一种新型无芯PCB平面电感器研究

一种新型无芯PCB平面电感器研究

一种新型无芯PCB平面电感器研究 2011： 1 引言 随着现代科技的发展，特别是为满足电子系统的表面贴装技术、微组装技术发展的需要，这就势必要求在更小的基片上集成更多的元器件，这除了要求高密度集成技术的发展外，从器件本身出发，研制小型化、片式化的器件，以减小系统的整体体积、重量，无疑为一可行的途径。而作为磁性元器件中最重要的电感，它不仅在LC滤波电路、扼流圈、天线中必不可少，也是构成变压器的基本组成单元，其片式化将带动磁性元件向小型化发展。因而近十年来日本东芝公司[1]、TDK公司、日本Tohoku大学[2]、美国斯坦福大学[3]等著名研究机构在这一领域已进行了一系列基础性研究和相关实用化产品的开发。但从其所给测试数据可见虽然电感值在10～100MHz之间可以达到100nH以上，但是其品质因素都小于10[2，4，5]，究其原因主要是电感线圈上所镀制的磁性膜在高频下产生的涡流效应使得损耗增加。而如采用PCB板来制作这种无芯的电感器，不仅可以避免磁性膜所带来的损耗、薄膜材料频率的限制，而且可以利用印刷工艺的准确性，严格控制电感线圈的各个主要参数，并可以制作双面的耦合电感，进一步增大电感量减小电路的尺寸。2 无芯PCB电感的结构及制作无芯PCB电感器的结构如图1，它的绕线形状可以采取折线形、矩形、圆形、八边形等，但矩形与圆形是最常见的形式，因为矩形易于制作，可以很好的控制电感的个体参数，而圆形绕线形式可以使品质因素Q大大提高。具体制作时可以使用PROTEL99绘制其绕线图。考虑到印制板的优越性我们在制作单面电感的同时也制作了双面的耦合电感，制作双面电感时应注意两面线圈的绕向，使其磁通处于叠加的状态。我们制作了如图1所示匝数N=10，线间距d=10mil，线宽h=8mil的圆形和矩形螺旋形单面电感线圈，用HP4291A测试其电感量L及品质因素Q，如图2。从图2中可见矩形与圆形电感器其电感值在10～10MHz保持一比较稳定的值，而品质因素Q随频率的增大而增大；并且可见在相同的面积下矩形电感比圆形电感具有更大的电感值，究其原因是由于圆形绕线所占用的面积大，因而在相同的面积下矩形线圈的有效长度大于圆形绕线。且由于单面板焊盘位置的限制，我们不能测试其更高频率下的性质，但可推测其L、Q还会随频率的增高而增大直到其固有频率。我们又采用相同的尺寸及其状制作了PCB双面耦合电感，使用HP4291B测试其电感量L及品质因素Q，如图3：由于采用了双面的结构，获得的电感量（>1.5μH）大于单面电感的两倍，这是由于分析图3可知双面耦合无芯电感矩形线圈的电感量略大于圆形线圈，但是圆形线圈的固有频率可达到100MHz，高于矩形线圈约80MHz，并且由于圆形线圈有效长度小于矩形线圈，因而绕线电阻小于矩形线圈，使得其品质因素Q远大于（>10%）矩形电感线圈，当然品质因素还会受到线间分布电容、基片损耗、涡流损耗等因素的影响。虽然圆形线圈具有上述的优点，但是其占用的面积较大、且制板不如矩形线圈那么容易，因而应根据实际使用要求来选用具体的形状。

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