《電子技術應用》
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NI-LabVIEW 2025
新高Q積層電感保持高頻電路不受干擾
摘要: 手機設計得越來越小,然而功能也日益復雜,從而對所有元件的微型化和性能要求更高,當然也包括電感的性能要求。尤其對積層電感,不僅要求尺寸更小,還應達到高Q等級。TDK-EPC通過進一步提高低溫共燒陶瓷(LTCC)多層基材的工藝技術已達到該要求。
Abstract:
Key words :

 手機設計得越來越小,然而功能也日益復雜,從而對所有元件的微型化和性能要求更高,當然也包括電感的性能要求。尤其對積層電感" title="積層電感">積層電感,不僅要求尺寸更小,還應達到高Q" title="高Q">高Q等級。TDK-EPC通過進一步提高低溫共燒陶瓷(LTCC" title="LTCC">LTCC)多層基材的工藝技術已達到該要求。

  現在,新設計的芯片內部電極的制造工藝對位置控制更為精確,進而生產出高Q值的0402和0603系列中的積層電感MLG0402Q和MLG0603P系列。積層電感采用鐵氧體或其它材料制成的薄片,并在薄片上用金屬漆(一般為銀)印制出繞線圖案而制成。將這些薄片排列成多層并創造出螺旋式內部電極結構。TDK開發的積層技術制成的線圈已無需再將電線繞在一個核心上,從而促進了產品的微型化和批量生產。

  低損耗和高Q值是高頻應用必不可少的條件

  高頻電路" title="高頻電路">高頻電路應用的積層電感采用的是介電陶瓷做成的薄片,而非鐵氧體制成的薄片。原因是在幾百MHz以上的頻率范圍內,鐵氧體損耗率更大,難以達到高Q值(參見圖表一)。線圈易通直流電,但對交流電的作用類似于電阻,被稱之為感抗。交流電頻率越高,感抗就越高。雖然線圈是導體,但是電線纏繞仍具有一定直流電阻(R)。直流電阻和頻變電感(R/2ttfL)間的比率稱為損耗系數,其倒數為Q值。“f”指通過線圈流動的電流的頻率,所以Q值會根據頻率不同而變化。簡而言之,高Q值指高頻電感使用時的低損耗和高適應性。由于手機的功能越來越多,這些功能的耗電也越來越高,因此,高頻電路系統內的積層貼片電感必須達到低損耗和高Q值。

圖表一:各種基材電感的Q值和頻率響應

  Q值因頻率和基材不同而變化。鐵氧體基材不可用于幾百MHz以上的頻率范圍,應采用陶瓷介質。

  克服分布電容的影響

  手機高頻電路系統的電感應具有高Q值和小尺寸。然而遺憾的是,如果將線圈變小達到更微小體積,則造成直流電阻的增加,導致低Q值。另外,更高的頻率范圍的內部電極和其它零件的分布寄生電容(未出現在電路圖中的電容)對Q值的影響很大。線圈感抗(X)與線圈電感和頻率成正比,采用方程式X=2πfL來定義。理想的電感是指電感值為常數時,感抗和頻率成正比。因此,頻率和電抗對比的繪制圖應成一條直線,然而在實際中,更高頻率位置電抗下降,而線圈的分布電容正是造成這一現象的原因。在積層電感中,繞線圖案的作用類似電容電極,會產生分布電容(圖表二)。同樣,分布電容也存在于端子電極和繞線圖氨之間。

圖表二:TDK積層電感的電極間分布電容

  事實上積層電感有分布電容,意味著在高頻段形成相當一個LC并聯電路。電容與電感不同,它阻止直流電,當頻率越高時,電容作用則類似于交流電導體。類似于用于諧振電路的LC并聯元件,具有分布電容的積層電感具有諧振頻率,即自諧頻率(SRF)。當頻率超過自諧頻率時,貼片電感的作用不再是電感, Q值也迅速下降至零。因此,選擇積層電感用于高頻電路和高頻模塊時,單單考慮所需的電感是不夠的。自諧頻率也必須比使用頻率高出許多。另外,高頻適用電感也必須考慮所謂的趨膚效應。它會顯著增加電阻,導致電感下降。

  新型MLG系列:突破性的內部電極設計

  積層電感為用量相當大的電子元器件,必須密集排布在電路板上,因此需要變得更小,高度更低。薄膜工藝技術的線圈形成的薄膜貼片電感不僅十分小,也很薄,還可以維持高準確率,但是仍難以實現高Q值。

  為了克服這種設計難題,關鍵就是需要采用高精密的制造技術來最小化分布電容和趨膚效應,同時又使內部電極達到優化設計,以實現微型尺寸。

  TDK-EPC先進的LTCC工藝技術制作穩定的積層電感和十分精密的內部螺旋導體,并形成規模化生產。通過對內部導體的形狀、層寬和布局的設計,不僅達到高Q值,還可不用擔心分布電容的影響。

  全部重新設計MLG0402G和MLG0603P系列的繞線圖案和布局,才達到了此要求。TDK工程師成功地減小了端子電極間的分布電容,但是又保留了線圈表面面積,并且獲得了優秀的Q值特征(圖表三)。

圖表三:TDK MLG0402Q和MLG0603P系列的Q值和頻率特征對比圖

  繞線圖案微小的偏移都會導致Q值下降。因此,為了防止此類現象,在開發MLG0402Q系列時,采用了高精度定位控制技術和其它先進的措施。通過進一步改進和完善技術,具有新設計的內部電極的MLG0603P系列已加入到TDK-EPC產品系列中。新系列產品具有高得多的Q值,尤其適用于800MHz或更高頻率的設計中。新的MLG0402Q和MLG0603P系列設計用于手機高頻電路系統,例如,表面聲波(SAW)濾波器和壓控振蕩器(VCO)電路內的阻抗匹配及扼流圈。同時,積層電感可進一步應用于藍牙、WLAN、UWB、數字電視調節器和其它高頻電路和模塊,并且提供優異性能。

TDK的MLG0402Q和MLG0603P系列積層電感主要技術參數

 

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