可变耦合电感器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种可变耦合电感器，特别是涉及一种可同时提高轻载与重载效率的可变耦合电感器。

背景技术：

耦合电感器已经发展一段时间，然而却不常使用在电路板。随着更强大的计算机微处理器在小电路板上需要高电流，耦合电感器也逐渐地被使用于电路板。耦合电感器能够用来降低传统电感器所耗费的电路板空间的总量。目前，已经显示耦合电感器可明显地降低涟波电流(ripple current)，并且已容许使用较小的电容器，以节省电路板的空间。由于耦合电感器的直流电阻(direct current resistance,DCR)低，可在重载时有较佳效率。然而，由于耦合电感器是利用耦合的方式将双导线的磁通抵销，此会使轻载的感量变低，而轻载的效率变差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：为了弥补现有技术的不足，提供一种可同时提高轻载与重载效率的可变耦合电感器，以解决上述问题。

本发明的可变耦合电感器采用以下技术方案：

所述可变耦合电感器包括第一芯材、二导线、第二芯材以及磁性结构。所述第一芯材包括二第一突出部、第二突出部以及二导线槽，其中所述第二突出部位于所述二第一突出部之间，且每一个所述导线槽分别位于所述二第一突出部的其中之一与所述第二突出部之间。每一个所述导线分别设置于所述二导线槽的其中之一中。所述第二芯材设置于所述第一芯材上。每一个所述第一突出部与所述第二芯材之间形成有第一间隙，且所述第二突出部与所述第二芯材之间形成有第二间隙。所述磁性结构设置于所述第二突出部与所述第二芯材之间，且所述磁性结构相对于所述第二突出部的中线呈对称分布。

所述第一间隙的垂直距离小于所述第二间隙的垂直距离。

所述可变耦合电感器具有总高度H，所述第一间隙的垂直距离介于0.0073H与0.0492H之间，且所述第二间隙的垂直距离介于0.0196H与0.1720H之间。

所述磁性结构具有第一导磁率μ1，所述第一间隙具有第二导磁率μ2，所述第二间隙具有第三导磁率μ3，所述第一导磁率至所述第三导磁率的关系是μ1>μ2≧μ3。

所述第一芯材具有第四导磁率μ4，所述第二芯材具有第五导磁率μ5，所述第一导磁率至所述第五导磁率的关系是μ1≧μ4>μ2≧μ3且μ1≧μ5>μ2≧μ3。

所述第一间隙与所述第二间隙都位于所述导线槽的底面至所述第二芯材的垂直距离所涵盖的范围中。

所述磁性结构与所述第一芯材一体成型。

所述磁性结构与所述第二芯材一体成型。

所述磁性结构包括至少一片段，所述至少一片段相对于所述第二突出部的中线呈对称分布。

所述磁性结构的二端分别与所述第一芯材及所述第二芯材完全接触。

所述磁性结构具有第一表面积A1，所述第二突出部具有第二表面积A2，在第一电流I1下测得第一感量L1，在第二电流I2下测得第二感量L2，1.21(I1/I2)≧A1/A2≧0.81(I1/I2)，且0.8L1≧L2≧0.7L1。

在所述第一电流I1加1安培下测得第三感量L3，且5.5nH≧L1-L3≧4.5nH。

所述第一间隙是非磁隙，且所述第二间隙是气隙或非磁隙。

因此，根据上述技术方案，本发明的可变耦合电感器至少具有下列优点及有益效果：本发明在位于第一芯材中间的第二突出部与第二芯材之间设置磁性结构，并且使此磁性结构相对于第二突出部的中线呈对称分布，以通过此磁性结构提高可变耦合电感器的初始感量，从而提高轻载效率。此外，本发明的可变耦合电感器可以铁氧磁体(ferrite)做为材料来达到高饱和电流，并且使用铜片当电极来降低直流电阻，因此可在重载有较佳效率。换句话说，本发明的可变耦合电感器可同时提高轻载与重载效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的可变耦合电感器的立体图。

图2是图1中的可变耦合电感器移除第二芯材的立体图。

图3是图2中的第一芯材与磁性结构的立体图。

图4是图1中的可变耦合电感器移除二导线的侧视图。

图5是以图1中的可变耦合电感器量测得到的感量与电流的关系图。

图6是本发明另一实施例的第一芯材与磁性结构的立体图。

图7是本发明另一实施例的第一芯材与磁性结构的立体图。

图8是本发明另一实施例的第一芯材与磁性结构的立体图。

其中，附图标记说明如下：

1 可变耦合电感器 10 第一芯材

12 导线 14 第二芯材

16、16'、16”、磁性结构 100 第一突出部

16”'

102 第二突出部 104 导线槽

160、162 片段 1040 底面

G1 第一间隙 G2 第二间隙

CL 中线 D1、D2、D3 垂直距离

H 总高度 A、B 点

X、X3、X4、 长度 Y1、Y2、Y3、 宽度

X5 Y4、Y5

具体实施方式

请参考图1至图4，图1是本发明一实施例的可变耦合电感器1的立体图，图2是图1中的可变耦合电感器1移除第二芯材14的立体图，图3是图2中的第一芯材10与磁性结构16的立体图，图4是图1中的可变耦合电感器1移除二导线12的侧视图。如图1至图4所示，可变耦合电感器1包括第一芯材10、二导线12、第二芯材14以及磁性结构16。第一芯材10包括二第一突出部100、第二突出部102以及二导线槽104，其中第二突出部102位于二第一突出部100之间，且每一个导线槽104分别位于二第一突出部100的其中之一与第二突出部102之间。换句话说，第二突出部102位于第一芯材10的中间部位。每一个导线12分别设置于二导线槽104的其中之一中。第二芯材14设置于第一芯材10上，使得每一个第一突出部100与第二芯材14之间形成有第一间隙G1，且第二突出部102与第二芯材14之间形成有第二间隙G2。磁性结构16设置于第二突出部102与第二芯材14之间，且磁性结构16相对于第二突出部102的中线CL呈对称分布，如图3与图4所示。

由于第二突出部102位于第一芯材10的中间部位，且磁性结构16设置于第二突出部102与第二芯材14之间，因此在可变耦合电感器1完成后，磁性结构16位于可变耦合电感器1的中间部位。此外，磁性结构16的二端分别与第一芯材10及第二芯材14完全接触。在本实施例中，磁性结构16呈长条状，但不以此为限。在本实施例中，磁性结构16与第一芯材10一体成型，但不以此为限。第一芯材10、第二芯材14或磁性结构16的材料可以是铁粉、铁氧磁体、永久磁铁或其它磁性材料。由于第一芯材10与磁性结构16是一体成型，所以第一芯材10与磁性结构16的材料相同。在另一实施例中，磁性结构16也可以与第二芯材14一体成型，此时，第二芯材14与磁性结构16的材料相同。在另一实施例中，磁性结构16也可以是独立组件，此时，磁性结构16与第一芯材10、第二芯材14的材料可相同或不同。需说明的是，若因制造公差使得磁性结构16无法与第一芯材10及第二芯材14完全接触时，可在缝隙处填入磁性胶(例如，绝缘树脂和磁性粉末的磁性接着剂)。

在本实施例中，第一间隙G1的垂直距离D1小于第二间隙G2的垂直距离D2。第一间隙G1可以是气隙、磁隙或非磁隙，且第二间隙G2也可以是气隙、磁隙或非磁隙，可根据实际应用而设计。需说明的是，气隙是以空气来进行隔绝的间隙，其不含其它材料，由于空气的磁阻较大，可增加电感饱和度；磁隙是于间隙中填充磁性材料，以减少磁阻，从而使电感感量增加；非磁隙是于间隙中填充除了空气之外的非磁性材料，以增进气隙无法达成的功能，例如填充结合胶，以使不同的磁性材料结合在一起。优选地，第一间隙G1可以是非磁隙，且第二间隙G2可以是气隙或非磁隙。

在本实施例中，在可变耦合电感器1完成后，可变耦合电感器1具有总高度H，第一间隙G1的垂直距离D1可介于0.0073H与0.0492H之间，且第二间隙G2的垂直距离D2可介于0.0196H与0.1720H之间。此外，如图4所示，第一间隙G1与第二间隙G2都位于导线槽104的底面1040至第二芯材14的垂直距离D3所涵盖的范围中。换句话说，从图4所示的侧视图来看，第一间隙G1与第二间隙G2都不高于且不低于导线槽104的底面1040至第二芯材14的垂直距离D3。于实际应用中，第一间隙G1产生主要感量，且第二间隙G2产生漏感(leakage inductance)。

在本实施例中，磁性结构16具有第一导磁率μ1，第一间隙G1具有第二导磁率μ2，且第二间隙G2具有第三导磁率μ3，其中第一导磁率至第三导磁率的关系是μ1>μ2≧μ3。一般而言，导磁率与磁阻成反比，也就是导磁率越大，则磁阻越小。本发明使位于中央的磁性结构16的第一导磁率μ1大于两侧的第一间隙G1与第二间隙G2的第二导磁率μ2与第三导磁率μ3。换句话说，磁性结构16的磁阻小于第一间隙G1与第二间隙G2的磁阻。

举例而言，位于中央的磁性结构16可以低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)印刷而成，此时，第一导磁率μ1约介于50与200之间，而两侧的第一间隙G1与第二间隙G2的第二导磁率μ2与第三导磁率μ3约等于1。由于磁性结构16的第一导磁率μ1大于第一间隙G1与第二间隙G2的第二导磁率μ2与第三导磁率μ3，在可变耦合电感器1通电流时，起始磁通便会由中央的磁性结构16通过。需说明的是，无论第一芯材10与第二芯材14的材料为何，也就是无论第一芯材10与第二芯材14的导磁率大小为何，只要位于中央的磁性结构16的第一导磁率μ1大于第一间隙G1与第二间隙G2的第二导磁率μ2与第三导磁率μ3，就可以达到可变耦合电感效果。

此外，第一芯材10具有第四导磁率μ4，且第二芯材14具有第五导磁率μ5。举例而言，在另一实施例中，当磁性结构16、第一芯材10与第二芯材14的材料都是铁氧磁体(ferrite)时，则第一导磁率μ1、第四导磁率μ4与第五导磁率μ5相等。当磁性结构16的材料是铁氧磁体时，可提高可变耦合电感器1的初感特性，使可变耦合电感器1在轻载使用的效率更好。需说明的是，磁性结构16的材料也可以不同于第一芯材10与第二芯材14的材料，只要第一导磁率μ1至第五导磁率μ5的关系满足μ1≧μ4>μ2≧μ3且μ1≧μ5>μ2≧μ3就好。

综上所述，本发明在位于第一芯材10中间的第二突出部102与第二芯材14之间设置具有高导磁率(也就是上述的第一导磁率μ1)的磁性结构16，并且使此磁性结构16相对于第二突出部102的中线CL呈对称分布，以通过此磁性结构16提高可变耦合电感器1的初始感量，从而提高轻载效率。

请参考图5以及下表1，图5是以图1中的可变耦合电感器1量测得到的感量与电流的关系图，表1是感量与电流的对照表。如图5所示，A点是轻载与重载的转换点(此实施例的A点电流是10A，但不以此为限)，且B点是期望达到的最大电流(此实施例的B点电流是50A，但不以此为限)。A点以下的电流定义为轻载，由图5与表1可知，可变耦合电感器1于轻载时的感量明显提高，因此本发明的可变耦合电感器1可有效提高轻载效率。需说明的是，在本实施例中，可变耦合电感器1的总高度H约是4.07mm，第一间隙G1的垂直距离D1介于0.03mm与0.2mm之间，且第二间隙G2的垂直距离D2介于0.08mm与0.7mm之间。

表1

在本实施例中，磁性结构16具有第一表面积A1，且第二突出部102具有第二表面积A2。如图3所示，磁性结构16与第二突出部102的长度都是X，磁性结构16的宽度是Y1，且第二突出部102的宽度是Y2，则磁性结构16的第一表面积A1是X*Y1，且第二突出部102的第二表面积A2是X*Y2。若将A点的电流定义为第一电流I1，且将B点的电流定义为第二电流I2，则第一电流I1、第二电流I2与第一表面积A1、第二表面积A2的关系可表示为1.21(I1/I2)≧A1/A2≧0.81(I1/I2)。此外，在第一电流I1下可测得第一感量L1，且在第二电流I2下可测得第二感量L2，则第一感量L1与第二感量L2的关系可表示为0.8L1≧L2≧0.7L1。换句话说，本发明可通过调整第一表面积A1与第二表面积A2的大小来调整在第一电流I1(也就是上述的轻载与重载的转换点的电流)下的第一感量L1与在第二电流I2(也就是上述的期望达到的最大电流)下的第二感量L2。

需说明的是，上述的第一电流I1可以下列方式来定义。在第一电流I1加1安培下测得第三感量L3，且5.5nH≧L1-L3≧4.5nH。举例而言，此实施例的第一电流I1是10A，其对应的第一感量L1是159.35nH，第一电流I1加1安培是11A，其对应的第三感量L3是154.38，则L1-L3＝4.97nH，也就是5.5nH≧4.97nH≧4.5nH。通过上述定义方式，就可以在本发明的可变耦合电感器1通电流时，通过感量的量测找到图4中的A点所对应的电流(也就是上述的第一电流I1)。

请参考图6，图6是本发明另一实施例的第一芯材10与磁性结构16'的立体图。磁性结构16'与上述的磁性结构16的主要差别在于，磁性结构16'的长度X3小于磁性结构16的长度X，且磁性结构16'的宽度Y3大于磁性结构16的宽度Y1。在本实施例中，磁性结构16'的表面积X3*Y3等于磁性结构16的表面积X*Y1。此外，磁性结构16'仍须相对于第二突出部102的中线CL呈对称分布。需说明的是，磁性结构16'可与第一芯材10一体成型，可与第二芯材14一体成型，也可以是独立组件，视实际应用而定。

请参考图7，图7是本发明另一实施例的第一芯材10与磁性结构16”的立体图。磁性结构16”与上述的磁性结构16的主要差别在于，磁性结构16”包括二片段160，且每一个片段160的长度与宽度分别是X4与Y4。在本实施例中，磁性结构16”的表面积(X4*Y4)*2等于磁性结构16的表面积X*Y1。此外，磁性结构16”的二片段160仍须相对于第二突出部102的中线CL呈对称分布。需说明的是，磁性结构16”可与第一芯材10一体成型，可与第二芯材14一体成型，也可以是独立组件，视实际应用而定。

请参考图8，图8是本发明另一实施例的第一芯材10与磁性结构16”'的立体图。磁性结构16”'与上述的磁性结构16的主要差别在于，磁性结构16”'包括四片段162，且每一个片段162的长度与宽度分别是X5与Y5。在本实施例中，磁性结构16”'的表面积(X5*Y5)*4等于磁性结构16的表面积X*Y1。此外，磁性结构16”'的四片段162仍须相对于第二突出部102的中线CL呈对称分布。需说明的是，磁性结构16”'可与第一芯材10一体成型，可与第二芯材14一体成型，也可以是独立组件，视实际应用而定。

换句话说，在相同表面积下，可自行设计所需的磁性结构的片段数与形状。无论磁性结构的片段数与形状为何，磁性结构都须相对于第二突出部102的中线CL呈对称分布。

因此，根据上述技术方案，本发明的可变耦合电感器至少具有下列优点及有益效果：本发明在位于第一芯材中间的第二突出部与第二芯材之间设置磁性结构，并且使此磁性结构相对于第二突出部的中线呈对称分布，以通过此磁性结构提高可变耦合电感器的初始感量，从而提高轻载效率。此外，本发明的可变耦合电感器可以铁氧磁体(ferrite)做为材料来达到高饱和电流，并且使用铜片当电极来降低直流电阻，因此可在重载有较佳效率。换句话说，本发明的可变耦合电感器可同时提高轻载与重载效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。