CN219916840U - 双层式耦合电感及多相电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电子元器件技术领域，提供一种双层式耦合电感及多相电源，所述双层式耦合电感包括：多个单颗电感；多个单颗电感中至少有两个单颗电感沿垂直于目标平面方向呈两层式分布，每个单颗电感在目标平面上设置有两个引脚，且两个引脚的引出方向相反，目标平面指两个引脚与印制电路板接触的平面。本实用新型提供的双层式耦合电感及多相电源，多个单颗电感沿垂直于目标平面的方向呈两层式分布，即可以在垂直于目标平面的方向上增加单颗电感，而不需要在目标平面上增加单颗电感，进而减小了PCB的面积，节约了PCB的制作成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子元器件技术领域，尤其涉及一种双层式耦合电感及多相电源。
背景技术
耦合电感是指两个独立的电感器件通过互相磁耦合而形成的电感。其主要作用是将电能从一个电路传输到另一个电路，即实现电磁能量的转换和传输。耦合电感广泛应用于电力电子、通信、电子电路、电动机控制、变频调速、无线充电等领域。
目前，耦合电感包括正向全耦合型结构和反向耦合型结构，但正向耦合结构需应用在特定的电源拓扑中，反向耦合型相较于本案例则需要更大印制电路板(PrintedCircuit Board,PCB)的面积来提升电源功率密度，增加了PCB的制作成本。
实用新型内容
本实用新型提供一种双层式耦合电感及多相电源，用以解决现有技术中耦合电感需要通过增大PCB的面积来提升电源功率密度导致PCB制作成本增加的缺陷。
本实用新型提供一种双层式耦合电感，包括：
多个单颗电感；
所述多个单颗电感中至少有两个单颗电感沿垂直于目标平面方向呈两层式分布，每个单颗电感在所述目标平面上设置有两个引脚，且所述两个引脚的引出方向相反，所述目标平面指所述两个引脚与印制电路板接触的平面。
根据本实用新型提供的一种双层式耦合电感，各单颗电感之间相互反向耦合。
根据本实用新型提供的一种双层式耦合电感，各单颗电感对应的耦合系数相同。
根据本实用新型提供的一种双层式耦合电感，各单颗电感包括磁芯和线圈，所述线圈包绕在所述磁芯上。
根据本实用新型提供的一种双层式耦合电感，各单颗电感之间的磁芯间隔可调。
根据本实用新型提供的一种双层式耦合电感，所述磁芯为铁氧体磁芯、镍锌磁芯、铁氧化铁磁芯、钴铁磁芯、硅钢磁芯和遥散体磁芯中的任一种。
根据本实用新型提供的一种双层式耦合电感，所述磁芯的形状包括棒状、环状以及半环状中的至少一种。
根据本实用新型提供的一种双层式耦合电感，所述线圈的材料包括铜、铜铝合金、铜包钢线以及银中的至少一种。
根据本实用新型提供的一种双层式耦合电感，所述线圈是通过预设绕制法包绕在所述磁芯上的，所述预设绕制法包括多层绕制法、单层绕制法、音叉形绕制法以及螺旋绕制法中的至少一种。
本实用新型还提供一种多相电源，包括：如上所述的双层式耦合电感，以及印制电路板，所述双层式耦合电感上的引脚与所述印制电路板焊接连接。
本实用新型提供的双层式耦合电感及多相电源，多个单颗电感沿垂直于目标平面的方向呈两层式分布，即可以在垂直于目标平面的方向上增加单颗电感，而不需要在目标平面上增加单颗电感，进而减小了PCB的面积，节约了PCB的制作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型提供的二相双层式耦合电感的结构示意图之一；
图2是本实用新型提供的二相双层式耦合电感的结构示意图之二；
图3是本实用新型提供的三相耦合电感的等效磁路欧姆定律示意图；
图4是本实用新型提供的三相耦合电感的耦合系数曲线示意图；
图5是本实用新型提供的多相耦合电感等效模型示意图；
图6是本实用新型提供的两相耦合电感buck电源等效模型示意图；
图7是本实用新型提供的两相耦合电感与非耦合buck稳态工作示意图；
图8是本实用新型提供的两相耦合与非耦合电感纹波电流比例和耦合系数关系示意图；
图9是本实用新型提供的一到三相电源电压纹波与占空比关系示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
目前，耦合电感包括正向全耦合型结构和反向耦合型结构，但上述结构需要通过增大PCB的面积来提升电源功率密度，增加了PCB的制作成本。
对此，本实用新型提供一种双层式耦合电感，该双层式耦合电感包括：
多个单颗电感；
多个单颗电感中至少有两个单颗电感沿垂直于目标平面方向呈两层式分布，每个单颗电感在目标平面上设置有两个引脚，且两个引脚的引出方向相反，目标平面指两个引脚与印制电路板接触的平面。
其中，图1是以4个单颗电感110为例说明双层式耦合电感的结构，如图1所示，4个单颗电感沿垂直于目标平面呈两层式分布，即可以理解为目标平面为xy平面，4个单颗电感110沿垂直于xy平面的方向(即z方向)呈两层式分布，且每层分布有两个单颗电感110。此外，每个单颗电感在目标平面上设置有两个引脚120，且两个引脚120的引出方向相反。
现有技术中通常是在xy平面上并列设置多个单颗电感，但由于xy平面为与PCB接触的平面，从而在增加单颗电感提升电源功率密度时，同步需要增加xy平面与PCB接触的平面面积，进而也需要增加PCB的面积，导致PCB的制作成本增加。
然而，本实用新型实施例中多个单颗电感呈两层式分布，即可以在垂直于xy平面的方向上增加单颗电感，而不需要在xy平面上增加单颗电感，进而减小了PCB的面积，节约了PCB的制作成本。
例如，若耦合电感中包括4个单颗电感，现有技术中需要在xy平面上并列设置4个单颗电感，而本实用新型实施例则可以按照图1的方式呈两层式设置4个单颗电感，进而减少了50％的PCB面积，节约了PCB的制作成本。换言之，在相同PCB面积下，本实用新型实施例提供的一体式耦合电感能够获取更高的电源功率密度。
需要说明的是，为了便于说明耦合电感的结构，图1是以分解形式展示耦合电感结构的，但在实际使用过程中，耦合电感是以图2中的闭合形式使用的。
此外，图1是以4个单颗电感为例说明本实用新型实施例的方案，但并不限制本实用新型实施例中单颗电感的数量为4。本实用新型实施例中的单颗电感数量至少为2个，且单颗电感数量可以为奇数数量，也可以为偶数数量。例如，若单颗电感数量为3个(奇数数量)，则可以在第一层设置2个单颗电感，在第二层设置1个单颗电感；若单颗电感数量为2个(偶数数量)，则可以分别在第一层和第二层各设置1个单颗电感。
由此可见，本实用新型实施例提供的双层式耦合电感，多个单颗电感110沿垂直于目标平面的方向呈两层式分布，即可以在垂直于目标平面的方向上增加单颗电感，而不需要在目标平面上增加单颗电感，进而减小了PCB的面积，节约了PCB的制作成本。
基于上述实施例，各单颗电感110之间相互反向耦合。
具体地，与传统的直接耦合电路相比，反向耦合的特点是具有较高的输入阻抗、较低的输出阻抗，且能有效地隔离不同电路之间的干扰信号，提高电路的稳定性和抗干扰能力。
其中，各单颗电感110相互反向耦合的实现方式可以是在两个电路之间放置一个互感器(即反向电感器)。优选地，可以采用双互感器耦合的方式，即两个电路分别与两个互感器相连，从而可以实现不同电路之间的双向传输，而且可以更好地控制耦合系数的大小，以满足不同的应用需求。
此外，各单颗电感110相互反向耦合通常可以应用于射频放大器、信号传输电路、滤波器等领域。在射频放大电路中，反向耦合可以使信号在放大过程中可以保持高频响应的稳定性，避免电路出现激励失真等问题。
在一些具体实施方式中，如图3所示，耦合电感包括3个单颗电感(即电感1，电感2和电感3，相互耦合)，电感1上的线圈匝数为N1，电感2上的线圈匝数为N2，电感3上的线圈匝数为N3，电感、电感2和电感3上的磁芯磁阻均为R，外边磁芯磁阻为Rc。图4表示的是耦合系数(Coefficient of coupling)与R/Rc之间的曲线关系，由图4可知，R/Rc越大，耦合系数越小。其中，采用k表示耦合系数，耦合系数k采用如下公式计算得到：
如图5所示，耦合电感包括m个单颗电感，耦合后的电感L可以基于如下公式确定：
vL1＝jωLi1-jωLmi2-jωLmi3-…-jωLmim
＝jω(Lk+(m-1)Lm)i1-jωLmi2-jωLmi3-…-jωLmim
＝jωLki1+jω(m-1)Lmi1-jωLmi2-jωLmi3-…-jωLmim
＝jωLki1+(jωLmi1-jωLmi2)+(jωLmi1-jωLmi3)-…+(jωLmi1-jωLmim)
vLx＝jωLkix+(jωLmix-jωLmi2)+(jωLmix-jωLmi3)-…+(jωLmix-jωLmim)
L＝Lk+(m-1)Lm
其中，j表示复频域，ω表示角频率。
如图6和图7所示，曲线a表示耦合系数k＝0.2时耦合电感对应的电流曲线，曲线b表示未耦合电感(k＝0)对应的电流曲线，O-Ts期间对应的buck工作过程可采用下式表示：
步骤1、图7中0-DTs,vL1＝vin-vo，vL2＝--vo
假设LLk1＝LLk＝LLk，
对于一般的耦合电感，L表示自感，k表示耦合系数，有：
步骤2、图7中DTs to Ts/2,vL1＝vL2＝-vo
步骤3、图7中Ts/2to Ts/2+DTs,vL1＝-vo,vL2＝vin-vo，与步骤1类似。
步骤4、图7中Ts/2+DTs to Ts,vL1＝vL2＝-vo，与步骤2类似。
在步骤1中的时间段内，电感器电流和耦合系数之间的关系如下：
如图8所示，两相buck在占空比D＝0.3(D为各周期电源开启的时间与电源总开启时间之间的比值)的情况下，耦合系数k与ΔiL none coupled/ΔiL coupled之间的曲线示意图，其中ΔiL none coupled表示未耦合电感的纹波电流，ΔiL coupled表示耦合电感的纹波电流。如图所示，反向耦合电感的应用会减小电感纹波电流，有助于减少零件的损耗，提升电源效率。此外，反向耦合电感提升了输出纹波电流，提升瞬态响应，可相应减少输出电容，同时节省了电容占据的PCB面积。其中，ΔiLnonecoupled/ΔiLcoupled的之间的关系可采用如下公式表示：
其中，L表示自感，n表示电路相数，M表示耦合系数。
如图9所示，曲线a表示电源数量为1时的电源电压纹波与占空比关系曲线，曲线b表示电源数量为2时的电源电压纹波与占空比关系曲线，c表示电源数量为3时的电源电压纹波与占空比关系曲线，其中，IL表示电源电压纹波大小。由图9可知，随着电源相数的增加，输出电压纹波减小。
基于上述任一实施例，各单颗电感110对应的耦合系数相同。
具体地，耦合系数是指两个电感之间通过磁耦合而相互影响的程度。各单颗电感对应的耦合系数相同时，它们之间的磁耦合效应是相同的，因此它们的电流和电压变化将会相似，从而使得各单颗电感在电路中的行为更加一致，以保证电路的稳定性和可靠性。
基于上述任一实施例，各单颗电感110包括磁芯111和线圈112，线圈112包绕在磁芯上。
具体地，各单颗电感110是利用线圈112中的电流所产生的磁场来储存能量的器件。线圈通常是由导线绕成的，使得电感的磁场更加集中，从而提高电感的效率。磁芯111则是线圈112周围的辅助材料。磁芯111由磁性材料制成，它的作用是将线圈112产生的磁场更加集中和聚焦，从而提高电感的效率。通过改变磁芯111的材料、形状和大小可以调节电感的耦合系数。
基于上述任一实施例，各单颗电感110之间的磁芯111间隔可调，从而可以调节各单颗电感110的电感值。
基于上述任一实施例，磁芯为铁氧体磁芯、镍锌磁芯、铁氧化铁磁芯、钴铁磁芯、硅钢磁芯和遥散体磁芯中的任一种，不同的磁芯对应的材料不同，进而对应电感的耦合系数不同。
其中，铁氧体磁芯的材料是铁氧体，铁氧体是一种具有高磁导率和低损耗的磁性陶瓷材料，铁氧体磁芯具有优异的高频性能。镍锌磁芯是一种具有高饱和磁通密度和低剩磁的材料，且镍锌磁芯是一种低成本的材料，适用于高磁通变化的应用。铁氧化铁磁芯是一种低成本的磁性材料，具有低磁导率和高剩磁，适用于低频电路应用。钴铁磁芯具有高磁导率和饱和磁感应强度，适用于高功率应用。硅钢磁芯是一种低损耗的磁性材料，具有优异的低磁滞和低涡流损耗特性，适用于高电压和高频应用。遥散体磁芯是一种多层钢片组成的磁芯，具有低铁损和低涡流损耗，适用于高频和高功率应用。
基于上述任一实施例，磁芯的形状包括棒状、环状以及半环状中的至少一种，不同形状的磁芯会产生不同的磁路效应，从而影响各单颗电感110的电感值大小和稳定性。
其中，棒状磁芯是一种直径为固定尺寸的长条状磁芯，通常用于功率较大的应用中，比如用于电源变压器中的线圈。棒状磁芯的优点是尺寸大，热容量高，可承受高功率，缺点是易磁饱和，磁效应差。环状磁芯是一种中间呈圆形的磁芯，常常用于高频电路中的电感器件，如滤波器、变压器等。环状磁芯的优点是形状紧凑，磁效应强，缺点是受限于尺寸和形状。半环状磁芯是一种中间呈半圆形的磁芯，常常用于高频电路中的电感器件，如滤波器、变压器等。半环状磁芯的优点是形状更加紧凑，磁效应更强，可以更好地适应高频电路的需求。
基于上述任一实施例，线圈的材料包括铜、铜铝合金、铜包钢线以及银中的至少一种。其中，铜是一种电导率高、价格适中、使用方便的材料。在高频电路中，使用纯铜或镀银的铜作为导线材料，可以降低线圈的电阻和电感损耗，提高线圈的效率。铜铝合金是由铜和铝以一定比例混合制成的一种材料，具有较高的抗氧化性和耐腐蚀性。在一些高频电路中，铜铝合金可以替代铜作为导线材料，降低材料成本，并提高线圈的效率。铜包钢线是由钢芯和铜包层组成的一种材料。在一些高功率电路中，铜包钢线可以替代纯铜线，提高线圈的承载能力和热稳定性。银是一种电导率非常高的材料，优于铜。在一些高频电路、精密仪器和通信设备中，使用银作为导线材料可以提高线圈的性能和稳定性。
基于上述任一实施例，线圈是通过预设绕制法包绕在磁芯上的，预设绕制法包括多层绕制法、单层绕制法、音叉形绕制法以及螺旋绕制法中的至少一种。其中，多层绕制法是将同绕向的导线叠在一起，经过绝缘处理后扭转成线圈，多层绕制法可以使线圈的电感值增大。单层绕制法是将导线沿着线圈的轴向一圈一圈地绕制，每圈之间保持一定的间隔。音叉形绕制法是将一根平面弯曲的导线绕成类似于音叉的形状，使线圈的电感值和品质因数都较好。螺旋绕制法是将导线按照较小角度斜着缠绕在某种基材上，再将其弯曲成螺旋形，然后卷成线圈。
基于上述任一实施例，本实用新型还提供一种多相电源，包括：
如上任一实施例所述的双层式耦合电感，功率级开关器件，印制电路板，连接器以及滤波电容。其中，多相电源可以为多相DC-DC电源。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种双层式耦合电感，其特征在于，包括：
多个单颗电感；
所述多个单颗电感中至少有两个单颗电感沿垂直于目标平面方向呈两层式分布，每个单颗电感在所述目标平面上设置有两个引脚，且所述两个引脚的引出方向相反，所述目标平面指所述两个引脚与印制电路板接触的平面。
2.根据权利要求1所述的双层式耦合电感，其特征在于，各单颗电感之间相互反向耦合。
3.根据权利要求1所述的双层式耦合电感，其特征在于，各单颗电感对应的耦合系数相同。
4.根据权利要求1至3任一项所述的双层式耦合电感，其特征在于，各单颗电感包括磁芯和线圈，所述线圈包绕在所述磁芯上。
5.根据权利要求4所述的双层式耦合电感，其特征在于，各单颗电感之间的磁芯间隔可调。
6.根据权利要求4所述的双层式耦合电感，其特征在于，所述磁芯为铁氧体磁芯、镍锌磁芯、铁氧化铁磁芯、钴铁磁芯、硅钢磁芯和遥散体磁芯中的任一种。
7.根据权利要求4所述的双层式耦合电感，其特征在于，所述磁芯的形状包括棒状、环状以及半环状中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的双层式耦合电感，其特征在于，所述线圈的材料包括铜、铜铝合金、铜包钢线以及银中的至少一种。
9.根据权利要求4所述的双层式耦合电感，其特征在于，所述线圈是通过预设绕制法包绕在所述磁芯上的，所述预设绕制法包括多层绕制法、单层绕制法、音叉形绕制法以及螺旋绕制法中的至少一种。
10.一种多相电源，其特征在于，包括：
如权利要求1至9任一项所述的双层式耦合电感，以及印制电路板，所述双层式耦合电感上的引脚与所述印制电路板焊接连接。
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| CN202321136203.4U Active CN219916840U (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 双层式耦合电感及多相电源 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-05-11 CN CN202321136203.4U patent/CN219916840U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 201114 room 1302, 13 / F, building 16, 2388 Chenhang Road, Minhang District, Shanghai Patentee after: Shanghai Bi Ren Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 201114 room 1302, 13 / F, building 16, 2388 Chenhang Road, Minhang District, Shanghai Patentee before: Shanghai Bilin Intelligent Technology Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| CP03 | Change of name, title or address |