用印制板設(shè)計(jì)電感器的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用印制板設(shè)計(jì)電感器的方法，包括選擇印制板材料；計(jì)算出對(duì)應(yīng)印制板電感器的印制線(xiàn)厚度、匝數(shù)、線(xiàn)寬和線(xiàn)間距等參數(shù)；再計(jì)算電感承載電流，通過(guò)承載電流指標(biāo)對(duì)電感器線(xiàn)寬進(jìn)行修正，或通過(guò)改變覆層材料、厚度等方法進(jìn)行修正，通過(guò)選擇印制板材料或修改印制線(xiàn)線(xiàn)徑保證電感器的Q值。本發(fā)明具有簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定性好、可靠性高、不受外界環(huán)境影響，且節(jié)約成本。本發(fā)明可廣泛用于無(wú)線(xiàn)電通信設(shè)備領(lǐng)域，也可用于各種濾波器電路，也可用于阻抗變換及匹配網(wǎng)絡(luò)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用印制板設(shè)計(jì)電感器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)電通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及電感器，具體涉及用印制板設(shè)計(jì)電感器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在無(wú)線(xiàn)電通信【技術(shù)領(lǐng)域】中，特別是在涉及電臺(tái)通信的電子電路中，所用的電感線(xiàn)圈多為磁環(huán)繞制或空心繞制的方法制成，但這兩種方法設(shè)計(jì)的電感線(xiàn)圈，在某些特殊【技術(shù)領(lǐng)域】中，包括在超短波電臺(tái)通信【技術(shù)領(lǐng)域】存在著技術(shù)缺陷:一是存在著磁環(huán)易受外界環(huán)境的影響的問(wèn)題，即傳統(tǒng)線(xiàn)繞線(xiàn)圈性能受環(huán)境應(yīng)力變化較大的問(wèn)題，如磁環(huán)在環(huán)境溫度下參數(shù)會(huì)發(fā)生變化；二是空芯線(xiàn)圈本身易變形、體積也較大，即傳統(tǒng)線(xiàn)繞線(xiàn)圈易變形引起電感量和電感品質(zhì)因數(shù)(Q)值不穩(wěn)定的問(wèn)題。其中，電感品質(zhì)因數(shù)Q值是衡量電感器的主要參數(shù)，Q值是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。Q值越高，電感器損耗越小，效率越高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出了一種利用印制板(PCB)設(shè)計(jì)電感器的方法，即通過(guò)利用印制板本身來(lái)設(shè)計(jì)電感器，并固化在印制板上，可單個(gè)使用，也可串聯(lián)級(jí)聯(lián)使用，與現(xiàn)有技術(shù)的繞線(xiàn)電感線(xiàn)圈相比，避免了現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題和缺陷，利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的電感器，電感量和電感品質(zhì)因數(shù)(Q)值穩(wěn)定，不受環(huán)境變化，生產(chǎn)工藝、調(diào)試簡(jiǎn)單，性能一致性好。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)思路是，根據(jù)所要設(shè)計(jì)的電感器的尺寸、電感量和Q值已知條件參數(shù)，選擇印制板材料；再根據(jù)已知條件和參數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)印制板電感器的印制線(xiàn)厚度、匝數(shù)、線(xiàn)寬和線(xiàn)間距等參數(shù)；再計(jì)算電感承載電流，通過(guò)承載電流指標(biāo)對(duì)電感器線(xiàn)寬進(jìn)行修正，或通過(guò)改變覆層材料、厚度等方法進(jìn)行修正，通過(guò)選擇印制板材料或修改印制線(xiàn)線(xiàn)徑保證電感器的Q值。
[0005]本發(fā)明的具體設(shè)計(jì)方法包括如下步驟:
[0006]I)選擇印制板材料,確定印制板厚度和覆層箔材料；
[0007]選擇印制板材料，當(dāng)要設(shè)計(jì)的印制板電感器工作頻率低、承載功率低和Q值較低時(shí)，選用耐燃印制板材料；當(dāng)要設(shè)計(jì)所述印制板電感器工作頻率較高、承載功率大和Q值較高時(shí)，選用陶瓷印制板材料；
[0008]確定印制板厚度，小功率電感器的印制板厚度選擇薄一些，電感量大或電感承載功率大的可選擇厚一些；
[0009]確定印制板覆層箔材料，當(dāng)覆層箔承載功率大、Q值高的可選用覆銀層印制板，其它可選用覆銅層印制板；
[0010]2)確定印制板電感器的尺寸參數(shù)；
[0011]所述印制板電感器的電感量L、匝數(shù)η、線(xiàn)圈長(zhǎng)度1、高度D之間的關(guān)系如下:[0012]L= (k* μ 0*n2*d*D) /1
[0013]其中，k為系數(shù)，k取決于線(xiàn)圈(2*((D*d)A)1/2)與長(zhǎng)度⑴的比值；Utl為真空磁導(dǎo)率=4* *10_7: ；D為電感器高度、d為厚度，其中電感器厚度就等于印制板厚度，用d表示；電感器的高度為電感線(xiàn)圈的直徑，用D表示；*為乘號(hào)；
[0014]3)電感器的印制板布局；
[0015]在頻率較低時(shí)，印制線(xiàn)寬度較寬時(shí)，Q值高，印制線(xiàn)寬度盡量布寬；在頻率高時(shí)，印制線(xiàn)寬度盡量布窄；印制線(xiàn)之間的間距盡可能??；
[0016]4)電感器印制線(xiàn)承載電流設(shè)計(jì)；
[0017]印制線(xiàn)承載電流的設(shè)計(jì)范圍等于印制線(xiàn)電流密度與覆層箔截面積A相乘得到，SPA=H*W;其中，H為覆層箔厚度、W為印制線(xiàn)寬度；
[0018]5) Q 值驗(yàn)證；
[0019]根據(jù)確定的印制板線(xiàn)圈長(zhǎng)度1、高度D、印制線(xiàn)寬度W參數(shù)，通過(guò)輔助軟件COILCALC.EXE進(jìn)行Q值的驗(yàn)證，如滿(mǎn)足要求，可進(jìn)行下一步驟設(shè)計(jì)；若不滿(mǎn)足要求，則可進(jìn)行印制線(xiàn)寬度W的調(diào)整，重新返回步驟4)，進(jìn)行承受電流的設(shè)計(jì)，可反復(fù)進(jìn)行直到滿(mǎn)足Q值要求為止；
[0020]6)印制線(xiàn)電感器的印制板布線(xiàn)；
[0021]根據(jù)上述確定的印制板厚、印制線(xiàn)寬度和電感器長(zhǎng)度，利用PCB布板軟件進(jìn)行雙面印制板繞制式走線(xiàn)，兩層間通過(guò)金屬化過(guò)孔連接，形成連續(xù)的螺旋式印制線(xiàn)。
[0022]進(jìn)一步的，在同一塊印制板上集成多個(gè)所述印制板電感器組成印制板電感器組。
[0023]進(jìn)一步的，所述印制板電感器組每?jī)蓚€(gè)相鄰的電感器印制線(xiàn)反向繞制，且間隔一定距離，再通過(guò)所述電感器印制線(xiàn)和印制線(xiàn)引腳相連接相鄰的所述印制板電感器形成電感器串聯(lián)，雙面印制板布線(xiàn)。
[0024]優(yōu)點(diǎn)和積極效果:本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高、不受外界環(huán)境影響、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，且節(jié)約成本?？蓮V泛用于無(wú)線(xiàn)電通信設(shè)備領(lǐng)域，也可用于各種濾波器電路；也可用于阻抗變換及匹配網(wǎng)絡(luò)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]附圖1為本發(fā)明印制板電感器平面圖。
[0026]附圖2為本發(fā)明印制板電感器截面圖。
[0027]附圖3為本發(fā)明實(shí)施例的印制板電感器組平面圖。
[0028]附圖4為本發(fā)明設(shè)計(jì)流程圖。
[0029]圖中，1 印制板；2 —印制板覆層印制線(xiàn)；3-過(guò)孔；4 —電感器引腳、5 —印制板覆層、d-印制線(xiàn)厚度、D-電感器高度、H—印制板覆層箔厚度、1-電感器線(xiàn)圈長(zhǎng)度、J電感之間間距、W-印制線(xiàn)寬度、X-單個(gè)電感器長(zhǎng)度、Y-印制線(xiàn)間距。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步說(shuō)明印制板電感器設(shè)計(jì)方法:
[0031]本實(shí)施例是以單個(gè)印制板電感器的設(shè)計(jì)為單元組成的串聯(lián)級(jí)聯(lián)印制板電感器設(shè)計(jì)，更能說(shuō)明印制板電感器的顯著效果。具體內(nèi)容如下:[0032]如圖1~3所示，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)IlOMHz的LC低通濾波器的串聯(lián)電感器組為例，來(lái)闡述印制板電感器組設(shè)計(jì)步驟。
[0033]電感器組技術(shù)指標(biāo):
[0034]1、電感量 L: 2 個(gè) 69nH± 2nH ; 2 個(gè) 90nH土 2nH ；
[0035]2、高度 D:10mm±0.3mm ;
[0036]3、長(zhǎng)度 X:49mm±0.3mm ;
[0037]4、Q 值:不小于 200;
[0038]5、承受電流:不小于1.2A
[0039]如圖4所示，印制板電感器設(shè)計(jì)步驟:
[0040]為滿(mǎn)足串聯(lián)電感器組的技術(shù)指標(biāo)要求。選用印制板電感器組的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行:
[0041]步驟一:根據(jù)所要設(shè)計(jì)的電感器的參數(shù)要求，確定印制板相關(guān)參數(shù)。
[0042]1、選擇印制板材料；當(dāng)所要求設(shè)計(jì)電感器要求工作頻率低、承載功率不大、Q值不高時(shí)，印制板材料可選用耐燃材料等級(jí)FR4的印制板材料；當(dāng)所要求設(shè)計(jì)電感器要求工作頻率較高、承載功率大、Q值高的電感器時(shí)，選用陶瓷印制板材料；本發(fā)明選用FR4的印制板材料。
[0043]2、確定印制板的厚度和覆層材料；
[0044]印制板厚度d，取決電感器的機(jī)械強(qiáng)度，小功率電感器的印制板厚度選擇1.5mm,電感量大或電感承載功率大可選擇2_以上；
[0045]覆層的材料，決定電感器的直流電阻，與電感器的Q值和承載功率有關(guān)，大功率、Q值高的電感器可選用覆銀，其它可選用覆銅。
[0046]印制板材料選擇:由于工作頻率為I IOMHz，因此選用普通耐燃材料等級(jí)為FR4材料即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
[0047]承受電流為1.2A、屬承受中等功率、板厚d可選擇2mm以上，本實(shí)施例選用2.5mm可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
[0048]根據(jù)頻率、承受中等功率及Q值參數(shù)要求,本實(shí)施例選用FR4覆銅印制板。
[0049]步驟二:確定電感器的尺寸。
[0050]如圖1所示，由于電感器高度D和厚度d已確定，只需確定匝數(shù)η與線(xiàn)圈長(zhǎng)度1:
[0051]由公式L=(k*y Q*n2*d*D)/l,板厚 d 為 2.5mm,高度 D 為 IOmm, μ。=4.7* π *10'
[0052]貝丨J:η2: I=L/ (k* μ Q*d*D) =L/ (k*4* π *10-7*2.5*10_3*10*10_3)
[0053]=3.18*10lcl*L/k
[0054]其中，k為系數(shù)，k為系數(shù)按K取值表選取，k取決于線(xiàn)圈(2*(φ*(1)/π)1/2)與長(zhǎng)度⑴的比值；為真空磁導(dǎo)率=4*π*10_7;山為電感器高度、d為厚度，其中電感器厚度就等于印制板厚度，用d表示，電感器的高度為電感線(xiàn)圈的直徑，用D表示。
[0055]k取值表
[0056]
【權(quán)利要求】
1.用印制板設(shè)計(jì)電感器的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)選擇印制板材料，確定印制板厚度和覆層箔材料； 選擇印制板材料，當(dāng)要設(shè)計(jì)的印制板電感器工作頻率低、承載功率低和Q值較低時(shí)，選用耐燃印制板材料；當(dāng)要設(shè)計(jì)所述印制板電感器工作頻率較高、承載功率大和Q值較高時(shí)，選用陶瓷印制板材料； 確定印制板厚度，小功率電感器的印制板厚度選擇薄一些，電感量大或電感承載功率大的可選擇厚一些； 確定印制板覆層箔材料，當(dāng)覆層箔承載功率大、Q值高的可選用覆銀層印制板，其它可選用覆銅層印制板； 2)確定印制板電感器的尺寸參數(shù)； 所述印制板電感器的電感量L、匝數(shù)η、線(xiàn)圈長(zhǎng)度1、高度D之間的關(guān)系如下:
L= (k* μ 0*n2*d*D) /1 其中，k為系數(shù)，k取決于線(xiàn)圈(2*(Φ*(1)/π)1/2)與長(zhǎng)度⑴的比值；為真空磁導(dǎo)率=4* JI *10_7; -D為電感器高度、d為厚度，其中電感器厚度就等于印制板厚度，用d表示；電感器的高度為電感線(xiàn)圈的直徑，用D表示；*為乘號(hào)； 3)電感器的印制板布局； 在頻率較低 時(shí)，印制線(xiàn)寬度較寬時(shí)，Q值高，印制線(xiàn)寬度盡量布寬；在頻率高時(shí)，印制線(xiàn)寬度盡量布窄；印制線(xiàn)之間的間距盡可能?。? 4)電感器印制線(xiàn)承載電流設(shè)計(jì)； 印制線(xiàn)承載電流的設(shè)計(jì)范圍等于印制線(xiàn)電流密度與覆層箔截面積A相乘得到，SPA=H*W;其中，H為覆層箔厚度、W為印制線(xiàn)寬度； 5)Q值驗(yàn)證； 根據(jù)確定的印制板線(xiàn)圈長(zhǎng)度1、高度D、印制線(xiàn)寬度W參數(shù)，通過(guò)輔助軟件COILCALC.EXE進(jìn)行Q值的驗(yàn)證，如滿(mǎn)足要求，可進(jìn)行下一步驟設(shè)計(jì)；若不滿(mǎn)足要求，則可進(jìn)行印制線(xiàn)寬度W的調(diào)整，重新返回步驟4)，進(jìn)行承受電流的設(shè)計(jì)，可反復(fù)進(jìn)行直到滿(mǎn)足Q值要求為止； 6)印制線(xiàn)電感器的印制板布線(xiàn)； 根據(jù)上述確定的印制板厚、印制線(xiàn)寬度和電感器長(zhǎng)度，利用PCB布板軟件進(jìn)行雙面印制板繞制式走線(xiàn)，兩層間通過(guò)金屬化過(guò)孔連接，形成連續(xù)的螺旋式印制線(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用印制板設(shè)計(jì)電感器的方法，其特征在于，在同一塊印制板上集成多個(gè)所述印制板電感器組成印制板電感器組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用印制板設(shè)計(jì)電感器的方法，其特征在于，所述印制板電感器組每?jī)蓚€(gè)相鄰的電感器印制線(xiàn)反向繞制，且間隔一定距離，再通過(guò)所述印制板電感器印制線(xiàn)和印制線(xiàn)引腳相連接相鄰的所述印制板電感器形成電感器串聯(lián)，雙面印制板布線(xiàn)。
【文檔編號(hào)】H01F41/00GK103714963SQ201310731542
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】劉靜, 張勇軍, 李關(guān)策 申請(qǐng)人:陜西烽火電子股份有限公司