低高度铁氧体电感器和相关方法
【专利说明】低高度铁氧体电感器和相关方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2014年2月17日提交的美国临时专利申请N0.61/940，686的优先权，其被以引用方式并入本文。
【背景技术】
[0003]电感器通常用于电源中比如DC-DC转换器中的过滤和能量存储。例如，降压DC-DC转换器包括电感器，其与一个或多个电容器协作来过滤开关波形。包括多个功率级的电源通常每个功率级包括至少一个电感器。然而，一些电源使用耦合电感器代替多个离散的电感器，比如用于提高电源性能，减小电源尺寸，和/或降低电源成本。在授予Schultz等人的美国专利号6，362，986中发现耦合电感器以及相关系统和方法的例子，该专利被以引用方式并入本文。
[0004]越来越需要低高度电感器，特别是高度小于0.75毫米的电感器。例如，许多现代化信息技术装置，比如小型电话和平板电脑，的小形状因素需要低高度电感器。作为另一个例子，电感器高度在集成稳压器的新兴领域中受到严格的约束。
[0005]低高度离散型电感器已经利用多层膜技术形成，其中，许多磁膜层和导电电极被堆叠在一起而形成电感器。磁膜层具有相对低的导磁率，并且因此，电感器必须具有相对大数量的绕组匝，以获得对于特殊应用来说足够大的电感。此大数量的绕组匝致使电感器的绕组具有大直流电阻(DCR)，因为DCR与绕组长度成正比。因此，在传统的多层膜电感器中同时获得大电感值和低绕组DCR—般是不可能的。因此，多层膜电感器通常具有有限的额定电流以防止过大损失和所产生的温升，如果电感器承受高电流幅值则会发生上述过大损失和温升。
[0006]具有相对低高度的离散型电感器也已经由铁氧体磁性材料制得。铁氧体磁性材料通常具有比磁膜大得多的导磁率，因此，铁氧体电感器通常用比多层膜电感器少的绕组匝实现给定的电感值。然而，铁氧体磁性材料易碎并且难以处理成小件。必然地，传统的低高度铁氧体电感器被局限于简单的磁芯，比如鼓形磁芯，以获得可接受的制造产量。
[0007]例如，图1是包括由铁氧体磁性材料形成的鼓形磁芯102的现有技术电感器100的侧平面图。绕组104被围绕着鼓形磁芯102的中心柱106绕制。磁通流用线108近似。如图所示，鼓形磁芯102没有被“屏蔽”，磁通在电感器的外围鼓形芯102的外面流动。流经电感器外围的空气的磁通可耦合到附近的电路并且导致不希望的电磁干扰和/或功率损失。
【发明内容】
[0008]在实施例中，具有长度，宽度和高度的低高度耦合电感器包括复合磁芯，复合磁芯包括:(1)在高度方向上彼此分离开的第一和第二磁板，和(2)在高度方向上连接所述第一与第二磁板的多个耦合齿。所述多个耦合齿由导磁率比形成所述第一和第二磁板的磁性材料低的磁性材料形成。低高度耦合电感器还包括围绕着所述多个耦合齿中的每一个耦合齿绕制的相应绕组。
[0009]在实施例中，具有长度，宽度和高度的低高度耦合电感器包括复合磁芯，复合磁芯包括:(1)在高度方向上彼此分离开的第一和第二磁板，和(2)分别在高度方向上连接所述第一与第二磁板的第一和第二耦合齿。所述第一和第二磁板以及所述第一和第二耦合齿共同形成在宽向方向上延伸穿过所述磁芯的通道。所述第一和第二耦合齿由导磁率比形成所述第一和第二磁板的磁性材料低的磁性材料形成。低高度耦合电感器还包括围绕着所述第一磁板并且穿过所述通道绕制的第一和第二绕组。
[0010]在实施例中，具有长度，宽度和高度的低高度耦合电感器包括复合磁芯，复合磁芯包括:(1)磁板和(2)设置于所述磁板的外表面上的耦合磁结构。所述耦合磁结构由导磁率比形成所述磁板的磁性材料低的磁性材料形成。低高度耦合电感器还包括多个绕组，所述多个绕组中的每一个绕组形成所述磁板的外表面上的相应绕组匝。
[0011]在实施例中，形成包括复合磁芯的低高度电感器的方法包括步骤:(1)将多个绕组置于由高导磁率磁性材料形成的第一磁板上，使得所述多个绕组中的每一个形成所述第一磁板的外表面上的匝；(2)将低导磁率磁性材料置于所述第一磁板的外表面上的每一个绕组匝的范围内，以形成多个耦合齿；和(3)将由高导磁率磁性材料形成的第二磁板置于所述多个耦合齿上。
[0012]在实施例中，形成包括复合磁芯的低高度电感器的方法可包括步骤:(I)将多个绕组置于由高导磁率磁性材料形成的磁板上，使得所述多个绕组中的每一个形成所述磁板的外表面上的绕组匝；和(2)将由低导磁率磁性材料形成的耦合磁结构置于所述磁板的外表面上。
【附图说明】
[0013]图1是包括鼓形磁芯的现有技术电感器的侧平面图。
[0014]图2是根据实施例的包括复合磁芯的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0015]图3是图2的低高度耦合电感器的俯视平面图。
[0016]图4是图2的低高度耦合电感器沿图2的线2A-2A截取的剖面图。
[0017]图5示意出根据实施例的用于形成包括复合磁芯的低高度电感器的方法。
[0018]图6是在绕组已经设置于第一磁板上之后的图2的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0019]图7是在耦合齿已经形成于第一磁板上之后的图2的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0020]图8是在第二磁板已经设置于耦合齿上之后的图2的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0021]图9是图2的低高度耦合电感器的侧平面图，示意出近似磁通路径。
[0022]图10是图2的低高度耦合电感器的可选实施例的侧平面图，在耦合电感器的位于磁板之间绕组匝外面的部分中包括低导磁率磁性材料。
[0023]图11是根据实施例的类似于图2-4但还包括第三耦合齿和相关绕组的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0024]图12是根据实施例的类似于图11但绕组焊料凸部远离磁芯延伸的低高度耦合电感器的立体图。
[0025]图13是图12的低高度耦合电感器的一个绕组实例当从耦合电感器的剩余部分分离时的立体图。
[0026]图14示出了图2和12中的每一个的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0027]图15是被弯曲以形成图12的低高度耦合电感器的绕组之前被压印导体的俯视平面图。
[0028]图16是根据实施例的类似于图2但包括绕组组件来代替单个绕组的另一低高度耦合电感器的立体图。
[0029]图17是图16的低高度耦合电感器的绕组组件当从耦合电感器的剩余部分分离时的立体图。
[0030]图18是被弯曲以形成图16的低高度耦合电感器的绕组组件之前被压印导体的俯视平面图。
[0031]图19是根据实施例的包括复合磁芯和钉书钉式绕组的低高度耦合电感器的立体图。
[0032]图20是图19的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0033]图21是图19的低高度耦合电感器的绕组组件当从耦合电感器的剩余部分分离时的立体图。
[0034]图22是被弯曲以形成图19的低高度耦合电感器的绕组组件之前被压印导体的俯视平面图。
[0035]图23示出了根据实施例的在降压转换器应用中与图19的低高度耦合电感器一起使用的一个可能的覆盖区。
[0036]图24是根据实施例的包括复合磁芯和钉书钉式绕组的另一低高度耦合电感器的立体图。
[0037]图25是图24的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0038]图26是图24的低高度耦合电感器的绕组组件当从耦合电感器的剩余部分分离时的立体图。
[0039]图27是被弯曲以形成图24的低高度耦合电感器的绕组组件之前被压印导体的俯视平面图。
[0040]图28示出了根据实施例的在降压转换器应用中与图24的低高度耦合电感器一起使用的一个可能的覆盖区。
[0041]图29是根据实施例的包括复合磁芯的低高度耦合电感器的俯视平面图，复合磁芯包括磁板和耦合磁结构。
[0042]图30是图29的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0043]图31是图29的低高度耦合电感器沿图30的线30A-30A截取的剖视图。
[0044]图32是图29的低高度耦合电感器的侧平面图，示意出近似磁通路径。
[0045]图33是根据实施例的包括复合磁芯的另一低高度耦合电感器的俯视平面图，复合磁芯包括磁板和耦合磁结构。
[0046]图34是图33的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0047]图35是图33的低高度耦合电感器的侧平面图，示意出近似磁通路径。
[0048]图36示意出根据实施例的用于形成包括复合磁芯和耦合磁结构的低高度电感器的方法，复合磁芯包括磁板。
[0049]图37是在绕组已经设置于第一磁板上之后的图33的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0050]图38是在漏磁控制结构已经设置于磁板上之后的图33的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0051]图39是在耦合磁结构已经设置于磁板的外表面上以及漏磁控制结构上之后的图33的低高度耦合电感器的侧平面图。
[0052]图40示意出根据实施例的包括图2的低高度耦合电感器的多相降压转换器。
【具体实施方式】
[0053]申请人已经发现在上面讨论的问题中的一个或多个可至少部分地通过用复合磁芯形成低高度电感器而克服。在某些实施例中，复合磁芯包括由铁氧体或其它高导磁率磁性材料形成的两个磁板，和由低导磁率磁性材料比如磁粉和粘合剂的矩阵形成的耦合齿。此复合结构使得芯的大部分能够由具有简单形状比如矩形形状的高导磁率磁性材料形成，从而帮助实现大电感值和容易制造，同时仍允许实现预期的磁芯特征的灵活性。
[0054]图2-4不意出包括复合磁芯的低高度親合电感器的一个例子。图2是低高度親合电感器200的侧平面图，图3是低高度耦合电感器200的俯视平面图，而图4是低高度耦合电感器200沿图2的线2A-2A截取的剖视图。低高度耦合电感器200具有长度202，宽度204，和高度206。在一些实施例中，高度206小于0.75毫米。
[0055]低高度耦合电感器200包括复合磁芯208，复合磁芯208包括在高度206方向上彼此分离并且彼此相对的第一磁板210和第二磁板212。第一和第二磁板210，212分别由高导磁率磁性材料比如铁氧体材料形成。虽然希望第一和第二磁板210，212典型地具有相同构造，例如，相同的