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1. CN104078196 - INDUCTOR WITH THERMALLY STABLE RESISTANCE

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

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具有热稳定电阻的电感器


本申请是申请日为2006年09月28日、申请号为200680055949.5、发明名称为“具有热稳定电阻的电感器”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
电感器长期以来已被用作非隔离的DC/DC转换器中的储能器件。高电流、热稳定的电阻器也被同时地用于电流检测,但是有相关的电压降和功率损耗,降低了DC/DC转换器的总效率。由于更小、更快和更复杂的系统的推动,越来越多的DC/DC转换器制造商被挤出了PC板的领域。通过缩小可用空间来达到减少部件的数量的需要,但是会增加功率要求和更高的电流,使工作温度被提升了。因此,在电感器的设计方面出现了竞争需要。
将电感器与电流检测电阻器结合到单个单元内会减小部件数量和减小与电感器的DCR相关的功率损耗,只留下与电阻元件相关的功率损耗。虽然电感器可以被设计成具有±15%或者更好的DCR容许偏差,但由于电感器线圈中的铜的3900ppm/℃的电阻热系数(TCR),其电阻的电流检测能力依然会显著变化。如果电感器的DCR是用于电流检测功能,这通常需要一些形式的补偿电路来保持稳定的电流检测点以达到减小部件的目标。此外,虽然该补偿电路可以非常接近电感器,但是其仍然在电感器的外部,并且当通过该电感器的电流负荷变化时,不能快速地响应导体加热中的变化。因此,补偿电路准确追踪跨过电感器的线圈的压降的能力存在滞后,这将误差引入电流检测性能中。为了解决上述问题,需要具有提高了温度稳定性的线圈电阻的电感器。
发明内容
因此,本发明的主要目标、特征或优点是对现有技术的改进。
本发明进一步的目标、特征或优点是提供有线圈电阻的电感器,其具有提高的热稳定性。
本发明另一个目标、特征或优点是将有电流检测电阻器的电感器结合到单个单元内,由此减少部件数量和减少与电感器的DCR相关的功率损耗。
本发明的一个或多个这些和/或其它的目标、特征或优点将从下面的说明书和权利要求书中显现。
根据本发明的一个方面,提供了电感器。该电感器包括电感器本体,该电感器本体具有顶面以及第一和第二相反端面。该电感器包括在第一和第二相反端面之间通过电感器本体的空穴。热稳定电阻元件被通过空穴定位并且被朝着顶面转向(turned),以形成相对的表面安装终端。该表面安装终端可以是用于开尔文式测量的开尔文终端。因此,例如,该相对的表面安装终端被分开,以使该终端的一部分被用于承载电流,而另一部分用于检测电压降。
根据本发明的另一个方面,电感器包括电感器本体,该电感器本体具有顶面以及第一和第二相反端面,该电感器本体形成铁氧体磁芯。在第一和第二相反端面之间有通过电感器本体的空穴。在电感器本体的顶面中有槽。热稳定电阻元件被通过空穴定位并且被朝着槽转向,以形成相对的表面安装终端。
根据本发明的另一个方面,提供了电感器,该电感器包括电感器本体,该电感器本体具有顶面以及第一和第二相反端面。该电感器本体由具有分布气隙(distributed gap)的磁性材料形成,该具有分布气隙的磁性材料例如是但不局限于MPP、HI FLUX、SENDUST或铁粉。在第一和第二相反端面之间有通过电感器本体的空穴。热稳定电阻元件被通过空穴定位并且被朝着顶面转向,以形成相对的表面安装终端。
根据本发明的再另一个方面,提供了电感器,该电感器包括热稳定电阻元件和具有顶面以及第一和第二相反端面的电感器本体,该电感器本体包括压制在热稳定电阻元件上的具有分布气隙的磁性材料。
根据本发明的另一个方面,提供了电感器,该电感器包括热稳定的绕线电阻元件和电感器本体,该电感器本体是围绕热稳定绕线电阻元件压制的具有分布气隙的磁性材料的。
根据本发明的再另一个方面,提供了方法,该方法包括提供具有顶面以及第一和第二相反端面的电感器本体,在第一和第二相反端面之间有通过电感器本体的空穴,并提供了热稳定电阻元件,该方法进一步包括将通过空穴的热稳定电阻元件定位并且朝着顶面将热稳定电阻元件的端部转向,以形成相对的表面安装终端。
根据本发明的再另一个方面,提供了形成电感器的方法,该方法包括提供电感器本体材料;提供热稳定电阻元件,并围绕着热稳定电阻元件定位电感器本体,从而热稳定电阻元件的终端从电感器本体材料延伸。
附图说明
图1是示出电感器的一个实施例的透视图,该电感器具有通过开槽的磁芯的部分匝;
图2是单槽铁氧体磁芯的横剖视图;
图3是单槽铁氧体磁芯的俯视图;
图4是具有四个表面安装终端的条的俯视图;
图5是示出无槽的电感器的一个实施例的透视图;
图6是有多匝的电阻元件的一个实施例的视图;
图7是使用绕线电阻元件时的本发明的一个实施例的视图。
具体实施方式
本发明的一个方面是提供了低轮廓(low profile)、高电流的具有热稳定电阻的电感器。该电感器使用了固体镍-铬或锰-铜金属合金或其它合适的合金作为具有低TCR的电阻元件,该电阻元件插到开槽的铁氧体磁芯内。
图1图示了本发明的一个这样的实施例的透视图。器件10包括电感器本体12,该电感器本体12具有顶侧面14、底侧面16、第一端面18、相反的第二端面20以及第一和第二相反侧面22、24。应理解,术语“顶”和“底”都仅是用于关于图的定位的目的,并且这样的术语可以是相反的。用作表面安装器件的器件10将被安装在槽侧面或者顶侧面14上。该电感器本体12可以是单个部件磁芯,例如可由压制的磁性粉末形成。例如,该电感器本体12可以是铁氧体磁芯。也可以使用除铁氧体之外的芯材料,例如铁粉或合金芯。所示的该电感器本体12具有单个槽26。空心部分28通过该电感器本体12。通过改变芯材料成分、渗透率或在铁氧体情况下的槽的宽度,可以获得不同的电感值。
示出了处于四个终端开尔文结构的电阻元件30。该电阻元件30是热稳定的,由开尔文终端结构中的热稳定的镍-铬或热稳定的锰-铜或其它热稳定的合金组成。如图所示,两个终端32、34在第一端面上,两个终端38、40在第二端面上。电阻元件30中的第一槽36分开了电阻元件30的第一端面上的终端32、34,电阻元件30中的第二槽42分开了电阻元件30的第二端面上的终端38,40。在一个实施例中,该电阻元件材料被连接到铜终端上,该铜终端被切凹口,以产生用于电阻元件30的四终端开尔文器件。较小的终端34、40或检测终端被用来检测横跨该元件的电压以得到电流检测,而其余较宽的终端32、38或电流终端被用于电路的主要电流承载部分。电阻元件30的端部被围绕电感器本体形成,以形成表面安装终端。
虽然图1示出了通过开槽的多边形铁氧体磁芯的局部的或部分的匝,但是许多的变形都在本发明的范围之内。例如,可以应用多匝以提供更大的电感值和更高的电阻值。而现有技术已经利用了该类型的磁芯,该磁芯具有通过其的单个的两个终端导体,由于铜的高TCR,铜导体的电阻是热不稳定的并且随着自加热和环境温度的改变而变化。为了得到准确的电流检测,这些变化需要使用外部的、稳定的电流检测电阻器,增加了有相关的功率损耗的部件数量。优选地,使用热稳定的镍-铬或锰-铜电阻元件或其它的热稳定合金。用于热稳定电阻元件的其它材料的例子包括各种类型的合金,包括非铁金属合金。该电阻元件可以由铜镍合金形成,例如是但不限于CUPRON(科普隆铜镍合金)。该电阻元件可以由铁、铬、铝合金形成,例如可以是但不限于KANTHAL D(坎塔尔铁铬铝系高电阻合金)。该电阻元件优选地具有显著小于铜的温度系数,并且优选地在充分高的直流电阻(DCR)下具有≤100PPM/℃的电阻温度系数(TCR),以检测电流。此外,与典型的电感器±20%的电阻容许偏差相比,该元件通过对于本领域技术人员已知的一种或多种不同的方法被校准到±1%的电阻容许偏差。
因此,本发明的一个方面是提供成为一体的两个器件,即能量储存器件和校准到严格的容许偏差的非常稳定的电流检测电阻器。该器件的电阻器部分优选地具有以下的特性参数:低欧姆值(0.2mΩ到1Ω)、严格的容许偏差±1%、在-55到125℃下具有低的TCR≤100PPM/℃和低的热电动势(EMF)。该器件的电感为从25nH到10μH的范围。但优选在50nH到500nH的范围内且操作电流达到35A。
图2是单槽铁氧体磁芯的横截图。如图2所示,该单槽铁氧体磁芯用作电感器本体12。示出了电感器本体12的顶侧面14和底侧面16以及第一端面18和与其相反的第二端面20。该单槽铁氧体磁芯具有高度62。该电感器本体12的第一顶部分78通过槽60与第二顶部分80分开。该电感器本体12的第一顶部分78和第二顶部分80在顶侧面14和空心部分或空穴28之间都具有高度64。该电感器本体12的底部分在空心部分或空穴28和底侧面16之间具有高度70。第一端部分76和第二端部分82从它们各自的端面到空心部分或空穴28具有厚度68。该空心部分或空穴28具有高度66。该槽26具有宽度60。图2的实施例包括用于电感器本体12的多边形铁氧体磁芯,该电感器本体12在一个侧面上具有槽60和通过中心的空心部分或空穴28。部分匝的电阻元件30被插到该空心部分28中以用作导体。改变槽60的宽度可以确定该部分的电感。其它的磁性材料和磁芯结构例如铁粉、磁性合金或其它的磁性材料也可被用于各种的磁芯结构中。然而,例如铁粉的具有分布气隙的磁性材料,将消除对磁芯中槽的需要。如果使用铁氧体材料,则该铁氧体材料优选地满足以下的最低规格:
1.在20℃时在12.5Oe下测量,B sat >4800G
2.在100℃时在12.5Oe下测量,B sat 最小值=4100G
3.居里温度T C >260℃
4.初始磁导率:1000-2000
为槽侧面的顶侧面14将是器件10的安装表面,器件10被表面安装在该处。电阻元件30的端部将围绕本体12弯曲以形成表面安装终端。
根据本发明的一个方面,热稳定电阻元件被用作它的导体。该元件可以由镍-铬或锰-铜条通过冲压、蚀刻或者其它的机加工技术来构造。如果使用这样的条,该条被形成为具有四个表面安装终端(参见例如图4)。虽然其可以只有两个终端。该两个或四个终端条被校准到±1%的电阻容许偏差。该镍-铬、锰-铜或其它低TCR合金元件允许≤100ppm/℃的温度系数。为了降低安装的电阻容许偏差变化在引线电阻、铜终端的TCR和焊接电阻中的影响,可以使用除两个终端之外的四个终端结构。为了电流检测的目的,两个较小的终端被典型地用于检测横跨该电阻元件的电压;而较大的终端典型地承载待检测的电路电流。
根据本发明的另一个方面,通过将热稳定电阻元件插入通过电感器本体12的空心部分而构造器件10。该电阻器元件终端围绕电感器本体被弯曲至顶侧面或槽侧面以形成表面安装终端。通过电感器的电流于是可以以与DC/DC转换器相关的典型方式被应用于较大的终端。通过将来自较小的检测终端的两个印刷电路板(PCB)印制线(traces)增加至控制IC电流检测电路,以测量跨过电感器的电阻的电压降,可以完成电流检测。
图3是单槽铁氧体磁芯的俯视图,示出了电感器本体12的宽度74和长度72。
图4是可被用作电阻元件的条84的俯视图。该条84包括四个表面安装终端。该条84在终端部分之间具有电阻性部分86。形成这样的条在本领域是公知的,并且可由美国专利号5,287,083中所述的方式来形成,在此以引用的方式加入其全文。因此,这里的终端32、34、38、40可由铜或其它的导体形成,而电阻部分86由不同的材料形成。
图5是图示了没有槽的电感器的一个实施例的透视图。图5的器件100类似于图1的器件10,除了电感器本体12由具有分布气隙的材料形成,该具有分布气隙的材料例如(但不局限于)是磁性粉末。在该实施例中,注意由于对电感器本体12的材料的选择而不需要槽。其它的磁性材料或磁芯结构,例如铁粉、磁性合金或其它的磁性材料可被用于各种磁芯结构。然而,使用例如铁粉的具有分布气隙的磁性材料会消除对磁芯中的槽的需要。具有分布气隙的磁性材料的其它例子包括(但不局限于)MPP、HI FLUX和SENDUST。
图6是在端部90之间具有多匝94的电阻元件98的一个实施例的视图。本发明考虑到,被使用的电阻元件可以包括多匝,以提供更大的电感值和更高的电阻。使用多匝这样做在本领域是公知的,包括但不局限于美国专利号6,946,944中所描述的方式,在此以引用的方式加入其全文。
图7是另一个实施例的视图。在图7中,所示的电感器120包括围绕绝缘体缠绕的绕线元件122,该绕线元件由热稳定电阻材料形成。具有分布气隙的磁性材料124例如通过压制、模制、铸造或其它的方式被围绕着绕线元件122定位。该绕线元件122具有终端126和128。
在不同的实施例中使用的电阻元件可由各种类型的合金形成,包括非铁金属合金。该电阻元件可由铜镍合金形成,例如是但不局限于CUPRON。该电阻元件可由铁、铬、铝合金形成,例如是但不局限于KANTHAL D。该电阻元件可以通过许多工艺来形成,包括化学或机械、蚀刻或机加工或其它的方式。
因此,很显然本发明提供了改进的电感器及其制造方法。本发明考虑到使用的材料类型、应用的制造技术中的许多变化以及其他变化,它们都在本发明的精神和范围内。