СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ ПЛОСКОЙ СПИРАЛЬНОЙ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Заявляемое изобретение относится к области электротехники, а более конкретно - к способам более эффективного проектирования и изготовления высокодобротной планарной спиральной катушки индуктивности с преобладающими омическими потерями.

Плоские катушки индуктивности широко применяются для решения различных прикладных задач, например для передачи энергии без проводов [1] или для создания высокочастотных интегральных микросхем [2]. При решении таких задач катушка индуктивности часто является частью резонансного LC-контура, в котором один или несколько конденсаторов соединяются с рассматриваемой катушкой индуктивности. Большинство практических задач для своего успешного решения требуют резонансного контура с наибольшей возможной добротностью [1-5, 7-9]. Геометрические размеры катушки индуктивности и рабочая частота обычно определяются конкретным практическим применением. Одна из актуальных практических проблем заключается в увеличении добротности колебательного контура, в состав которого входит катушка индуктивности с заданными геометрическими размерами (внутренний и внешний радиусы) и резонансная частота которого также фиксирована. Поскольку добротность колебательного контура не может превышать постоянную катушки (отношение реактивного и активного сопротивлений катушки индуктивности), то для создания высокодобротного контура необходимо спроектировать катушку индуктивности с высокой постоянной.

Наиболее простая катушка индуктивности с высокой постоянной катушки представляет собой один широкий виток из металла (Фиг.1). Такая катушка индуктивности обладает очень низким омическим сопротивлением, что и приводит к высокому значению постоянной. Однако индуктивность такой катушки также оказывается малой. В большинстве приложений это приводит к тому обстоятельству, что действительная часть импеданса соответствующего конденсатора, необходимого для настройки рассматриваемого колебательного контура на резонансную частоту, намного превосходит активное сопротивление индуктора. В итоге это приводит к значительному уменьшению добротности контура. Таким образом, для успешного решения практических задач необходимо спроектировать катушку индуктивности с высокой постоянной катушки и в то же время с достаточно высоким активным сопротивлением, предназначенным для уменьшения влияния конденсатора на добротность LC-контура.

Одно из возможных решений вышеупомянутой проблемы заключается в использовании спиральной катушки индуктивности с одинаковой шириной витков и одинаковым расстоянием между витками. Использование такой катушки приводит к одновременному увеличению ее сопротивления R и индуктивности L катушки. Таким образом, можно добиться значительного превышения сопротивления многовитковой катушки индуктивности над действительной частью импеданса соответствующего конденсатора, и рассматриваемый конденсатор не будет оказывать значительного влияния на добротность колебательного контура.

Описанная спиральная геометрия катушки индуктивности может быть усовершенствована с целью получения более высокой постоянной катушки. Один из способов усовершенствования заключается в изменении ширины витков и расстояний между ними (изменении этих параметров при переходе от витка к витку). Данный подход описан в работах [2], [4] и [5].

В работе [4] не объясняется, каким образом можно выбрать оптимальную ширину витков и расстояние между ними. Таким образом, он не содержит в себе практической инструкции по созданию оптимальной катушки индуктивности, и итоговая добротность колебательного контура оказывается случайной в зависимости от выбранных ширин витков и межвитковых расстояний.

Работы [2, 5], лишены вышеупомянутого недостатка. Ширина витков и межвитковые расстояния выбираются таким образом, чтобы их значения образовывали арифметическую и/или геометрическую прогрессию. Эти методы достаточно хорошо проявили себя на практике, например метод из работы [2] привел к увеличению добротности на 67%. Однако вычисление оптимальных значений для ширин витков и межвитковых расстояний представляет собой весьма трудоемкую операцию и требует значительных усилий. Вычисление ожидаемой добротности также представляет собой непростую задачу.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать более эффективный процесс проектирования неоднородной спиральной катушки индуктивности с высоким значением постоянной катушки.

Технический результат достигается за счет увеличения добротности спиральной катушки индуктивности, в основном путем оптимизации соотношения размеров ее компонентов. При этом заявляется способ увеличения добротности (Q) плоской спиральной катушки индуктивности с произвольным заданным количеством витков (N), заключающийся в том, что ширину каждого витка и ширину межвитковых расстояний в указанной плоской спиральной катушке индуктивности выбирают таким образом, что распределение тока повторяет распределение тока в одном витке, имеющем те же геометрические размеры, что и указанная плоская спиральная катушка индуктивности.

Иными словами, предлагается способ выбора межвитковых расстояний и ширин витков, который приводит к результатам, сравнимым с лучшими образцами, известными из уровня техники, но является значительно более простым в реализации. Итоговая добротность колебательного контура в заявляемом способе близка по своему значению к постоянной катушки индуктивности, представляющей из себя простой виток из металла с такой же геометрией, как и у проектируемой катушки (Фиг.1).

Заявляемый способ основан на определении оптимальной ширины витков однородной спиральной катушки. Ключевая идея состоит в том, чтобы добиться высокого значения постоянной катушки для описанного индуктора. Спиральная геометрия позволяет увеличить индуктивность L и активное сопротивление R одновременно, не приводя к значительному уменьшению постоянной катушки.

В сравнении со спиральной катушкой с неизменной шириной витков и неизменным межвитковым расстоянием заявляемый способ приводит к значительно более низким значениям сопротивления R, в то время как индуктивность L практически не изменяется. В итоге это приводит к увеличению постоянной катушки и к увеличению добротности колебательного контура.

На Фиг.1 представлена катушка индуктивности, выполненная в форме широкого витка из металла, где:

I - металлический виток с внутренним радиусом а и шириной w.

На Фиг.2 показано разбиение витка на пять областей, где:

II - области, по которым протекают равные токи.

На Фиг.3 показан график зависимости полного тока, протекающего через область в виде тора с прямоугольным поперечным сечением с внутренним радиусом а и произвольной шириной х≤w от ширины тора х.

На Фиг.4 приведен пример спиральной катушки индуктивности с геометрией, выполненной в соответствии с данным изобретением.

Для того чтобы спроектировать катушку индуктивности с высокой постоянной катушки и в то же время с достаточно высоким активным сопротивлением, сначала необходимо рассмотреть простой широкий металлический виток с внутренним радиусом а и внешним a+w (см. Фиг.1). Суммарный ток, протекающий через такой виток, обозначен как I₀ (в примере на иллюстрациях I₀=1А). Предположим, что необходимо разбить его на N-витков (N будет определено ниже). Тогда следует разбить исходный виток на N областей, с суммарным током, протекающим через каждую их них, равным I₀/N (см. Фиг.2). В примерах, приведенных на иллюстрациях, N=5. Для вычисления ширины соответствующих областей d₁, d₂…d_N, можно, например, воспользоваться подходящим программным обеспечением, таким как COMSOL Multiphysics [6], ANSYS HFSS и т.п. Для этого необходимо выполнить следующие операции:

- Установить зависимость суммарного тока, протекающего через область в форме тора с прямоугольным поперечным сечением с внутренним радиусом а и произвольной шириной х≤w, от этой ширины х с помощью подходящего программного обеспечения;

- Построить график вышеупомянутой зависимости (см. Фиг.3). По оси Y должен быть отложен суммарный ток, а по оси Х - ширина области х;

- Разбить область значений на оси Y на N равных частей. Такое деление соответствует выбору областей, по которым текут одинаковые токи;

- Нанести линии, параллельные оси X, из точек разбиения оси Y (см. предыдущий шаг). Эти линии пересекут график изображенной зависимости в некоторых точках;

- Построить перпендикуляры из этих точек на ось X. Получившиеся сегменты определяют искомые ширины d₁, d₂…d_N (см. Фиг.3);

Последним шагом является проектирование спиральной линии с витками, ширины которых равны соответственно d₁, d₂…d_N (см. Фиг.4). Эта спиральная линия и есть проектируемая катушка индуктивности, обеспечивающая высокую добротность соответствующего колебательного контура.

Число витков N определяется двумя факторами. Один из них - это технология изготовления спиральной катушки. При большом числе витков ширина внутреннего витка будет наименьшей, поскольку в одновитковой катушке плотность тока достигает своего максимума вблизи внутреннего периметра. Таким образом, технология изготовления катушки индуктивности должна позволять сделать такой тонкий виток. Другой фактор определяет наименьшее число витков. Для спирального индуктора с малым числом витков активное сопротивление R будет сравнимо с эквивалентным сопротивлением соответствующего конденсатора и/или сопротивлением пайки, что приведет к значительному уменьшению добротности рассматриваемого колебательного контура. В принципе, катушка индуктивности сохраняет работоспособность при наличии от 1 до 20 витков, однако в конкретных примерах реализации изобретения рекомендуется экспериментально подбирать оптимальное число витков, обеспечивающее желаемую добротность. Например, для катушки индуктивности с внешним радиусом 70 мм и внутренним радиусом 20 мм, предназначенной для работы на резонансной частоте 6.78 МГц, оптимальное число витков находится в пределах 8-11.

Заявляемый способ позволяет увеличить постоянную катушки индуктивности до 100%, в сравнении с постоянной для спиральной катушки с одинаковой шириной витков и одинаковым межвитковым расстоянием. Этот результат сопоставим с результатами, описанными в работах [2, 5], где используются другие способы увеличения постоянной катушки. Однако заявляемый способ является значительно более простым в реализации.

Заявляемый способ может найти практическое применение при разработке высокодобротных плоских катушек индуктивности, которые широко используются для решения различных практических задач.

Источники информации

1. Andre Kurs et al. "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science 317, 83 (2007).

2. Shen Pei et al. "Improving the quality factor of an RF spiral inductor with non-uniform metal width and non-uniform coil spacing", J. Semicond. 32(6), 2011.

3. Eberhard Waffenschmidt and Toine Staring “Limitation of inductive power transfer for consumer applications", Power, 2009;

4. Hsu et al. “Planar spiral inductor structure having enhanced Q value", US Pat. App. 2008/0174398.

5. Shoumian Chen et al. "Plane spiral inductor". Patent CN101719415.

6. COMSOL Multiphysics,

http://wwAv.comsol.com/products/multiphysics/.

7. Патент США 8294546.

8. Патент США 8304935.

9. Патент США 8294546.