本公开涉及一种磁性元件，更具体地说，涉及一种绕组损耗降低且电路效率提高的磁性元件。
背景技术
近年来，随着数据中心，人工智能等技术的发展，中央处理器(cpu)，图形处理器(gpu)及各类集成芯片(ic)的工作速度越来越快，工作电流越来越大，对其供电模块电压调节模块(vrm)的功率密度，效率，动态性能等方面的要求越来越严苛，对vrm的设计提出了非常高的挑战。在电压调节模块中，输出电感的损耗往往较高，同时电感漏磁也直接影响电感绕组损耗和其他元器件的工作性能。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明的各方面提供了一种磁性元件。
根据本发明的一方面，一种磁性元件，包括：
第一磁柱，沿第一方向延伸，其上设置有气隙；
第二磁柱，沿第一方向延伸；
盖板，沿垂直于第一方向的第二方向延伸，并连接所述第二磁柱的端部；
凸体，形成在所述第一磁柱上，且至少部分围绕所述第一磁柱；
绕组，在所述气隙的位置处围绕所述第一磁柱，所述凸体支撑所述绕组的引脚，以在所述绕组与所述第一磁柱之间形成间隙。
可选地，所述引脚沿第一方向的总宽度p与所述引脚的未与所述凸体接触的部分的宽度p1之间满足下述关系式：
p1≥p/3。
可选地，所述引脚与所述气隙之间在第三方向上的距离s1与所述引脚的未与所述凸体接触的部分的宽度p1之间满足下述关系式：
s1≥p1/6，
所述第三方向垂直于第一方向和第二方向构成的平面。
可选地，所述凸体分别设置在所述气隙的两侧。
可选地，所述绕组与所述气隙之间在第二方向上的距离s2或者s4、所述绕组与所述气隙之间在第三方向上的距离s3中至少一者>0。
可选地，距离s2、s3或者s4中至少一者≥p/6，
其中，p是所述引脚沿第一方向的总宽度。
可选地，所述第一磁柱沿第三方向的高度小于所述第二磁柱和/或所述盖板沿所述第三方向的高度，所述第三方向垂直于第一方向和第二方向构成的平面。
可选地，所述绕组沿第二方向的长度大于所述第一磁柱沿第二方向的长度。
可选地，所述绕组沿第三方向的高度大于所述第一磁柱沿第三方向的高度，所述第三方向垂直于第一方向和第二方向构成的平面。
可选地，在第三方向上，所述第一磁柱的下表面高于所述盖板和/或所述第二磁柱的下表面，所述第三方向垂直于第一方向和第二方向构成的平面。
可选地，在第三方向上，所述凸体的下表面高于所述盖板和/或所述第二磁柱的下表面。
可选地，在第三方向上，所述绕组的上表面位于所述盖板和/或所述第二磁柱的上表面的下方或位于与所述盖板和/或所述第二磁柱的上表面相同的平面，所述第三方向垂直于第一方向和第二方向构成的平面。
可选地，所述绕组具有足够的刚度以保持其自身形状。
可选地，在第三方向上，所述凸体具有向下逐渐减小的形状。
可选地，所述凸体与所述引脚之间插入有非磁性材料。
可选地，所述凸体由非磁性材料形成。
可选地，所述凸体材料与所述第一磁柱材料相同，且两者一体成型。
可选地，所述第一磁柱在第二方向和第三方向形成的平面中的截面具有椭圆形、圆角矩形、倒角矩形、菱形、纺锤形或它们的组合。
可选地，所述凸体在第二方向上不连续。
可选地，所述磁性元件包括多个第一磁柱，所述磁性元件为多相集成电感。
可选地，所述绕组的引脚包含第一引脚及第二引脚，所述第一引脚及第二引脚分别设置在第一磁柱和第二磁柱下方。
可选地，所述磁性元件为电感或变压器。
利用根据本发明的磁性元件包括：第一磁柱，沿第一方向延伸，其上设置有气隙；第二磁柱，沿第一方向延伸；盖板，沿垂直于第一方向的第二方向延伸，并连接所述第二磁柱的端部；凸体，形成在所述第一磁柱上，且至少部分围绕所述第一磁柱；绕组，在所述气隙的位置处围绕所述第一磁柱，所述凸体支撑所述绕组的引脚，以在所述绕组与所述第一磁柱之间形成间隙。因此，其至少具有以下其中一种优点：第一，磁芯利用率高，避气隙容易满足，组装简单，成本低；第二、气隙一周有绕组包裹，电感散磁少，和周边元器件的相互干扰小；第三、绕组结构简单，制成容易；第四、绕组引脚结构和磁芯结构的选取灵活，与功率模块互联方便；第五、绕组涡流损耗降低，交流电阻减小，有利于电路效率的提高。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1a至图1d是对比实施例的磁性元件的示意图。
图2a至图2c是对比实施例的磁性元件的示意图。
图3a至图3i是根据本发明第一实施例的磁性元件的示意图。
图4a和图4b是示出根据本发明的交流电阻的变化关系的曲线图。
图5是示出根据本发明第二实施例的磁性元件的示意图。
图6a至6c是示出根据本发明的第三实施例的磁性元件的示意图。
图7a至图7e是示出根据本发明的第四实施例的磁性元件的示意图。
图8是示出根据本发明的第五实施例的磁性元件的示意图。
图9a和图9b是示出根据本发明第六实施例的磁性元件的示意图。
图10a和图10b是示出根据本发明第七实施例的磁性元件的示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开所提供的磁性元件作进一步详细描述。
图1a至图1d是对比实施例的磁性元件的示意图。参照图1a至图1d，根据对比实施例的磁性元件形成为电感100。其中，图1a和图1b分别示出了该电感100的一种结构的立体图和剖视图，图1c和图1d分别示出了该电感100的另一种结构的立体图和剖视图。根据该对比实施例，电感100包括磁芯110和绕组120，其中磁芯110上具有气隙115，绕组120缠绕在磁芯110上并且与气隙115分隔开一定的距离。
根据该对比实施例，绕组120与气隙115之间彼此间隔开，因此能够降低电感100的绕组120的损耗，从而能够有利于电路效率的提高。
然而，如图1b和图1d所示，在电感100的气隙150的周围会发生散磁通外扩。从而可能导致其他问题，例如，可能引起电感周围器件(如电感上方散热器)的额外涡流损耗，或者可能使感量易被周围器件(如电感上方散热器)影响。
图2a至图2c是对比实施例的磁性元件的示意图。参照图2a至图2c，根据本发明的对比实施例的磁性元件被形成为电感200。电感200包括磁芯210和绕组220，其中磁芯210上具有气隙215，绕组220缠绕在磁芯210上并且覆盖至少部分气隙215，其中，绕组220上面对磁芯210的一侧上形成有凹槽。
根据该对比实施例，由于形成有凹槽，使得绕组220与气隙215之间不直接接触，而是彼此分隔开，因此能够降低电感100的绕组120的损耗，从而能够有利于电路效率的提高。另外，由于绕组220覆盖至少部分气隙215，所以能够减少散磁通。然而，在绕组220中形成凹槽比较困难，因此导致该电感200的制造工艺复杂，难以大规模生产，并且成本较高。
图3a至图3i分别是根据本发明第一实施例的磁性元件及其磁芯和绕组的示意图。图3a示出了根据本发明第一实施例的磁性元件的立体图，图3b示出了根据本发明第一实施例的磁性元件的底视图，图3c示出了根据本发明第一实施例的磁性元件的a2-a2’线段的截面图，图3d示出了根据本发明第一实施例的磁性元件的a2-a2’线段的截面图，图3e示出了根据本发明第一实施例的磁性元件的分解透视图。磁性元件包括磁芯和绕组。图3f是根据本发明第一实施例的磁性元件的磁芯的立体图。图3g示出了根据本发明第一实施例的磁性元件的磁芯的底视图，图3h示出了根据本发明第一实施例的磁性元件的磁芯沿a1-a1’线段的截面图，图3i示出了根据本发明第一实施例的磁性元件的绕组的立体图。
参见图3a至图3i，根据本发明第一实施例的磁性元件300包括：
第一磁柱310，沿第一方向(例如x方向)延伸，其上设置有气隙315；
第二磁柱320，沿第一方向延伸；
盖板330，沿垂直于第一方向的第二方向(例如y方向)延伸，并连接所述第二磁柱320的端部；
凸体340，形成在所述第一磁柱310上，且至少部分围绕所述第一磁柱310；
绕组350，在所述气隙315的位置处围绕所述第一磁柱310，所述凸体340支撑所述绕组350的引脚351，以使所述绕组350与所述第一磁柱310在第三方向上形成间隙。
根据本实施例，第一磁柱310沿x方向延伸可以表示第一磁柱310的第一端部与第一磁柱310的第二端部之间的连线在x方向上，其中，第一磁柱310的第一端部和第二端部分别连接到盖板330。
凸体340被形成为至少部分围绕第一磁柱310，使得第一磁柱310的一部分与凸体340接触，并且第一磁柱310的另一部分可以不与凸体340接触。
在一个实施例中，参照图3b，在第一方向(例如x方向)上，引脚351的总宽度由p表示。引脚351的未与凸体340接触的部分沿第一方向的宽度由p1表示，并且气隙315的沿第一方向的宽度由lg表示。
根据本发明的一个实施例，引脚351沿第一方向的总宽度p与引脚351的未与凸体340接触的部分沿第一方向的宽度p1之间满足下述关系式：p1≥p/3。
在一个实施例中，参照图3c，在第三方向(例如z方向，其垂直于由x方向和y方向构成的平面)上，引脚351与气隙315之间的距离由s1表示，并且绕组350与气隙315之间的距离由s3表示；在第二方向(例如y方向)上，绕组350与气隙315之间的距离由s2和s4表示。另外，如图3c所示，由于制造工艺的限制，在绕组350与凸体340之间可能存在一定的间隙δs，该间隙可能由制造公差产生，然而本发明不限于此。
在一个实施例中，绕组350与气隙315之间在第二方向上的距离s2或者s4、绕组350与气隙315在第三方向上的距离s3中至少一者>0。在另一个实施例中，上述的距离s2、s3或者s4中至少一者≥p/6。
在另一个实施例中，参照图3d，在第二方向(例如y方向)上，绕组350的两相对内壁的长度由w1表示，第一磁柱310的长度由w2表示；在第三方向(例如z方向)上，绕组350的两相对内壁的高度由h1表示，第一磁柱310沿第三方向的高度由h2表示。在图3d所示的实施例中，绕组350的长度w1可以大于第一磁柱310的长度w2。另外，绕组350的高度h1可以大于第一磁柱310的高度h2。在一实施例中，绕组350具有足够的刚度以保持其自身形状，因此当引脚351与凸体340接触时，能够自然地使绕组350与第一磁柱310之间在各个方向上均保持有间隙，从而具有磁芯利用率高、漏磁少、损耗低、制造容易等优点。
根据本发明的一个实施例，引脚351与气隙315之间在第三方向上的距离s1与所述引脚的未与所述凸体接触的部分的宽度p1之间满足下述关系式：s1≥p1/6。
参照图3e，根据本发明的第一实施例，磁性元件300具有两个凸体340，其分别设置在第一磁柱310上的气隙315的两侧。在该实施例中，凸体340与引脚351均位于第一磁柱310的下方(例如，沿z方向的向下方向)，从而使得凸体340与引脚351均形成在磁性元件300的同一侧。利用这样的结构，当磁性元件被组装完毕后，凸体340支撑绕组350的引脚351，从而在绕组350与气隙315在第三方向上形成间隙。
根据本实施例，磁性元件包括：第一磁柱，沿第一方向延伸，其上设置有气隙；第二磁柱，沿第一方向延伸；盖板，沿垂直于第一方向的第二方向延伸，并连接所述第二磁柱的端部；凸体，形成在所述第一磁柱上，且至少部分围绕所述第一磁柱；绕组，在所述气隙的位置处围绕所述第一磁柱，所述凸体支撑所述绕组的引脚，以在所述绕组与所述第一磁柱之间形成间隙。因此，其具有以下至少一种优点：第一，磁芯利用率高，避气隙容易满足，绕组成型后可直接与磁芯组装，组装简单，成本低；第二、气隙一周有绕组包裹，电感散磁少，和周边元器件的相互干扰小；第三、绕组结构简单，制成容易；第四、绕组引脚结构和磁芯结构的选取灵活，与功率模块互联方便；第五、绕组涡流损耗降低，交流电阻减小，有利于电路效率的提高。
图4a和图4b是示出根据本发明的交流电阻的变化关系的曲线图。在下文中，将参照图4a和图4b详细地解释本发明的交流电阻随着磁性元件的结构变化的情况。
如图4a所示，绕组的交流电阻rac随着p1/p的逐渐变大而逐渐减小。换言之，随着引脚351的未与凸体340接触的部分沿第一方向的宽度p1与引脚351沿第一方向的总宽度p之间的比p1/p增大，绕组的交流电阻rac逐渐减小。然而，过大的p1/p比例不利于凸体340对绕组350的支撑，即，可能导致凸体340对绕组350起不到支撑作用。因此，根据本发明的一个实施例，引脚351沿第一方向的总宽度p(即，绕组350的总宽度)与引脚351的未与凸体340接触的部分沿第一方向的宽度p1之间满足下述关系式：p1≥p/3。因此，既能够提高引脚351中传导交流电流的截面积，又能够降低绕组350的交流电阻rac，同时还能够保证凸体340对绕组350的支撑作用。
如图4b所示，绕组的交流电阻rac随着s1/p1的逐渐变大而逐渐减小。换言之，随着引脚351与气隙315之间的距离s1与引脚351的未与凸体340接触的部分沿第一方向的宽度p1之间的比s1/p1增大，绕组的交流电阻rac逐渐减小。然而，过大的s1/p1不利于磁性元件的小型化，从而降低应用该磁性元件的装置的空间利用率。因此，根据本发明的一个实施例，引脚351与气隙315之间在第三方向上的距离s1与引脚351的未与凸体340接触的部分沿第一方向的宽度p1之间满足下述关系式：s1≥p1/6。因此，既优化引脚351与气隙315之间的距离s1，利于交流电流在引脚351上尽可能均匀分布，又使距离s1不会过大，进而绕组350的交流电阻rac与磁性元件的体积均尽可能小。另外，本发明不限于此，与引脚351与气隙315之间在第三方向上的距离s1相似，绕组与气隙之间在其它方向上的距离，例如前述距离s2、s3、s4与绕组宽度p之间的关系均满足大于等于p/6。
图5是示出根据本发明第二实施例的磁性元件的示意图。参照图5，除了还包括非磁性材料360之外，根据本发明第二实施例的磁性元件300与根据本发明第一实施例的磁性元件300具有相似的结构。
具体地说，如图5所示，根据本发明第二实施例，凸体340与引脚351之间还可以形成有非磁性材料360。例如，非磁性材料360可以是粘合剂或者其它非磁性材料。通过形成非磁性材料360，能够增大凸体340与引脚351之间的距离，从而有利于降低ac损耗。
在一个实施例中，凸体340可以由与形成磁性元件的磁芯的第一磁柱、第二磁柱和/或盖板的材料相同的材料形成。在此情况下，凸体340可以与第一磁柱310一体地成型，从而能够简化制造工艺，降低制造成本。
另外，在另一个实施例中，凸体340也可以由非磁性材料形成，从而有助于增加交流电流在引脚351上经过的截面积，从而能够降低ac损耗。在本实施例中，当凸体340由非磁性材料形成时，也可以省略额外的非磁性材料360。
图6a和图6b是示出根据本发明的第三实施例的磁性元件的示意图。图6a是根据本发明第三实施例的磁性元件的磁芯的立体图，图6b是沿图6a中的线b1-b1’截取的剖视图，图6c是根据本发明的第三实施例的磁性元件300的剖视图。
参见图6a至6c，根据本发明第三实施例的磁性元件300与根据本发明前述实施例的磁性元件300不同之处主要在于凸体340具有不规则的形状。更具体地说，凸体340具有向下逐渐减小的形状。例如，如图6b所示，凸体340与第一磁柱310一体地形成，凸体340的截面积向下逐渐减小，使得两个凸体340之间的距离沿着向下的方向逐渐增大。换言之，随着越靠近绕组的引脚351，则凸体340之间的距离越大。
利用上述结构，能够减小凸体340与绕组的引脚的接触面积。因此，如果凸体340由磁性材料形成，则能够减小形成凸体340的磁性材料与引脚之间的接触面积。因此，根据本实施例的磁性元件有利于增加交流电流在引脚351上经过的截面积，降低交流损耗。
图7a至图7e是示出根据本发明的第四实施例的磁性元件的示意图。根据本发明第四实施例的磁性元件300与根据前述实施例的磁性元件300的区别主要在于：在根据本发明第四实施例的磁性元件300中，绕组350的两个引脚351分别设置在第一磁柱310和第二磁柱320下方。
图7a示出了根据本发明第四实施例的磁性元件300的绕组350的示意图，如图7a所示，绕组350具有两个引脚351，即第一引脚351-1和第二引脚351-2，第一引脚351-1和第二引脚351-2朝向同一个方向弯折。因此，当绕组350与磁芯结合时，第一引脚351-1设置在第一磁柱310下方，第二引脚351-2设置在第二磁柱320下方。
根据该实施例，绕组的引脚可以根据实际电路的需要弯折至所需的方向，从而使磁性元件300的线圈的引脚与所需连接的电路模块相适应，使得能够更容易地实现引脚与电路模块的互连。
另外，在此实施例中，第二磁柱320的下表面可以与凸体340的下表面位于同一个平面上，在这种情况下，能够确保引脚351分别被凸体340和第二磁柱320支撑并且位于同一个平面上。
另外，在本实施例中，参见第一磁柱310具有非矩形的截面。具体地说，在第一磁柱310的第二方向和第三方向形成的平面中的截面中，中心部分的高度大于两端的高度。更具体地说，例如，第一磁柱310的该截面可以具有椭圆形、圆角矩形、倒角矩形、菱形、纺锤形或它们的组合。
在本实施例中，能够使第一磁柱310与绕组350的拐角处之间分别在第二方向和第三方向的距离增大，从而有利于在绕组350的拐角处的电流分布更均匀，从而能够更进一步地降低绕组350的损耗。
另外，参见图7e，其示出了沿图7b中的线e-e’截取的剖面，其中，第一磁柱310在第三方向上的高度小于第二磁柱320和/或盖板330在第三方向上的高度。具体地说，在第三方向上，第一磁柱310的下表面高于第二磁柱320和/或盖板330的下表面。在这种情况下，与第一磁柱310的下表面接触的凸体340的下表面可以与第二磁柱320和/或盖板330的下表面位于同一平面上，以有利于形成上述结构。
然而本发明不限于此，凸体340的下表面可以高于第二磁柱320和/或盖板330的下表面，在这种情况下，当引脚351均被形成为与凸体340接触的实施例中，能够降低磁性元件的总高度，从而有利于提高空间利用率。
另外，在另一个实施例中，绕组350的上表面可以位于第二磁柱320和/或盖板330的上表面的下方或者位于与第二磁柱320和/或盖板330的上表面相同的平面。在这种情况下，有利地，由于绕组350的上表面没有超出磁芯结构的上表面，因此能够降低磁性元件的总高度，从而有利于提高空间利用率。
图8是示出根据本发明的第五实施例的磁性元件的示意图。参照图8，其中仅示出了磁性元件的磁芯部分。如图8所示，该磁性元件与根据本发明的其它实施例中的磁性元件300之间的区别主要在于该磁性元件具有口字型的磁芯结构。因此，根据本发明的实施例不仅限于具有如图3a至图3i中所示的具有ee型磁芯的磁性元件，也可以用于具有其它类型的磁芯的磁性元件。
图9a和图9b是示出根据本发明第六实施例的磁性元件的示意图。图9a示出了磁性元件300的立体图，图9b示出了沿图9a中的线c-c’截取的剖视图。如图9a和图9b所示，磁性元件300被形成为一个两相集成电感。如图9a和图9b所示，磁性元件300具有两个第一磁柱310以及分别缠绕在两个第一磁柱310上的两个绕组350。两个第一磁柱310与两个绕组350之间分别设置有凸体340。
根据本实施例的磁性元件中，第一磁柱310、凸体340以及绕组350的具体结构可以参照本发明的前述实施例，因此在这里不再赘述。
根据本实施例，磁性元件包括两个绕组，因此通过合理地设置耦合方式而将该磁性元件形成为集成电感或变压器等具体的磁性元件。本领域技术人员在充分阅读了本说明书公开的内容后能够理解如何形成这些具体的磁性元件，因此在这里将不再赘述。
图10a和图10b是示出根据本发明第七实施例的磁性元件的示意图。图10a示出了磁性元件300的仰视图，图10b示出了磁性元件的分解透视图。
如图10a和图10b所示，根据本实施例的凸体340可以在第二方向上(例如，如图10a和图10b中箭头d-d’所示的方向，其对应于图3a至图3i中的y方向)不连续。具体地说，凸体340被分为多个段，其中每个段分别位于对应于绕组350的引脚351的位置处。在这种情况下，由于在不需要凸体340的位置处未形成凸体340，因此能够在确保凸体340对绕组350的支撑的情况下，减小凸体340的体积，从而节约形成凸体340的材料。
已经在上文中结合具体的实施例和附图描述了本发明，然而本领域技术人员应当理解，参照一个实施例描述的特征并不仅限于该实施例，而是可以与其它实施例相结合以形成未在附图中示出或本说明书中具体描述的其它实施例。
综上所述，根据本发明的磁性元件能够至少具有以下优点：第一，磁芯利用率高，避气隙容易满足，组装简单，成本低；第二、气隙一周有绕组包裹，电感散磁少，和周边元器件的相互干扰小；第三、绕组结构简单，制成容易；第四、绕组引脚结构和磁芯结构的选取灵活，与功率模块互联方便。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。