CN118133626B - 一种基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法，属于磁性元器件仿真设计技术领域。包括：选择磁芯材料和电感器结构参数；进行CAD建模，得到电感器初始几何模型；将磁芯材料的复数磁导率和复介电常数随频率变化的曲线，作为磁芯材料输入属性；以并联接地型二端激励端口方式进行有限元仿真；对电感器初始几何模型进行仿真，得到电感器的高频等效电感和电阻；进行结构参数化，比较各结构参数下电感器的高频等效电感和电阻。本发明以磁芯材料的复数磁导率和复介电常数随频率变化的曲线作为磁芯材料输入属性，赋予磁芯材料频率相关的电磁属性，有效提高仿真的准确性；采用并联接地型二端激励端口方式，实现去嵌测试端口寄生效应，提升了仿真准确度。
Description
技术领域
本发明属于磁性元器件仿真设计技术领域，具体涉及一种基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法。
背景技术
电子设备的动力系统是由电池板(或风机)、充电控制器、蓄电池和开关电源共同组成，其核心关键部件则是应用于其中的开关电源模块，经过电能的变换，如AC-DC、DC-DC、DC-AC和AC-AC变换等，完成高频开关整流、直流功率变换、逆变、变频等功能。第三代半导体将开关电源的工作频率推进至MHz级，实现高频化的同时将电源体积减小30％。目前针对MHz级开关电源，其性能和效率主要取决于开关频率及其谐波下功率电感器的特性，需要电感器在高频下的阻抗特性精确确定电感的交流损耗以及效率。然而，对于电感器的大部分研究主要集中在静态直流下的性能，如直流电阻、饱和特性、温升特性等。当开关频率达到MHz级时，由于铜线的趋肤效应和邻近效应增强，同时磁芯的涡流损耗急剧增大，电感器的交流特性明显；此时整体呈现为集总参数元件模型。
提取的集总参数元件模型多应用于利用矢量网络分析仪对电感器进行二端口散射参数测试。此时将电感器视作DUT，二端口的连接方式、PCB衬底以及传输线与DUT一起等效为某种网络，此种网络端口的散射参数即视为电感器的散射参数。因此如何最大程度地降低除DUT外其他因素对散射参数的影响是电感器高频交流测试时重要的研究课题。此外，利用有限元仿真软件对电感器的高频交流特性进行仿真时也面临上述高频交流测试相同的问题。在进行仿真设计时，材料属性的设置是至关重要的，而现有的仿真技术在设置材料参数时并未考虑材料的电磁属性随频率的变化，在高频下严重影响仿真结果的正确性，使得仿真结果与真实结果存在较大的误差，无法利用高频有限元对电感器的高频阻抗进行仿真预测。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法，包括以下步骤：
步骤1、根据电感器设计目标选择磁芯材料和电感器结构参数，所述电感器结构参数包括绕线匝数、铜线窗口面积和磁芯尺寸；
步骤2、根据步骤1的电感器结构参数进行CAD建模，得到电感器初始几何模型；
步骤3、采用矢量网络分析仪对步骤1选择的磁芯材料进行测试，得到磁芯材料的复数磁导率以及复介电常数随频率变化的曲线，作为有限元仿真的磁芯材料输入属性；
步骤4、采用集总参数类型激励端口，通过将集总参数类型激励端口并联接地连接，以并联接地型二端激励端口的方式进行有限元仿真；
步骤5、对电感器初始几何模型进行仿真，得到电感器的高频等效电感和高频等效电阻；
步骤6、对电感器初始几何模型进行结构参数化，比较各结构参数下电感器的高频等效电感和高频等效电阻，以确定电感器的最优结构参数。
进一步的，步骤1所述电感器设计目标包括电感器正常工作状态下的电压和工作频率，电感器的磁芯形状、绕线排线方式、封装尺寸、电感值、直流电阻值和交流电阻值等。
进一步的，步骤4所述的并联接地型二端激励端口的连接关系为：集总参数类型激励端口的第一激励端口与第二激励端口以并联的方式与电感器初始几何模型的第一个引脚相连；电感器初始几何模型的第二个引脚接地；集总参数类型激励端口的第一激励端口与第二激励端口接地，形成并联的电感器第一个引脚-第一激励端口/第二激励端口-地-电感器第二个引脚的闭环导通路径，以达到去嵌测试端口寄生效应，进而提升仿真准确度的目的。
其中，步骤1的电感器设计目标为：电感器正常工作状态下的电压1V，工作频率1MHz；电感器的磁芯形状为椭圆中柱磁芯，电感器封装尺寸2.0mm×1.2mm×0.8mm，电感值0.47μH，直流电阻小于32mΩ，在工作状态下的交流电阻小于100mΩ。电感器为一体成型电感器，结构包括椭圆中柱磁芯，分上下两层卷绕在磁芯上的跑道型螺旋线圈，以及覆盖磁芯和铜线圈的磁性屏蔽材料；螺旋线圈引出两脚作为电极，对电极进行漆包膜剥除和电镀处理，两个电极暴露在磁性屏蔽材料之外的区域作为焊点。
其中，磁芯材料为羰基铁粉心，初始磁导率为38。电感器结构参数：铜线窗口长度为0.220mm，铜线窗口宽度为0.090mm，铜线绕组匝数为5.75匝，漆包膜厚度为0.01mm，磁芯长方向尺寸为1.10mm，磁芯宽方向尺寸为0.35mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法，以磁芯材料的复数磁导率以及复介电常数随频率变化的曲线作为磁芯材料输入属性，赋予磁芯材料频率相关的电磁属性，有效提高仿真的准确性；采用并联接地型二端激励端口的方式，与常规的串联型二端激励端口相比，实现了去嵌测试端口寄生效应，提升了仿真准确度。
附图说明
图1为本发明基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法的流程示意图；
图2为并联接地型二端激励端口的等效电路图(a)、串联型二端激励端口的等效电路图(b)和电感器的集总参数等效电路模型(c)；
图3为实施例(a)和对比例(b)的仿真输出结果与实际测试结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例和对比例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方法和具体的操作过程，但本发明不限于下述的实施例。
一种基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法，包括以下步骤：
步骤1、根据电感器设计目标选择磁芯材料和电感器结构参数，所述电感器结构参数包括绕线匝数、铜线窗口面积和磁芯尺寸；
步骤2、根据步骤1的电感器结构参数进行CAD建模，得到电感器初始几何模型；
步骤3、采用矢量网络分析仪对步骤1选择的磁芯材料进行测试，得到磁芯材料的复数磁导率以及复介电常数随频率变化的曲线，作为有限元仿真的磁芯材料输入属性；
步骤4、采用集总参数类型激励端口，通过将集总参数类型激励端口并联接地连接，以并联接地型二端激励端口的方式进行有限元仿真；
步骤5、以磁芯材料的复数磁导率以及复介电常数随频率变化的曲线作为磁芯材料输入属性，采用并联接地型二端激励端口的方式，对电感器初始几何模型进行仿真，并将仿真后的散射参数后处理，得到电感器的高频等效电感和高频等效电阻其中，im(·)为复数取虚部，re(·)为复数取实部，z12为第一激励端口开路时、第一激励端口与第二激励端口的转移阻抗，z21为第二激励端口开路时、第二激励端口与第一激励端口的转移阻抗，freq为仿真频率；
步骤6、对电感器初始几何模型的电感器结构参数进行参数化，调整绕线匝数、铜线窗口面积和磁芯尺寸，重复步骤1～5，根据电感器设计目标比较各结构参数下电感器的高频等效电感和高频等效电阻，以确定电感器的最优结构参数。
实施例
如图1所示，一种基于有限元仿真对MHz级的电感器高频阻抗优化方法，具体包括以下步骤：
步骤1、以电感器正常工作状态下的电压和工作频率，电感器的磁芯形状、绕线排线方式、封装尺寸、电感值、直流电阻值和交流电阻值等作为电感器设计目标，根据电感器设计目标选择磁芯材料和电感器结构参数，所述电感器结构参数包括绕线匝数、铜线窗口面积和磁芯尺寸。实施例中，电感器正常工作状态下的电压1V，工作频率1MHz；电感器的磁芯形状为椭圆中柱磁芯，电感器封装尺寸2.0mm×1.2mm×0.8mm，电感值0.47μH，直流电阻小于32mΩ，在工作状态下的交流电阻小于100mΩ。电感器为一体成型电感器，结构包括椭圆中柱磁芯，分上下两层卷绕在磁芯上的跑道型螺旋线圈，以及覆盖磁芯和铜线圈的磁性屏蔽材料；螺旋线圈引出两脚作为电极，对电极进行漆包膜剥除和电镀处理，两个电极暴露在磁性屏蔽材料之外的区域作为焊点。磁芯材料为羰基铁粉心，初始磁导率为38；电感器结构参数：铜线窗口长度为0.220mm，铜线窗口宽度为0.090mm，铜线绕组匝数为5.75匝，漆包膜厚度为0.01mm，磁芯长方向尺寸为1.10mm，磁芯宽方向尺寸为0.35mm。
步骤2、根据步骤1的电感器结构参数进行CAD建模，得到电感器初始几何模型；该模型作为高频电磁场有限元仿真时的基础模型，在进行结构优化时以此模型作为基础点进行参数化仿真；
步骤3、对步骤1选择的磁芯材料进行测试，将磁芯材料压制为Φ18mm×6mm×3.5mm的圆环以及Φ18mm×3.5mm的圆片，利用不同测试夹具分别测出圆环的复数磁导率随频率变化谱图(1～1000MHz)以及圆片的复数介电常数随频率变化谱图(1～1000MHz)，作为高频电磁场有限元仿真磁芯材料输入属性，在输入材料属性时将测试文件转换为.tab文件进行导入，其中实部磁导率数据导入高频电磁场有限元仿真实体材料属性的relativepermeability选项，虚部磁导率数据导入实体材料属性magnetic loss tangent选项；实部介电常数导入实体材料属性的relative permittivity选项，虚部介电常数导入实体材料属性的dielectric loss tangent选项，并将其设定为内置频率相关函数pwl(文件名,freq)；
步骤4、在高频电磁场有限元仿真软件中建立集总参数型端口CAD模型，采用并联接地型二端激励端口(不同于通常采用的串联型二端激励端口)，以达到去嵌测试端口寄生效应的目的，其等效电路图如图2(a)所示，图2(b)所示为常用的串联型二端激励端口所提取的集总参数，图2(c)为电感器被测试时通常考虑的集总参数模型，因此可以得出当使用并联接地型二端激励端口时，被提取的集总参数去嵌了测试端口的对地寄生电容；
步骤5、以磁芯材料的复数磁导率以及复介电常数随频率变化的曲线作为磁芯材料输入属性，采用并联接地型二端激励端口的方式，对电感器初始几何模型进行仿真，并将仿真后的散射参数后处理，得到电感器在1MHz下的高频等效电感Ls＝0.484μH和高频等效电阻Rs＝107.6Ω，其中激励端口设置为50Ω阻抗匹配类型；
步骤6、对电感器初始几何模型的电感器结构参数进行参数化，调整绕线匝数、铜线窗口面积和磁芯尺寸，重复步骤1～5，根据电感器设计目标比较各结构参数下电感器的高频等效电感和高频等效电阻，以确定电感器的最优结构参数。
其中，步骤6以电感器的初始几何模型的结构参数为起点，按以下顺序完成以下参数化CAD建模：
以铜线窗口长度0.220mm为中心点，向左右分别拓展至0.195mm和0.245mm，步长为0.005mm；
以铜线窗口宽度0.090mm为中心点，向左右分别拓展至0.065mm和0.115mm，步长为0.005mm；
以漆包线厚度0.01mm为中心点，向左右分别拓展至0.005mm和0.015mm，步长为0.001mm；
以磁芯长方向尺寸1.10mm为中心点，向左右分别拓展至1.00mm和1.20mm，步长为0.01mm；
以磁芯宽方向尺寸0.35mm为中心点，向左右分别拓展至0.30mm和0.40mm，步长为0.01mm；
以铜线绕组匝数5.75匝为中心点，向左右拓展至3.75匝和7.75匝，步长为1匝。
将上述所有结构参数的电感器参数化CAD模型作为高频电磁场有限元仿真求解的几何模型，对每一个CAD模型建立不同的尺寸匹配的引脚、激励端口以及地平面，对上述电感器的参数化模型进行求解得出电感器在1MHz的最优高频等效电感Ls＝0.474μH和高频等效电阻Rs＝95.1mΩ，得出最优化结构参数，其中优化后的铜线窗口长度为0.225mm，铜线窗口宽度为0.100mm，铜线绕组匝数为5.75匝，漆包膜厚度为0.01mm，磁芯长方向尺寸为1.20mm，磁芯宽方向尺寸为0.40mm。
对比例
按照实施例步骤所确定的一体成型电感高频阻抗优化后的尺寸方案进行CAD建模，将其集总端口设置为串联型二端激励口，并且将其材料属性设定为频率无关的常数，以此与实施例形成对比，进行高频电磁场仿真求解后，按照串联型二端激励端口等效电路图将散射参数进行后处理，得到和y12为第一激励端口短路时、第一激励端口与第二激励端口的转移导纳，y21为第二激励端口短路时、第二激励端口与第一激励端口的转移导纳。图3为实施例(a)和对比例(b)的仿真输出结果与实际测试结果对比图，可以看出实施例与实际测试数据符合，而对比例与实际测试数据严重不符合。表明本发明提高了有限元仿真结果与矢量网络分析仪测试结果的一致性，可以认为仿真结果与矢量网络分析仪对电感器实物测试所得高频等效电感Ls以及高频等效电阻Rs是一致的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据电感器设计目标选择磁芯材料和电感器结构参数，所述电感器结构参数包括绕线匝数、铜线窗口面积和磁芯尺寸；
步骤2、根据步骤1的电感器结构参数进行CAD建模，得到电感器初始几何模型；
步骤3、采用矢量网络分析仪对步骤1选择的磁芯材料进行测试，得到磁芯材料的复数磁导率以及复介电常数随频率变化的曲线，作为有限元仿真的磁芯材料输入属性；
步骤4、采用集总参数类型激励端口，通过将集总参数类型激励端口并联接地连接，以并联接地型二端激励端口的方式进行有限元仿真；其中，并联接地型二端激励端口的连接关系为：集总参数类型激励端口的第一激励端口与第二激励端口以并联的方式与电感器初始几何模型的第一个引脚相连，电感器初始几何模型的第二个引脚接地，集总参数类型激励端口的第一激励端口与第二激励端口接地；
步骤5、对电感器初始几何模型进行仿真，得到电感器的高频等效电感和高频等效电阻；
步骤6、对电感器初始几何模型进行结构参数化，比较各结构参数下电感器的高频等效电感和高频等效电阻，确定电感器的最优结构参数。
2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的电感器高频阻抗优化方法，其特征在于，步骤1所述电感器设计目标包括电感器正常工作状态下的电压和工作频率，电感器的磁芯形状、绕线排线方式、封装尺寸、电感值、直流电阻值和交流电阻值。
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| GR01 | Patent grant | ||
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