LTCC內(nèi)埋電感設(shè)計(jì)

1、LTCC埋置電感設(shè)計(jì)原理與方法一、LTCC埋置電感的性能指標(biāo)表征電感性能的指標(biāo)主要有三個(gè)：品質(zhì)因數(shù)(Q值)、有效電感量(Leff)、自諧振頻率(SRF)。Q值主要是表征電感的儲能和耗能情況。常用的Q值定義有三種，一是從相對帶寬來定義Q值，二是從阻抗來定義，三是從相位來定義。在設(shè)計(jì)LTCC埋置電感主要是從阻抗來定義，Q值可由單端口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的虛部與實(shí)部之比得到。電感的Q值跟電感的長度、匝數(shù)、形狀、寄生電容、金屬厚度和導(dǎo)電率、基板的介電常數(shù)和導(dǎo)電率等有直接關(guān)系。有效電感量(Leff)是從電感的輸入端口看進(jìn)去總的電感量，可由輸入阻抗的虛部與角頻率之比得到。自諧振頻率(SRF)是由于寄生參量導(dǎo)致電感

2、的輸入阻抗從感性變化到容性的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)。它決定電感的可用頻率范圍。自諧振頻率受到電感每匝之間的分布寄生電容耦合和電感與接地面之間的寄生電容影響。電感每匝之間的分布寄生電容耦合主要是跟每匝之間的距離和基板的介電常數(shù)有關(guān)。電感與接地面之間形成的寄生電容主要與電感的導(dǎo)體線寬、匝數(shù)和基板的介電常數(shù)有關(guān)。二、LTCC電感等效電路模型無論是采用全波電磁仿真軟件還是通過測試得到LTCC埋置電感的散射參量（S參量）都需要建立等效電路模型來判別LTCC埋置電感的性能好壞。并且方便用于電路設(shè)計(jì)。一般LTCC埋置電感的等效電路模型都是采用集中參數(shù)RLC網(wǎng)絡(luò)來等效，其中R主要是表示電感的損耗，L主要是表示電感中磁場的

3、變化，C主要是表示電感中電場的變化。常見的LTCC埋置電感等效電路模型有兩類：模型和T模型。其中模型又分為單模型和雙模型。單模型沒有完全考慮到電路中的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)(proximityeffect)。趨膚深度與工作頻率的平方根成反比。隨著工作頻率的升高AC電流集中分布在導(dǎo)體表面很薄的一層中。除了趨膚效應(yīng)影響電流分布外，鄰近導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場會進(jìn)一步影響電流的分布，使金屬導(dǎo)線邊緣產(chǎn)生更高的電流密度，這就是所謂鄰近效應(yīng)(proximityeffect)。在螺旋電感的設(shè)計(jì)中鄰近效應(yīng)使電感的電阻升高、Q值降低，其影響比趨膚效應(yīng)所產(chǎn)生的影響還要大。單模型只能應(yīng)用在低于自諧振頻率的頻率范圍。但很多實(shí)際的應(yīng)

4、用中需要每個(gè)元件的寬帶特性，從而要求元件的模型覆蓋所需的諧波頻率范圍。雙模型是在單模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的一種模型，這種模型可以應(yīng)用到第一自諧振頻率以上，具有較寬的帶寬。T模型除常見的T模型外，還有一種以傳輸線理論為基礎(chǔ)從傳輸線的導(dǎo)納矩陣推導(dǎo)出的改進(jìn)型T模型。該種改進(jìn)型T模型的適用帶寬更寬，模型中的元件值可以從實(shí)測的S參數(shù)中直接提取。三、LTCC埋置電感設(shè)計(jì)流程針對不同用途的LTCC埋置電感，在設(shè)計(jì)過程中的側(cè)重點(diǎn)不同，其設(shè)計(jì)方法有很多種。本文設(shè)計(jì)LTCC埋置電感的基本思路如下：首先，根據(jù)所需電感的有效電感量、品質(zhì)因數(shù)、自諧振頻率和電感所占面積要求等指標(biāo)來確定LTCC埋置電感類型。例如:有效電感量

5、比較小的可以選擇單層平面式電感，對自諧振頻率要求比較高的電感可以選擇多層螺旋式電感等。再在三維電磁仿真軟件中建立電感仿真模型，提取電感三維模型的S參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和所選電感類型確定電感的等效電路。例如:如果只需要對電感的窄帶特性進(jìn)行研究可以選用簡單的單模型，可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間。如果需要對電感的寬帶特性進(jìn)行研究，則需要選取雙模型或者改進(jìn)型T模型。然后根據(jù)三維電磁仿真軟件中提取的S參數(shù)，在電路仿真軟件中對等效電路模型進(jìn)行擬圖4-4LTCC埋置電感設(shè)計(jì)流程圖合，得出等效電路中RLC參數(shù)。通過所得到的RLC的參數(shù)計(jì)算出所設(shè)計(jì)的LTCC埋置電感的Q值、Leff、SRF等值。最后跟設(shè)計(jì)目標(biāo)對比看是否滿足要

6、求，如果不滿足目標(biāo)要求就需要對三維電感模型進(jìn)行修正和調(diào)整，使其滿足設(shè)計(jì)要求。LTCC埋置電感設(shè)計(jì)流程圖如圖所示。四電感解析算法內(nèi)埋置電感感值大小的解析計(jì)算法是基于Greenhouse算法提出的，是將電感分成一系列相互連接的導(dǎo)線段，再分別計(jì)算每一段導(dǎo)線的自感及相互間的互感，最后將各部分求和得到電感線圈的總電感量，總電感量可以由（4-1）、（4-2）式表示，在式中當(dāng)i=j，Lij=Lii為第i段導(dǎo)線的自感；當(dāng)ij，Lij=Mij為第i、j段導(dǎo)線間的互感。其中，ia、ja分別為細(xì)導(dǎo)線段i與j的截面面積，iV、jV為其體積，0il、0jl分別為細(xì)導(dǎo)線段的單位軸向向量，ijr為兩個(gè)細(xì)導(dǎo)線段微元idv和j

7、dv之間的距離。矩形螺旋電感中長度為li單元的自感計(jì)算如式（2-3），式中w為金屬導(dǎo)線寬，t為金屬導(dǎo)線厚度。圖4-5中是長度分別為j和m的兩條平行導(dǎo)線，它們間的總互感為，二：LTCC電感的設(shè)計(jì)與分析電感模型參數(shù)提取螺旋電感的電長度較大，則單電感模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中寄生多種分布參數(shù)，其局限性變得更為明顯；而采用雙電感模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠更精確地提取螺旋電感各種參數(shù)，如圖4-7所示。則圖2-5所示的二端口網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣各參數(shù)如下：三：LTCC平面螺旋電感的設(shè)計(jì)與分析下圖4-13(a)是該電感的S11和S21曲線，4.13(b)是其的有效電感值，4.13(c)是其Q值。由S曲線可以看出，第一自諧振頻率出現(xiàn)在0.88GHz處，有效電感值和0.5mm線寬電感相差很小，而Q值最大也出現(xiàn)在0