LTCC内埋电感设计

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1、LTCC埋置电感设计原理与方法一、LTCC埋置电感的性能指标表征电感性能的指标主要有三个：品质因数(Q值)、有效电感量(Leff)、自谐振频率(SRF)。Q值主要是表征电感的储能和耗能情况。常用的Q值定义有三种，一是从相对带宽来定义Q值，二是从阻抗来定义，三是从相位来定义。在设计LTCC埋置电感主要是从阻抗来定义，Q值可由单端口网络输入阻抗的虚部与实部之比得到。电感的Q值跟电感的长度、匝数、形状、寄生电容、金属厚度和导电率、基板的介电常数和导电率等有直接关系。有效电感量(Leff)是从电感的输入端口看进去总的电感量，可由输入阻抗的虚部与角频率之比得到。自谐振频率(

2、SRF)是由于寄生参量导致电感的输入阻抗从感性变化到容性的转折频率点。它决定电感的可用频率范围。自谐振频率受到电感每匝之间的分布寄生电容耦合和电感与接地面之间的寄生电容影响。电感每匝之间的分布寄生电容耦合主要是跟每匝之间的距离和基板的介电常数有关。电感与接地面之间形成的寄生电容主要与电感的导体线宽、匝数和基板的介电常数有关。二、LTCC电感等效电路模型无论是采用全波电磁仿真软件还是通过测试得到LTCC埋置电感的散射参量（S参量）都需要建立等效电路模型来判别LTCC埋置电感的性能好坏。并且方便用于电路设计。一般LTCC埋置电感的等效电路模型都是采用集中参数RLC网络

3、来等效，其中R主要是表示电感的损耗，L主要是表示电感中磁场的变化，C主要是表示电感中电场的变化。常见的LTCC埋置电感等效电路模型有两类：π模型和T模型。其中π模型又分为单π模型和双π模型。单π模型没有完全考虑到电路中的趋肤效应和邻近效应(proximityeffect)。趋肤深度与工作频率的平方根成反比。随着工作频率的升高AC电流集中分布在导体表面很薄的一层中。除了趋肤效应影响电流分布外，邻近导线产生的磁场会进一步影响电流的分布，使金属导线边缘产生更高的电流密度，这就是所谓邻近效应(proximityeffect)。在螺旋电感的设计中邻近效应使电感的电阻升高、Q

4、值降低，其影响比趋肤效应所产生的影响还要大。单π模型只能应用在低于自谐振频率的频率范围。但很多实际的应用中需要每个元件的宽带特性，从而要求元件的模型覆盖所需的谐波频率范围。双π模型是在单π模型的基础上进行改进的一种模型，这种模型可以应用到第一自谐振频率以上，具有较宽的带宽。T模型除常见的T模型外，还有一种以传输线理论为基础从传输线的导纳矩阵推导出的改进型T模型。该种改进型T模型的适用带宽更宽，模型中的元件值可以从实测的S参数中直接提取。三、LTCC埋置电感设计流程针对不同用途的LTCC埋置电感，在设计过程中的侧重点不同，其设计方法有很多种。本文设计LTCC埋置电感

5、的基本思路如下：首先，根据所需电感的有效电感量、品质因数、自谐振频率和电感所占面积要求等指标来确定LTCC埋置电感类型。例如:有效电感量比较小的可以选择单层平面式电感，对自谐振频率要求比较高的电感可以选择多层螺旋式电感等。再在三维电磁仿真软件中建立电感仿真模型，提取电感三维模型的S参数。根据设计要求和所选电感类型确定电感的等效电路。例如:如果只需要对电感的窄带特性进行研究可以选用简单的单π模型，可以减少设计时间。如果需要对电感的宽带特性进行研究，则需要选取双π模型或者改进型T模型。然后根据三维电磁仿真软件中提取的S参数，在电路仿真软件中对等效电路模型进行拟图4-4

6、LTCC埋置电感设计流程图合，得出等效电路中RLC参数。通过所得到的RLC的参数计算出所设计的LTCC埋置电感的Q值、Leff、SRF等值。最后跟设计目标对比看是否满足要求，如果不满足目标要求就需要对三维电感模型进行修正和调整，使其满足设计要求。LTCC埋置电感设计流程图如图所示。四．电感解析算法内埋置电感感值大小的解析计算法是基于Greenhouse算法提出的，是将电感分成一系列相互连接的导线段，再分别计算每一段导线的自感及相互间的互感，最后将各部分求和得到电感线圈的总电感量，总电感量可以由（4-1）、（4-2）式表示，在式中当i=j，Lij=Lii为第i段导线

7、的自感；当i≠j，Lij=Mij为第i、j段导线间的互感。其中，ia、ja分别为细导线段i与j的截面面积，iV、jV为其体积，0il、0jl分别为细导线段的单位轴向向量，ijr为两个细导线段微元idv和jdv之间的距离。矩形螺旋电感中长度为li单元的自感计算如式（2-3），式中w为金属导线宽，t为金属导线厚度。图4-5中是长度分别为j和m的两条平行导线，它们间的总互感为，二：LTCC电感的设计与分析电感模型参数提取螺旋电感的电长度θ较大，则单π电感模型拓扑结构中寄生多种分布参数，其局限性变得更为明显；而采用双π电感模型拓扑结构能够更精确地提取螺旋电感各种参数，如图

8、4-7所示