一种感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感

摘要

本发明属于无源集成器件技术领域，具体提供一种感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感，应用于开关电源中，以解决开关电源无法同时保持低纹波电流与良好的瞬态响应性能力的问题，且不需要引入额外的元器件或控制电路。本发明中，各向异性磁芯膜采用[绝缘层/下缓冲层/下反铁磁层/下铁磁层/上缓冲层/上铁磁层/上反铁磁层]n多层膜结构，利用磁芯膜层间反平行的交换偏置场作用，使磁芯膜在低场时磁导率较低、高场时磁导率较高；因此，当电感的直流偏置较高时，电感具备较大感值，从而降低了纹波电流；而当电源处于开启(关断)状态时，此时电感上的电流值较小，感值较低，提升了瞬态响应能力。

说明书

技术领域

本发明属于无源集成器件技术领域，具体涉及一种感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感。

背景技术

由于中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)的架构不断向多核心发展，芯片的功耗密度不断增加；为了降低芯片功耗，必须使用具备动态电压频率调节(DVFS)能力的片上电源系统，给芯片提供快速响应且精准的供电；然而，在开关电源中，滤波电感过小会导致纹波电流增加，降低输出电压的精准度，电感过大则会导致电源瞬态响应能力降低。

针对上述开关电源在提升电源瞬态响应能力的同时需要降低纹波电流的问题，目前已有三种解决方案：其一，采用多相供电的方式，利用相与相之间的电感形成负耦合，并采用相位调制，可同时获得较高的纹波等效电感与较小的瞬态等效电感；然而，随着相数增加，控制电路也更加复杂，如文献“F.C.Lee,“Voltage Regulator Module for FutureGeneration ofProcessors,”Tutorial Notes,Sixteenth VPEC PowerelectronicsSeminar,Virginia Tech.,1-115,September 1998”、“M.T,Zhang,M.M.Jovanovic and F.C.Y.Lee,“Analysis and Evaluati on of InterleavingTechniques in Forward Converters,”IEEE Trans.Power Electron.,Vol.13,No.4,pp.690-8,1998”。其二，采用线性和非线性控制相结合的方法(LnLc)，在负载稳定(稳态期间)时采用线性反馈控制；在负载瞬态(转换期间)时采用非线性控制，从而提高了变换器的响应速度并获得稳定的输出。在LnLc控制中，非线性控制与线性控制部分是相互独立的，当电压处于较高电压阈值与较低电压阈值之间时，非线性控制重新调节电压而不会影响其稳定状态。LnLc在动态响应和稳定性方面做到了较好的调节，如文献“Yao K.Controlbandwidth and transient response of buck converters[C]//2002IEEE 33rd AnnualIEEE Power Electronics Specialists Conference.Proceedings(Cat.No.02CH37289).IEEE,2002”。其三，利用辅助电路补偿技术(ACCT)，在稳态时采用电感串联的方式增加等效电感值，获得稳定的输出，在瞬态时切换为电感并联的方式减小等效电感值，提升瞬态响应能力，如文献“Poon N K,Li C P,Pong M H.A low cost DC-DC stepping inductancevoltage regulatorwith fast transient loading response[C]//IEEE Applied PowerElectronics Conference&Exposition.IEEE,2001”。

基于此，本发明同样针对上述开关电源在提升电源瞬态响应能力的同时需要降低纹波电流的问题，提供一种感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中开关电源存在的无法同时保持低纹波电流、良好的瞬态响应性能力的问题，提供一种感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感，使电感在低电流下具备较小的感值、而在大电流时具备较大感值；基于本发明提出的片上磁芯功率电感，能够有效改善电源的瞬态响应能力、并同时降低纹波电流，提升电源稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感，包括：各向异性磁芯膜、以及绕制在磁芯膜上的铜绕组，所述磁芯膜的难轴沿绕组方向、易轴方向垂直于绕组方向；其特征在于，所述磁芯膜采用[绝缘层/下缓冲层/下反铁磁层(AF)/下铁磁层(FM)/上缓冲层/上铁磁层(FM)/上反铁磁层(AF)]

进一步的，绝缘层采用SiO

更进一步的，所述感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.采用磁控溅射法依次制备绝缘层、下缓冲层、下反铁磁层、下铁磁层、上缓冲层、上铁磁层、上反铁磁层；

步骤2.重复步骤1形成[绝缘层/下缓冲层/下反铁磁层(AF)/下铁磁层(FM)/上缓冲层/上铁磁层(FM)/上反铁磁层(AF)]

步骤3.将器件置于交流磁场中进行从起始温度到室温的退火处理，使下反铁磁层/下铁磁层、上铁磁层/上反铁磁层的双层结构之间分别产生交换偏置场、且两个交换偏置场方向呈反平行，则得到片上功率电感的磁芯；所述起始温度高于反铁磁层的奈尔温度。

更进一步的，所述步骤1中，射频磁控溅射法制备SiO

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感，其中，各向异性磁芯膜采用[绝缘层/下缓冲层/下反铁磁层(AF)/下铁磁层(FM)/上缓冲层/上铁磁层(FM)/上反铁磁层(AF)]

综上，本发明较好的解决了在开关电源中无法同时保持低纹波电流、良好的瞬态响应性能力的问题，且不需要引入额外的元器件或控制电路。

附图说明

图1为本发明提供的感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感的结构示意图。

图2为本发明提供的感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感中，双交换偏置场磁芯结构示意图。

图3为本发明实施例中感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感中磁芯膜理想磁滞回线图。

图4为本发明实施例中感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感中磁芯膜磁化曲线示意图。

图5为本发明实施例中基于感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感的buck型开关电源的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

本发明提供的一种感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感，有益于解决在开关电源中无法同时保持低纹波电流与良好的瞬态响应性能力的问题；其特征在于，所述片上磁芯功率电感的磁芯膜在低场时磁导率较低，高场时磁导率较高，其实施方案实施例所示。

更为具体讲，本发明提供的感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感的结构如图1所示，该具有可变感值的片上磁芯功率电感是通过MEMS工艺在硅片上制备得到，具体包括：各向异性磁芯膜与绕组，各向异性磁芯膜的难轴沿绕组方向、磁导率由材料决定，易轴方向垂直于绕组方向、磁导率为1；各向异性磁芯膜的长度L

上述感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感的双交换偏置场磁芯结构示意图如图2所示，该磁芯膜每个周期由两组位于非磁性绝缘层和缓冲层两侧的铁磁/反铁磁双层薄膜组成，且交换偏置场方向相反(图中箭头方向为交换偏置场方向)。由于交换偏置场的作用，使得该结构的两磁性层的磁滞回线出现偏移，产生存在偏离零场的两个单独的磁滞回线，向左偏离的磁滞回线为顶层铁磁/反铁磁层，而向右偏离的磁滞回线为底层铁磁/反铁磁层，且偏离量由交换偏置场大小决定。

实施例

本实施例提供的一种感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感，通过MEMS工艺在硅片上制备得到；所述绕组采用金属铜材料，厚度T

从工作原理上讲，由于两反铁磁层的钉扎作用，两铁磁层产生反向交换耦合作用，理想磁滞回线也如图3所示，向左偏离的磁滞回线为上层铁磁/反铁磁层，而向右偏离的磁滞回线为下层铁磁/反铁磁层，且零点偏移量由两交换偏置场的大小决定。

基于此，当本实施例感值随工作电流变化的片上磁芯功率电感应用于降压型开关电源中时，其的工作原理如下：

如图4所示为本实施例[绝缘层/下层缓冲层/下层反铁磁层(AF)/下层铁磁层(FM)/上层缓冲层/上层铁磁层(FM)/上层反铁磁层(AF)]

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。