一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法

摘要

本发明公开了一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法，其包括根据器件的工作频率，选定设定的磁性材料；根据器件设定的电感值和饱和电流值，设计器件拓扑结构；对器件拓扑结构进行优化和迭代，使器件性能满足约束指标；并结合器件拓扑结构和磁性材料的非线性电磁特性，采用有限元方法对器件进行处理分析，确定器件最终参数指标。该超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法通过优化非线性材料的选型和器件结构参数，实现电感器器件达到最优的性能，且实现了非线性材料和线性器件的计算普适性，可使器件的整体性能与实际工作状态相吻合，弥补了现在关于超紧凑高饱和电流的磁芯电感器的设计理论空白。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电感技术领域，具体涉及一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法。

背景技术

随着半导体技术和计算机科技的快速发展，微处理器对于大电流供电的要求急剧提高，同时伴随更低的电压和更快的数据处理速度。集成电压调节器作为电源模块的重要组成部分，提供更接近负载的封装电压调节和更快的电源管理回路，具有更好的电源完整性和节能性。

近年来，功率集成电路的尺寸急速下降，电感器作为无源器件，在电路中占据相当大的尺寸，成为高密度集成电路和电子器件的小型化的瓶颈。通过施加额外的磁性材料，较传统的空心电感器，得到的集成磁芯电感器可以提供相对程度上小型化、通过减少产生的热损耗实现高效的热处理和更高的功率密度。

为了显著地节省母版的空间，功率模块电感器的磁性成分必须要比目前提出的小，为了实现这个目标，一种方法是通过显著地提高开关频率用来降低磁芯的尺寸和重量；另一种是将磁芯与有源器件一体化集成实现所需的功率密度。

当前，这种概念只在电流小于5A和功率密度在700W/in3被实验验证，但这个承载电流的水平远远不能满足诸如笔记本和航天器件等的应用，所以新一代的集成技术实现没有先例的15-40A电流水平的集成稳压器。

此外，大的电感电流也要求大的线圈去减少线圈损耗。在高频和高磁流密度的电感器可以实现电源模块的小型化和高集成化，同时，在封装中集成的电压调节器能实现更高的效率和开关频率。

近年来，通过集成磁芯的微电感器件实现大电流应用得到科研工作者的广泛关注，但是尺寸大和高剖面是大饱和电流电感器集成的主要的挑战。现阶段，对于超紧凑高饱和电流电感器的设计缺乏相应的设计方法，缺乏相应指标的规范和标准。为了实现电感器在高频工作频率下，能保持高效的表现且实现小型化，超紧凑高饱和电流的磁芯电感的设计方法成为关键的技术。

面向工业生产和生活的需要，针对大电流的承载能力的紧凑型电感器，形成一整套技术指标约束体系，约束指标包括为器件的直流电阻、饱和电流、器件的电感值和器件温升指标，指标之间折中和优化适应于各种特定器件的应用。在电感的设计时，首先磁芯选择低损耗、低矫顽力、高磁导率的软磁材料；其次，设计器件拓扑结构，实现低剖面、高电感密度和低损耗的大电流电感器。最后将非线性材料的电磁材料特性与器件结构相结合，运用有限元方法得到实际器件的整体性能参数。因此，本申请提出一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感器的设计方法，通过优化非线性材料的选型和器件结构参数，实现电感器器件达到最优的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法，以解决上述提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法，其包括根据器件的工作频率，选定设定的磁性材料；根据器件设定的电感值和饱和电流值，设计器件拓扑结构；对器件拓扑结构进行优化和迭代，使器件性能满足约束指标；并结合器件拓扑结构和所述磁性材料的非线性电磁特性，采用有限元方法对器件进行处理分析，确定器件最终参数指标。

进一步地，磁性材料的非线性电磁特性包括磁芯材料的磁滞回线和磁芯损耗曲线。

进一步地，设定的磁性材料为能够达到器件约束指标的磁芯电磁特性和封装工艺兼容的材料。

进一步地，根据器件的最初线宽，采用有限元方法在静磁场分析得到饱和电流，若饱和电流大于20A，则增大线宽，若饱和电流未大于20A，则减小线宽；并采用有限元方法在涡流场分析得到器件功率损耗，在热分析中的得到器件参数；若器件升温大于40度，增大线宽，若器件升温未大于40度，减小线宽，若器件升温为40度，则确定最终线宽。

进一步地，约束指标包括器件的直流电阻、饱和电流、器件的电感值和器件温升指标。

进一步地，对于高频工作下，根据线性导体材料和磁性材料电磁参数特征，整合因趋肤效应引起的涡流损耗，对器件拓扑结构设计进行分析。

本发明的有益效果为：该超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法因通过优化非线性材料的选型和器件结构参数，实现电感器器件达到最优的性能，且实现了非线性材料和线性器件的计算普适性，同时，在非线性磁性材料选型时考虑工艺兼容的问题，使器件的整体性能与实际工作状态相吻合，弥补了现在关于超紧凑高饱和电流的磁芯电感器的设计理论空白。

附图说明

图1为超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法的结构示意图。

图2为不同磁性材料的可适应工作频率的示意图。

图3为超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法有限元计算迭代框图。

图4为本发明实施案例中的超紧凑高饱和电流磁芯电感器的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

以下结合实施例进行具体说明。

如图1所示，该超紧凑高饱和电流的磁芯电感器件的设计方法包括根据器件的工作频率，选定设定的磁性材料；根据器件设定的电感值和饱和电流值，设计器件拓扑结构。

对器件拓扑结构进行优化和迭代，使器件性能满足约束指标；并结合器件拓扑结构和所述磁性材料的非线性电磁特性，采用有限元方法对器件进行处理分析，确定器件最终参数指标。

其中，磁性材料的非线性电磁特性包括磁芯材料的磁滞回线和磁芯损耗曲线。设定的磁性材料为能够达到器件约束指标的磁芯电磁特性和封装工艺兼容的材料。约束指标包括器件的直流电阻、饱和电流、器件的电感值和器件温升指标。

本发明基于麦克斯韦方程组及电磁本构关系的高等电磁场理论，运用有限元仿真的方法，提出一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感的设计方法。

该设计方法实现了非线性材料和线性器件的计算普适性，同时，在非线性磁性材料选型时考虑工艺兼容的问题，使器件的整体性能与实际工作状态相吻合，弥补了现在关于超紧凑高饱和电流的磁芯电感器的设计理论空白。

此外，本发明还提供了设计方法的流程图，如图1所示，为实际生产提供理论指南，大大降低了产业化成本付出。

有限元分析方法是一种非常受欢迎的数值处理技术，可以将很多复杂的三维问题简单化，其背后的原理是将问题细分为很多四面体或单元，单元成分可以用分离的多项式表示。

四面体的集合被称为有限元网格，在计算场的数值解时，对模型自动划分网格。为了精确地获得对数值场的描述，系统必须调整每一个四面体的大小，使其足够小，以便能从节点值中对场进行适当的插值。

基本上，网格的大小和所需的精度水平之间也需要权衡。对于磁芯电感器件，是将非线性磁性材料与电感线圈结合的产物，运用有限元方法对于器件设计优化起到举足轻重的作用。

磁芯电感器件其中涉及到磁性材料的非线性表征，传统的按照理想条件的各向同性的磁性材料推到麦克斯韦方程组收到限制，实际的磁性材料的磁导率表现为张量形式。

将磁性材料的磁导率分为面内磁导率为μ

将测试的磁性材料的非线性各向异性磁导率μ

对于磁芯损耗分析，包括两部分：磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是消耗的能量用来改变在磁畴中的磁矩的取向。用一个闭合的静态磁滞回线包围的面积代表，在低频情况下，磁滞损耗为主要损耗形式。

当频率提高时，回路的面积变得更大，这是涡流损耗的原因。传统上涡流损耗分为两部分，一部分为经典的涡流损耗，另一部分为附加损耗，也成为反常损耗。

运用有限元方法，将工作频率旁的磁滞损耗参数导入，可以准确地得到器件相应的损耗分析。对于高频工作状态下，导体线圈存在趋肤效应和邻近效应，对于求解解析解已经很复杂，再伴随非线性磁性材料更将问题的复杂度提高。

运用有限元方法处理，可以大大降低问题的复杂性。根据磁芯电感器件的工作频率，并且根据磁性材料与器件工艺兼容问题，确定合适的磁性材料；其次，根据器件要求的电感值和饱和电流值，确定器件的拓扑结构，其中对于器件的直流电阻、电感值和器件的饱和电流值存在权衡的关系。

最后，运用有限元分析得到器件的温升条件，器件整体的损耗，包括导体损耗和磁芯损耗，损耗通过温升得到直观表征。根据器件的温升表现再对器件进行优化。

本发明中针对磁芯电感器件的线宽的有限元优化迭代算法如图3所示。

根据器件的最初线宽，采用有限元方法在静磁场分析得到饱和电流，若饱和电流大于20A，则增大线宽，若饱和电流未大于20A，则减小线宽；并采用有限元方法在涡流场分析得到器件功率损耗，在热分析中的得到器件参数；若器件升温大于40度，增大线宽，若器件升温未大于40度，减小线宽，若器件升温为40度，则确定最终线宽。

对于高频工作下，根据线性导体材料和磁性材料电磁参数特征，整合因趋肤效应引起的涡流损耗，对器件拓扑结构设计进行分析。

在具体实施中，本发明提供一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感器的设计方法，运用有限元设计方法，实现了非线性磁芯材料和线性器件的计算普适性。同时，针对大电流的承载能力的紧凑型电感器，形成一整套技术指标约束体系，约束指标包括为器件的直流电阻、饱和电流、器件的电感值和器件温升指标，指标之间折中和优化适应于各种特定器件的应用。

磁性材料的非线性电磁特性主要包括，磁芯材料的磁滞回线和磁芯损耗曲线。将磁芯材料的非线性电磁特征带入有限元计算中，同时，对于高频工作下，根据线性导体材料和磁芯材料电磁参数特征，需要考虑由于趋肤效应引起的涡流损耗，对器件拓扑结构设计提供指导。

通过有限元分析方法，对磁芯结构和器件的结构进行优化和迭代，实现器件性能满足约束指标。其次，对于不同工艺加工的磁性材料具备不同的电磁学特性，并且适应的频率有相应区别，如图2所示。选定特定频率后，针对相应的磁芯材料，对该磁性材料的非线性电磁特性进行分析。

该超紧凑高饱和电流的磁芯电感器的设计方法对特定频率选择对应的磁性材料及相应兼容的制备工艺；其次运用有限元算法，将非线性材料电磁特性与线性器件结合计算，使得器件设计方法与器件实际工作状态相吻合，大大缩短磁芯电感器件的设计和生产周期。

本发明设计方法基于麦克斯韦方程组及本构关系理论下，运用有限元方法将磁性材料的非线性电磁特性与线性器件相结合，实现了非线性材料和线性器件的计算普适性。

本发明在非线性磁性材料选型时考虑工艺兼容的问题，设计方法与器件实际工作状态相吻合。

本发明大大缩短磁芯电感器件的设计和生产周期，在集成稳压、电源模块和无线输能等方面有重要的应用价值。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的原理和特性进行详细说明：

运用本发明一种超紧凑高饱和电流的磁芯电感器的设计方法，实现一种饱和电流为20A，直流电阻为0.81Ω，电感值为1.03μH和温升(ΔT≤40℃)的磁芯电感器件，该器件工作频率为1MHz。

根据图1设计流程，根据器件工作频率，我们选择合适的磁性材料。如图2所示，针对承载大电流的指标，我们选择NiCo合金和NiFeW合金叠片，其具备高饱和磁化强度、低矫顽力和低损耗等特性。

根据射频阻抗/材料分析仪和振动样品磁强计对磁芯材料性能进行测试，得到磁型材料的磁性参数。将测试的磁性材料的非线性各向异性磁导率(μ

同时，根据斯坦梅兹方程，运用有限元方法，将工作频率旁的磁滞损耗参数导入，可以准确地得到器件相应的磁芯损耗分析。

其次，对于高频工作下，根据线性导体材料和磁芯材料电磁参数特征，需要考虑由于趋肤效应引起的涡流损耗，对器件拓扑结构设计提供指导，根据趋肤效应先对器件结构参数粗算出一个值，作为有限元分析迭代的初值。

最终，根据有限元分析，对器件温度场进行处理，得到器件的温升条件，器件整体的损耗，包括导体损耗和磁芯损耗通过温升得到直观表征。

如图3所示，图3给出了本发明的提供的有限元迭代和优化模型算法图，以优化导体线宽s为例，根据有限元分析可以优化得到满足约束条件的磁芯电感器件。

最终，根据有限元方法，对表1中的结构参数优化和迭代，实现满足约束指南的高饱和电流的器件，器件性能参数如表2所示。

其中，表1为本发明实施案例中的超紧凑高饱和电流磁芯电感器的最终优化的结构参数；表2为本发明实施案例中的超紧凑高饱和电流磁芯电感器的器件性能参数，表1、表2具体如下。

表1

表2

器件的制备方法：

1、选择NiCo合金和NiFeW合金叠片做为磁芯材料，运用层压工艺，将0.7mm磁芯基片与两个单面覆铜板压合，覆铜板导体层在磁芯层上下外部。

2、运用蚀刻工艺，得到相应参数的线路。采用激光打孔方式，根据表1的结构参数得到上下导体通孔，在通孔上镀铜。

3、运用层压工艺，在步骤2得到的器件上下各层压一层0.7mm磁芯基片。

4、运用激光打孔方式，根据表1的结构参数，将步骤3得到的器件做出通孔。在通孔上镀铜，作为器件的电极。

5、最终，得到如图4所示的大电流磁芯电感器件。

本发明实现了基于具备大电流的承载能力的紧凑型电感器的有限元设计方法，形成一整套技术指标约束体系，约束指标包括为器件的直流电阻、饱和电流、器件的电感值和器件温升指标，指标之间折中和优化适应于各种特定器件的应用。同时，对特定频率选择对应的磁性材料及相应兼容的制备工艺，为实际生产提供理论指南，大大降低了产业化成本付出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。