平面螺旋微电感设计与仿真验证方法

       伴随着信息技术、新能源技术等的快速发展，作为三大无源器件之一的电感得到了越来越广泛的应用。电感有着信号处理、稳定电压以及作为抗干扰器件等功能，在智能设备以及新能源汽车等领域应用广泛。目前电感正逐渐从三维绕线，向二维平面；从分立器件向集成器件；工作频率从低频向高频发展，呈现出片式化、集成化、高频化的发展趋势。

   日本TDK公司官网对于电感的介绍
 

   平面电感的三维结构示意图
 

       平面电感的结构主要包括金属线圈、氧化层及衬底，对于平面电感来说，金属导线的几何结构决定了电感的电感量、工作频率、品质因数以及自谐振频率等参数和特性。因此，对于电感的设计来说，主要是设计其几何结构。平面电感线圈的几何参数主要有：（1）电感金属线圈的内径din或金属线圈外径dout；(2)电感的金属导线宽度w；(3)电感金属导线之间的间距s；(4)电感金属导线的厚度t；（5）电感线圈的匝数n。

   平面电感的等效电路模型
 

      通过电感线圈的几何参数和材料的电磁参数可以计算出等效电路模型中各部分的值，从而计算出电感量L和品质因数Q。但是在应用等效电路模型时需要注意频率，因为电路模型的成立是建立在平面电感可以被看做一个集总参数模型的情况下。

   平面电感的设计流程
 

（一）  以匝数n、内径din(或者外径dout)和金属导线宽w为设计参数，并设置循环，设定计算的初始值，建立关于电感值的函数Ls(w,n,di)。

（二）  将计算出的电感值Ls(w,n,di)与设计目标值Ls进行比较，如果其差的绝对值小于某一个设定的阈值，则将此时的设计参数(n,w,di)与电感值Ls(w,n,di)进行存储并计算出在此几何参数下的Q值。

（三）  当设计参数的循环结束时，对某一特定几何参数下所得到的所有Q值进行比较，选取Q值最大的，并输出其参数。

（四）  汇总所有符合条件的结果，进行图像绘制，并根据要求选取设计参数。

以下图参数为例对电感进行设计，利用Matlab编程实现上述流程

结果为：

提取部分结果：

可以看出，不同的几何参数都可以达到设计指标。以金属导线为4匝，线宽为17微米，内径为264微米的参数进行建模验证，选用的软件为HFSS。（设计的版图形状为正方形）

电感量结果：

品质因数结果：

Matlab设计结果与HFSS建模仿真结果对比：

可以看出，Matlab设计结果较为准确，利用本文的程序进行设计可以快速得到给定设计指标下平面电感的几何参数。

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删