一种空芯PCB电感及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种空芯PCB电感及其设计方法，解决了现有技术中平面PCB磁性元件寄生电阻较大、损耗较大以及磁饱和风险较高的问题。该电感包括至少两层绕组，绕组的各匝线圈的宽度由内而外逐渐增大；绕组的第k匝线圈的宽度w

【技术实现步骤摘要】
一种空芯PCB电感及其设计方法


[0001]本专利技术涉及电感
，尤其涉及一种空芯PCB电感及其设计方法。

技术介绍

[0002]在开关电源领域多使用平面PCB磁性元件进行能量存储、能量转换以及电气隔离等。磁性元件的绕组多印刷在多层PCB内，并在板子上打出相应的孔洞，将磁芯嵌在PCB上，相比于分立式磁性元件，平面PCB磁性元件的高度通常仅为分立磁性元件的一半，体积大大减小；平面PCB磁性元件的表面积与体积的比值更大，因此其散热特性更好；平面PCB磁性元件可通过相关软件进行设计，然后直接送至PCB厂商进行加工，易于批量生产并且批量生产时各元件的差异性较小，统一性较好；平面PCB磁性元件利用PCB板内的导线作为其绕组，同时开关器件等其他电力电子元件也可以直接焊接在PCB板上，因此磁性元件与其他电力电子器件的连接无需额外走线，因此易于集成化。
[0003]但是，平面PCB磁性元件也存在如下缺陷：一是随着系统工作频率的提高，平面PCB磁件的铁损明显高于铜损，成为制约系统效率提升的不利因素；二是相对于分立绕线式结构，PCB绕组的截面积一般较小，寄生电阻较大，同样限制系统的工作效率；三是平面PCB磁性元件的窗口较窄，绕组的设计余量天然较小，磁件饱和的风险偏高。
[0004]基于上述分析，为了解决平面PCB磁性元件的寄生电阻较大、铜损以及铁损较大、磁件饱和风险较高的问题，急需寻求一种平面PCB电感。

技术实现思路

[0005]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种空芯PCB电感及其设计方法，用以解决现有平面PCB磁性元件寄生电阻较大、损耗较大以及磁饱和风险较高的问题。
[0006]一方面，本专利技术实施例提供了一种空芯PCB电感，所述电感包括至少两层绕组，所述绕组的各匝线圈的宽度由内而外逐渐增大；
[0007]所述绕组的第k匝线圈的宽度w
k
与匝间距s之和为等比数列且公比为a＝r
ok
/r
ik
，其中，r
ik
表示第k匝线圈的内径，r
ok
表示第k匝线圈的外径；
[0008]所述各匝线圈均包括弧线段与过渡直导体段，所述过渡直导体段对应一圆心角，且所述过渡直导体段用于连接本匝线圈的弧线段以及相邻外层线圈的弧线段。
[0009]进一步，各匝线圈的内径、外径满足如下公式：
[0010][0011]其中，r
iw
表示绕组的内径，r
ow
表示绕组的外径，i表示N匝线圈中的任意一匝，N表示绕组的匝数。
[0012]进一步，所述绕组包括的线圈匝数为N，根据下述公式计算得到：
[0013][0014]其中，J表示电感的电流密度，D表示电感的直径，t表示绕组的厚度，I表示电感上的电流。
[0015]进一步，所述过渡直导体段对应的一圆心角β满足如下公式：
[0016][0017]进一步，所述电感包括Q层绕组，所述电感的电感量L满足下述公式：
[0018][0019]其中，L
pp
为第p层的自感，M
q(q+1)
为第q层与第q+1层的互感，Q≥2且Q为偶数。
[0020]另一方面，本专利技术实施例提供了一种空芯PCB电感的设计方法，所述方法包括：
[0021]预设电感的直径D、电感上的电流I、电感的电流密度J以及电感量L
nom
；
[0022]基于D、I、J，结合每层绕组的厚度t，得到每层绕组的线圈匝数N；
[0023]基于每层绕组的线圈匝数N，结合绕组的内径r
iw
、外径r
iw
、匝间距s，计算所述绕组的第k匝线圈的宽度w
k
与匝间距s之和构成的等比数列的公比a＝r
ok
/r
ik
以及各匝线圈的内径、外径和宽度，其中，r
ik
表示第k匝线圈的内径，r
ok
表示第k匝线圈的外径；
[0024]基于所述公比a、绕组的内径r
iw
以及匝间距s，得到过渡直导体段对应的圆心角β；
[0025]基于各层绕组的自感以及相邻层绕组之间的互感，结合电感量L
nom
，得到电感的层数Q。
[0026]进一步，所述基于D、I、J，结合每层绕组的厚度t，得到每层绕组的线圈匝数N，包括：
[0027]根据下述公式计算每层绕组的线圈匝数N：
[0028][0029]进一步，所述计算所述绕组的第k匝线圈的宽度w
k
与匝间距s之和构成的等比数列的公比a＝r
ok
/r
ik
以及各匝线圈的内径、外径和宽度，包括：
[0030]根据下述公式计算公比a以及各匝线圈的内径、外径和宽度：
[0031][0032]其中，r
iw
表示绕组的内径，r
ow
表示绕组的外径，i表示N匝线圈中的任意一匝，N表示绕组的匝数。
[0033]进一步，所述基于所述公比a、绕组的内径r
iw
以及匝间距s，得到过渡直导体段对应的圆心角β，包括：
[0034]根据下式计算圆心角β：
[0035][0036]进一步，所述基于各层绕组的自感以及相邻层绕组之间的互感，结合预设的电感量L
nom
，得到电感的层数Q，包括：
[0037]根据下述公式计算空芯PCB电感的电感量L：
[0038][0039]其中，L
pp
为第p层的自感，M
q(q+1)
为第q层与第q+1层的互感；
[0040]判断L是否大于预设电感量L
nom
；
[0041]若L大于L
nom
，则判断Q是否为偶数；
[0042]若Q为偶数，则Q为电感的层数。
[0043]与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果：
[0044]本申请提出一种空芯PCB电感，通过设置绕组的各匝线圈的宽度由内而外逐渐增大，且所述绕组的第k匝线圈的宽度w
k
与匝间距s之和为等比数列且公比为a＝r
ok
/r
ik
，其中，r
ik
表示第k匝线圈的内径，r
ok
表示第k匝线圈的外径；所述各匝线圈均包括弧线段与过渡直导体段，所述过渡直导体段对应一圆心角，且所述过渡直导体段用于连接本匝线圈的弧线段以及相邻外层线圈的弧线段的技术方案；即，取消了平面PCB电感中的磁芯，通过PCB绕组设计出符合系统指标要求的空芯PCB电感，从而使得系统不存在铁损且无磁饱和风险，同时通过合理设计线圈的结构，降低了绕组的寄生电阻，进而有效降低了空芯PCB电感的铜损，提升系统的工作效率。
[0045]本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空芯PCB电感，其特征在于，所述电感包括至少两层绕组，所述绕组的各匝线圈的宽度由内而外逐渐增大；所述绕组的第k匝线圈的宽度w
k
与匝间距s之和为等比数列且公比为a＝r
ok
/r
ik
，其中，r
ik
表示第k匝线圈的内径，r
ok
表示第k匝线圈的外径；所述各匝线圈均包括弧线段与过渡直导体段，所述过渡直导体段对应一圆心角，且所述过渡直导体段用于连接本匝线圈的弧线段以及相邻外层线圈的弧线段。2.根据权利要求1所述的电感，其特征在于，各匝线圈的内径、外径满足如下公式：其中，r
iw
表示绕组的内径，r
ow
表示绕组的外径，i表示N匝线圈中的任意一匝，N表示绕组的匝数。3.根据权利要求2所述的电感，其特征在于，所述绕组包括的线圈匝数为N，根据下述公式计算得到：其中，J表示电感的电流密度，D表示电感的直径，t表示绕组的厚度，I表示电感上的电流。4.根据权利要求2所述的电感，其特征在于，所述过渡直导体段对应的一圆心角β满足如下公式：5.根据权利要求1所述的电感，其特征在于，所述电感包括Q层绕组，所述电感的电感量L满足下述公式：其中，L
pp
为第p层的自感，M
q(q+1)
为第q层与第q+1层的互感，Q≥2且Q为偶数。6.一种权利要求1至5任一项所述的空芯PCB电感的设计方法，其特征在于，所述方法包括：预设电感的直径D、电感上的电流I、电感的电流密度J以及电感量L
nom
；基于D、I、J，结合每层绕组的厚度t，得到每层绕组的线圈匝数N；基于每层绕组的线圈匝数N，结合绕组的内径r
iw
、外径r
iw
、匝间距s，计算所述绕组的第k匝线圈的宽度w
k
与匝间距s之和构成的等比数列的公比a＝r

【专利技术属性】
技术研发人员：胡西红，张斌，赵鑫，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：