用印制板設(shè)計電感器的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用印制板設(shè)計電感器的方法，包括選擇印制板材料；計算出對應(yīng)印制板電感器的印制線厚度、匝數(shù)、線寬和線間距等參數(shù)；再計算電感承載電流，通過承載電流指標對電感器線寬進行修正，或通過改變覆層材料、厚度等方法進行修正，通過選擇印制板材料或修改印制線線徑保證電感器的Q值。本發(fā)明具有簡單易行、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)明可廣泛用于無線電通信設(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)。
【專利說明】用印制板設(shè)計電感器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線電通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及電感器，具體涉及用印制板設(shè)計電感器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在無線電通信【技術(shù)領(lǐng)域】中，特別是在涉及電臺通信的電子電路中，所用的電感線圈多為磁環(huán)繞制或空心繞制的方法制成，但這兩種方法設(shè)計的電感線圈，在某些特殊【技術(shù)領(lǐng)域】中，包括在超短波電臺通信【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)境的影響的問題，即傳統(tǒng)線繞線圈性能受環(huán)境應(yīng)力變化較大的問題，如磁環(huán)在環(huán)境溫度下參數(shù)會發(fā)生變化；二是空芯線圈本身易變形、體積也較大，即傳統(tǒng)線繞線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，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)計電感器的方法，即通過利用印制板本身來設(shè)計電感器，并固化在印制板上，可單個使用，也可串聯(lián)級聯(lián)使用，與現(xiàn)有技術(shù)的繞線電感線圈相比，避免了現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題和缺陷，利用本發(fā)明設(shè)計的電感器，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)計算出對應(yīng)印制板電感器的印制線厚度、匝數(shù)、線寬和線間距等參數(shù)；再計算電感承載電流，通過承載電流指標對電感器線寬進行修正，或通過改變覆層材料、厚度等方法進行修正，通過選擇印制板材料或修改印制線線徑保證電感器的Q值。
[0005]本發(fā)明的具體設(shè)計方法包括如下步驟:
[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，當要設(shè)計的印制板電感器工作頻率低、承載功率低和Q值較低時，選用耐燃印制板材料；當要設(shè)計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，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、線圈長度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取決于線圈(2*((D*d)A)1/2)與長度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圈的直徑，用D表示；*為乘號；
[0014]3)電感器的印制板布局；
[0015]在頻率較低時，印制線寬度較寬時，Q值高，印制線寬度盡量布寬；在頻率高時，印制線寬度盡量布窄；印制線之間的間距盡可能??；
[0016]4)電感器印制線承載電流設(shè)計；
[0017]印制線承載電流的設(shè)計范圍等于印制線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為印制線寬度；
[0018]5) Q 值驗證；
[0019]根據(jù)確定的印制板線圈長度1、高度D、印制線寬度W參數(shù)，通過輔助軟件COILCALC.EXE進行Q值的驗證，如滿足要求，可進行下一步驟設(shè)計；若不滿足要求，則可進行印制線寬度W的調(diào)整，重新返回步驟4)，進行承受電流的設(shè)計，可反復(fù)進行直到滿足Q值要求為止；
[0020]6)印制線電感器的印制板布線；
[0021]根據(jù)上述確定的印制板厚、印制線寬度和電感器長度，利用PCB布板軟件進行雙面印制板繞制式走線，兩層間通過金屬化過孔連接，形成連續(xù)的螺旋式印制線。
[0022]進一步的，在同一塊印制板上集成多個所述印制板電感器組成印制板電感器組。
[0023]進一步的，所述印制板電感器組每兩個相鄰的電感器印制線反向繞制，且間隔一定距離，再通過所述電感器印制線和印制線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。
[0024]優(yōu)點和積極效果:本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、不受外界環(huán)境影響、易實現(xiàn)的優(yōu)點，且節(jié)約成本。可廣泛用于無線電通信設(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)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[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)計流程圖。
[0029]圖中，1 印制板；2 —印制板覆層印制線；3-過孔；4 —電感器引腳、5 —印制板覆層、d-印制線厚度、D-電感器高度、H—印制板覆層箔厚度、1-電感器線圈長度、J電感之間間距、W-印制線寬度、X-單個電感器長度、Y-印制線間距。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖，進一步說明印制板電感器設(shè)計方法:
[0031]本實施例是以單個印制板電感器的設(shè)計為單元組成的串聯(lián)級聯(lián)印制板電感器設(shè)計，更能說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，通過設(shè)計一個IlOMHz的LC低通濾波器的串聯(lián)電感器組為例，來闡述印制板電感器組設(shè)計步驟。
[0033]電感器組技術(shù)指標:
[0034]1、電感量 L: 2 個 69nH± 2nH ; 2 個 90nH土 2nH ；
[0035]2、高度 D:10mm±0.3mm ;
[0036]3、長度 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)計步驟:
[0040]為滿足串聯(lián)電感器組的技術(shù)指標要求。選用印制板電感器組的設(shè)計方法進行:
[0041]步驟一:根據(jù)所要設(shè)計的電感器的參數(shù)要求，確定印制板相關(guān)參數(shù)。
[0042]1、選擇印制板材料；當所要求設(shè)計電感器要求工作頻率低、承載功率不大、Q值不高時，印制板材料可選用耐燃材料等級FR4的印制板材料；當所要求設(shè)計電感器要求工作頻率較高、承載功率大、Q值高的電感器時，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，取決電感器的機械強度，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為FR4材料即可滿足設(shè)計要求。
[0047]承受電流為1.2A、屬承受中等功率、板厚d可選擇2mm以上，本實施例選用2.5mm可滿足設(shè)計要求。
[0048]根據(jù)頻率、承受中等功率及Q值參數(shù)要求,本實施例選用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與線圈長度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取決于線圈(2*(φ*(1)/π)1/2)與長度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，當要設(shè)計的印制板電感器工作頻率低、承載功率低和Q值較低時，選用耐燃印制板材料；當要設(shè)計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，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、線圈長度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取決于線圈(2*(Φ*(1)/π)1/2)與長度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圈的直徑，用D表示；*為乘號； 3)電感器的印制板布局； 在頻率較低 時，印制線寬度較寬時，Q值高，印制線寬度盡量布寬；在頻率高時，印制線寬度盡量布窄；印制線之間的間距盡可能?。? 4)電感器印制線承載電流設(shè)計； 印制線承載電流的設(shè)計范圍等于印制線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為印制線寬度； 5)Q值驗證； 根據(jù)確定的印制板線圈長度1、高度D、印制線寬度W參數(shù)，通過輔助軟件COILCALC.EXE進行Q值的驗證，如滿足要求，可進行下一步驟設(shè)計；若不滿足要求，則可進行印制線寬度W的調(diào)整，重新返回步驟4)，進行承受電流的設(shè)計，可反復(fù)進行直到滿足Q值要求為止； 6)印制線電感器的印制板布線； 根據(jù)上述確定的印制板厚、印制線寬度和電感器長度，利用PCB布板軟件進行雙面印制板繞制式走線，兩層間通過金屬化過孔連接，形成連續(xù)的螺旋式印制線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用印制板設(shè)計電感器的方法，其特征在于，在同一塊印制板上集成多個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)計電感器的方法，其特征在于，所述印制板電感器組每兩個相鄰的電感器印制線反向繞制，且間隔一定距離，再通過所述印制板電感器印制線和印制線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。
【文檔編號】H01F41/00GK103714963SQ201310731542
【公開日】2014年4月9日 申請日期: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 申請人:陜西烽火電子股份有限公司