈的結構增加了成本及結構的複雜性。另一種方法是在同一個電感磁芯上繞兩個線圈，但是這種結構增加了製造工藝的複雜性。所需要的是一種能夠增強其態噪聲抑制又能不增加製造工藝複雜性的電感器結構。本發明提供這樣一種可用於同步整流器的電源組件系統中的輸出電感器結構，正如圖1所示。
圖2A-C說明同步整流器電路輸出電感器的等效結構。圖2A表示上面所討論的傳統單個電感器的結構。單個電感器Lo可分為兩個相同的線圈L1和L2，見圖2B，並且與輸出電容器Co串聯。但是，這種結構不能對電路中的噪聲提供所需的濾波。為了增強對共態噪聲的抑制，圖2B所示的兩個相同的線圈L1和L2，可以重新配置為如圖2C所示，把線圈L1和L2放在輸出電容器的兩端。
本發明是帶有連接在輸出電容器各端的兩個線圈的可分式電感器結構。但是，本發明還有附加的優點，即與圖2A和2B所示的現有技術可分式電感器結構相比，可降低成本並減少製造工藝的複雜性。為了更好地理解本發明，可參考圖3。圖3表示電感器磁芯20帶有第一、第二、第三支柱，依次為22、24、26，三支柱全部從基體構件28伸出。第一支柱22和第二支柱24系預先設置、分開距離、延長，並基本垂直於基體構件28的第一表面30，形成第一個凹槽區域32。同樣，第二支柱24和第三支柱26也是預先設置、分開距離、延長，並基本垂直於基體構件28的第二表面33，形成第二個凹槽區域34。第二個凹槽區域34由第二支柱24與第一個凹槽區域分隔開。
圖4A是適合使用於本發明的電感器結構50的三支柱電感磁芯20的頂視圖。如圖4所示，電感線圈36可繞在電感磁芯20上，在凹槽區域32和34中形成產生信號的路徑。線圈36可由任意導電材料製成，例如銅。線圈36依次經第一支柱22、第二支柱24、第三支柱26繞一整圈，然後在第二支柱24和第三支柱26之間再繞不足的一匝38。由於有了不足的一匝38，使得第一個凹槽區域32有一條信號路徑通過，而第二個凹槽區域34有兩條信號路徑通過。由不足的一匝38所產生的有效電感量將隨電流變化，並且容易使輸出電感器Lo飽和，這是不希望發生的。
飽和現象在圖4B中說明。圖4B表示具有不足的一匝38的電感器Lo的磁路。P1、P2、P3依次為第一、第二、第三支柱22、24、26的磁導。Flux1、F1ux2、Flux3代表流過22、24、26每支柱中的磁通量。N±1、1*1是每支柱中的MMFs。電流增加時，更多的磁通量被推離第三支柱26，進入第二支柱24。基本上，負載電流增加，有效電感量減小。由於太多的磁通量被推進第二支柱24，最後，電感磁芯20達到飽和。
本發明提供一種電感器結構50，其中電感線圈36配置在電感磁芯20的周圍，以平衡22、24、26每支柱中的磁通量。為了使分別通過第一、第二、第三支柱22、24、26中的磁通量大致相等，當電流流過電感線圈36時，電感線圈被配置為對由第一支柱22和第二支柱24界定的第一凹槽區域32以及由第二支柱24和第三支柱26界定的第二凹槽區域34提供相等的信號路徑。這一結構示於圖5A，標識為50。
圖5B表示本發明電感器結構的等效磁路。第一支柱24和第三支柱26中的MMFs及磁導完全相等，因此，第一支柱24和第三支柱26中的磁通量達到平衡。凹槽區域32和34中產生的信號路徑數目相等，這一事實表明電感磁芯20不會飽和。
因此，電感器結構50可以納入印刷電路板(PCB)系統中，並用作同步整流器電路中的輸出電感器Lo，這種整流器電路可以用於電源調整設施。電感器結構50以四分之一塊電源組件的輸出電感作為示例，但是本發明提供的是不影響輸入和/或輸出電感器設計的最佳PCB封裝及電路設計的一般解決方法。
圖6表示一個標準的四分之一塊電源組件的典型機械圖。封裝及電路設計的限制要求輸出電感器接在結構的兩端，因而產生了帶有半匝的線圈。如圖所示，輸入插頭Vin+、Vin-及輸出插頭Vout+、Vout-定位在組件的相對兩端。電源塊組件40中元件的正常位置見圖7。組件40可劃分為若干單元初級開關42，變壓器44，整流器46，輸出電感器48，輸出電容器49。理想狀態是電流從電感器的整流器單元46流入電感器單元48(終端1靠近整流器單元)，並從輸出電容器49流出(終端2靠近輸出電容器單元)。
圖8A說明本發明的電感器結構50可納入其中的印刷電路板(PCB)51的分層。PCB51包含多個PCB層53。PCB層53的每一層包括預先設置在兩層基體材料亞層54之間的導電磁芯亞層52。導電磁芯亞層可包含任何導電材料，例如鋁或銅，或其他類似的導體。每層導電磁芯亞層52形成於預定的電路路徑，這些電路路徑用來將電路元件(即電感器、電容器、變壓器等)連接到系統51。
PCB51還包含多個絕緣層56，預先設置在PCB層53之間，在第一、第二、第三開孔中間，三個開孔依次為58、60、62(見圖8B)，穿過多個PCB層53延伸，用來插入三支柱電感磁芯20。尤其是電感磁芯20的每一支柱22、24、26將插入對應的開孔58、60、62。每層導電磁芯亞層52的一部分進一步形成可分式電感線圈36，通過第一凹槽區域32及第二凹槽區域34，提供相等數量的信號路徑。
製作這種在磁芯亞層52之中的電感線圈36的工藝及製造技術在本領域是眾所周知的。電感線圈36可分為兩個線圈部分(未示出)，為使封裝及電路設計最佳化其中包含一個半匝，但是有一個有效線圈不包含這種半匝或不足一匝。因此，PCB51是最佳設置，沒有影響電感器的設計及性能。
由於電感線圈36可置入PCB51內部且無需端頭，因此PCB51的一個優點是電源組件可與磁性元件合併，使製造工藝更加簡化。
用於說明同步整流器電路的可分式電感器結構50的電路簡圖見圖9，並用數字標註為100。可分式電感器結構50不僅可使電路布局更佳，而且可以濾除共態噪聲並減小輸出噪聲。共態電流見圖10A-B。在傳統方法中，切換產生的共態電流將在輸出產生異態噪聲(圖10A)，這是每一電流路徑的不同阻抗所造成的。在新方法中，每一電流路徑中的阻抗相似或相匹配，因此異態噪聲將減小或者共態電流不產生異態噪聲，見圖10B。此外，此原理可擴展到輸入電感器。
本發明的新型方法及系統提供的優點是採用標準製造工藝及技術並降低成本。另一個優點是由於採用了可分式電感線圈結構50，減小了共態噪聲。本發明還有一個優點是防止電感線圈20飽和。
雖然本發明是參考示例性的實施方案來描述的，但是這些描述並不構成對含義的限制。對本領域技術人員來說，參照本說明書，通過組合對所述的實施方案的修改以及與其它實施方案的結合是顯而易見的。
權利要求
1.一種印刷電路板系統，該系統包括多個PCB層，其中每層包括預先設置在兩層基體材料之間的導電磁芯亞層，每層導電磁芯亞層製成預定的電路路徑；預先設置在每層PCB層之間的多個絕緣層；貫穿所述多個PCB層的第一、第二、第三開孔，開孔用來插入三支柱電感磁芯；其中，每層導電磁芯亞層的一部分再製成可分式電感線圈結構，該線圈結構用於對第一區域以及第二區域提供數量相等的信號路徑，第一區域由第一和第二開孔界定，第二區域由第二和三開孔界定。
2.權利要求1中的PCB系統，該系統進一步包括設置完備頂層和底層，所述多個PCB層及絕緣層預先安放在設置完備的頂層和底層之間。
3.權利要求2中的PCB系統，該系統進一步包括頂層和底層的焊劑保護膜，頂層焊劑保護膜位於設置完備的頂層，底層焊劑保護膜位於設置完備的底層，電源組件電路元件則通過設置完備的底層與所述印刷電路板連接。
4.權利要求1中的印刷電路板系統，其中所述PCB及絕緣層的最小厚度為0.003英寸。
5.權利要求1中的印刷電路板系統，其中PCB及絕緣層的最小電介質擊穿電壓為直流3000伏。
6.權利要求1中的印刷電路板系統，該系統還包括6層PCB層。
7.權利要求1中的印刷電路板系統，該系統還包括所有側面上的空條。
8.權利要求1中的印刷電路板系統，其中基體材料包括170攝氏度基體材料。
9.權利要求1中的印刷電路板系統，其中印刷電路板在焊劑保護膜之上的厚度範圍在0.108英寸和0.131英寸之間。
10.權利要求1中的印刷電路板系統，其中印刷電路板在第一和第二開孔之間以及第二和第三開孔之間在所述焊劑保護膜之上的最大厚度為0.121英寸。
11.權利要求1中的印刷電路板系統，其中印刷電路板系統進一步包括外部邊緣，其中在距離該印刷電路板系統外部邊緣最小0.400英寸處在PCB層上進行刻蝕。
12.一種電感器，該電感器包括帶有從基體延伸出來的第一、第二、第三支柱的電感磁芯，所述第一、第二支柱預先設置並與基體的表面隔開距離形成第一凹槽區域，所述第二、第三支柱預先設置並隔開距離形成第二凹槽區域，第一凹槽區域和第二凹槽區域由第二支柱分開；和圍繞電感磁芯設置電感線圈，當電流流過該線圈時，在第一、第二、第三支柱中提供大致相等的磁通量。
13.權利要求1的電感器，其中所述電感線圈用來提供通過該電感磁芯的第一和第二凹槽區域的相等數量的電流通路。
14.權利要求1的電感器，其中電感磁芯包括鐵。
15.權利要求1的電感器，其中第一和第二凹槽區域的長度和寬度相等。
16.權利要求1的電感器，其中第一、第二、第三支柱的長度、寬度、高度相等。
17.權利要求1的電感器，其中電感線圈包括銅。
18.權利要求1的電感器，其中電感線圈包括第一端頭和第二端頭，第一端頭用來接收輸入電流，第二端頭用來放出該輸入電流。
19.權利要求18中帶有通路的電感線圈，其中第二端頭連接到輸出終端，輸入電流從該終端輸入到所連接的電路系統。
20.權利要求19的電感線圈，其中通路包括銅。
21.權利要求1的電感線圈，該電感線圈進一步被設置為可對共態噪聲進行濾波並減小輸出噪聲。
22.一種同步整流器電路，該電路包括帶有初級和次級線圈的初級變壓器，次級線圈帶有第一和第二終端；與該初級變壓器耦合的第一和第二同步整流器；帶有定時電路的外部驅動電路，第一和第二同步整流器由此獲得定時信號；和與所述初級變壓器的次級線圈耦合的可分式電感器。
23.權利要求22中的同步整流器電路，其中可分式電感器包括一個電感磁芯；和繞在該電感磁芯上的電感線圈，當電流流過該線圈時，提供大致相等的通過電感器的磁通量。
全文摘要
電感器結構50包括一個三支柱電感磁芯(20)，電感器磁芯(20)帶有全部從基體(28)伸出的第一支柱(22)、第二支柱(24)、第三支柱(26)。第一支柱(22)和第二支柱(24)預先設置，在基體(28)的第一表面(30)上隔開距離，形成第一個凹槽區域(32)。第二支柱(24)又和第三支柱(26)一起形成第二個凹槽區域(34)，第二個凹槽區域(34)由第二支柱(26)將其與第一凹槽區域(32)分開。電感器還包含繞電感磁芯(20)設置的電感線圈(36)，當電流流過電感線圈36時，通過第一支柱(22)、第二支柱(24)、第三支柱(26)形成大致相等的磁通量。該電感器結構可用作同步整流器電路(100)的輸入或輸出電感器。
文檔編號H05K1/16GK1391698SQ00816052
公開日2003年1月15日 申請日期2000年9月13日 優先權日1999年9月22日
發明者J·張, R·法林頓, W·哈特 申請人:艾利森公司