梯级间隙电感器设备和方法优先权
本申请要求2015年7月10日提交的相同标题的共同申请和共同拥有的美国临时专
利申请序号62/191,138和2016年7月07日提交的美国专利申请序号15/204,713的优先权，
所述申请全部以引用方式并入本文。
版权
此专利文件的公开内容的一部分含有受到版权保护的材料。版权拥有者不反对任
何人拓制出现于专利和商标局专利文件或记录中的专利文件或专利公开，但是另外保留所
有版权。
背景
技术领域
本公开总体上涉及电感性电路元件，并且更具体地说涉及具有各种合意电气和/
或机械性质的电感装置，以及操作并制造电感装置的方法。
背景技术
电感器和电感装置的无数不同配置在现有技术中是已知的。举例来说，Gokhale等
人的美国专利号6,922,883公开非线性电感器，其用于减少交流(AC)传动装置的整流器系
统的输入侧上的线路电流中的谐波的谐波畸变总百分比。Satardja的美国专利号7,489,
219公开功率电感器，其具有由铁氧体珠粒核心材料制成的第一磁心。第一磁心包括从核心
的第一末端延伸至第二末端的内部腔穴以及也从第一末端延伸至第二末端的有槽气隙。导
体穿过此腔穴。功率电感器还包括位于并且相邻于气隙的第二磁心，其具有低于第一磁心
的导磁率。Liu等人的美国专利号7,915,993公开电感器，所述电感器包括第一核心、第二核
心、突出结构、导线和至少两个间隙。前述美国专利代表在电路中提供变化电感值的各种方
法。
尽管前述各种现有技术电感器配置，但是明显缺乏较小、高度可定制、低成本、高
性能电感器配置，所述电感器配置提供取决于流经它的电流量而变化的电感值。具体来说，
需要提供一种电感装置，所述电感装置在较低电流下提供高水平的电感，同时在较高电流
下迅速降低(即，快速转降)电感装置的电感水平而不获得核心饱和。此外，这类电感装置理
想地限制在装置操作期间产生的边缘磁场线，以便尤其限制电磁干扰(EMI)影响相邻安置
电子部件。此外，在小尺寸电感装置中获得这些合意性能参数在空间受到限制的终端装置
应用中是非常合乎需要的。
因此，需要改进的电感装置，所述电感装置被构建成实质性改进电感性能灵活性，
减少或消除边缘磁场的有害影响，并且与现有技术电感装置相比，保持减小的尺寸/覆盖
区。
发明内容
本公开通过提供改进的电感装置(和包括一个或多个装置的组件)，以及制造和使
用所述电感装置的方法来满足前述需要。
在第一方面，提供电感装置。在一个实施方案中，电感装置包括核心基础元件，所
述核心基础元件具有两个侧向核心元件；和具有形成于其中的梯级间隙的中心核心元件，
所述中心核心元件安置于两个侧向核心元件之间。选择中心核心元件和两个侧向核心元件
的相对大小以便在两个侧向核心元件之间形成腔穴。电感装置进一步包括至少部分安置于
腔穴内的绕组；和安置于腔穴内的磁粉和环氧树脂的混合物。
在第二方面，公开制造前述电感装置的方法。在一个实施方案中，所述方法包括获
得一或多个核心工件，所述一或多个核心工件包括两个侧向核心元件和安置于两个侧向核
心元件之间的中心核心元件，所述一或多个核心工件进一步包括安置于两个侧向核心元件
之间的腔穴；在中心核心元件内形成梯级间隙；将引线插入腔穴内；并且将环氧树脂混合物
插入腔穴内。
在第三方面，公开使用前述电感装置的方法。在一个实施方案中，所述方法包括使
用电感装置以便将在所谓“完全接通”与“完全关断’状态之间的高损耗转换状态耗费的时
间量减少到最低限度。
在第四方面，公开并入前述电感装置的系统。在一个实施方案中，系统包括用于便
携式电子设备，诸如例如膝上型计算机中的开关模式电源。
在第五方面，公开便携式电子设备。在一个实施方案中，便携式电子设备包括开关
模式电源，所述开关模式电源包括具有形成于其中的梯级间隙的电感装置。具有形成于其
中的梯级间隙的电感装置被配置成与较高操作电流下的电感装置的电感值比较，增加较低
电流值下的电感装置的初始电感值。
在第六方面，公开减少电子装置中的功率消耗的方法。在一个实施方案中，所述方
法包括使用前述电感装置。
在第七方面，公开具有减轻EMI信号的电感设备。在一个实施方案中，电感设备包
括梯级间隙，所述梯级间隙大致上用环氧树脂混合物囊封以便在电感设备操作期间限制边
缘磁场。
在第八方面，公开减轻与电感装置相关联的EMI信号的方法。在一个实施方案中，
所述方法包括将梯级间隙插入整体式导磁性核心的U形腔穴内；将绕组安置于U形腔穴内；
并且将具有安置于其中的绕组的U形腔穴用环氧树脂和磁粉的混合物填充。
附图说明
本公开的特征、目标和优势根据以下结合附图阐明的详细说明而变得更明显，其
中：
图1是根据本公开原理的核心元件的一个示例性实施方案的透视图。
图2A是根据本公开原理的利用图1的核心元件的电感装置的一个示例性实施方案
的分解图。
图2B是示出根据本公开原理的图2A的组装电感装置的顶部的透视图。
图2C是示出根据本公开原理的图2A的组装电感装置的底部的透视图。
图3是示出随着电流而变化的典型电感值的图表，其将图2A-2C的根据本公开原理
的电感装置的性能与其他现有技术电感装置的性能比较。
图4A是适用于例如在图2A-2C中示出的电感装置的第一示例性梯级间隙配置的前
视图。
图4B是适用于例如在图2A-2C中示出的电感装置的第二示例性梯级间隙配置的前
视图。
图4C是适用于例如在图2A-2C中示出的电感装置的第三示例性梯级间隙配置的前
视图。
图4D是示出适用于例如在图2A-2C中示出的电感装置的第四示例性梯级间隙配置
的侧视图。
图4E是示出适用于例如在图2A-2C中示出的电感装置的第五示例性梯级间隙配置
的侧视图。
图5是示出根据本公开原理的制造电感装置的方法的示例性实施方案的逻辑流程
图。
具体实施方法
现在参考附图，其中通篇相同数字指代相同部分。
如本文使用，术语“电子部件”用于指代适于提供某种电气功能的部件，包括不限
于电感反应器(“扼流线圈”)、变压器、滤波器、间隙、核心环形线圈、电感器、电容器、电阻
器、操作放大器和二极管，不论离散部件或集成电路，不论单独或组合。举例来说，全部以引
用方式并入本文的受让人的2000年9月13日提交的标题为“Advanced Electronic
Microminiature Coil and Method of Manufacturing”的美国专利号6,642,827公开的改
进环形装置可与在本文中包含的本公开的实施方案结合使用。
如本文使用，术语“导磁性”是指通常用于形成电感核心或类似部件的许多材料，
包括不限于由铁氧体制成的各种制备物。
如本文使用，术语“信号调节”或“调节”应了解包括但是不限于信号电压变换、过
滤、电流限制、取样、处理和时间延迟
如本文使用，术语“绕组”是指适于输送电流的任何类型的导体，不论形状、横截
面、材料或匝数。
概述
本公开尤其提供改进电感设备以及制造和使用所述电感设备的方法。
在一个实施方案中，本公开的电感装置包括核心元件、直接线端的绕组和环氧树
脂混合物。核心元件具有形成于其中的梯级间隙，并且界定U形腔穴。在示例性实施方案中，
环氧树脂混合物包括形成于U形腔穴内的磁粉和环氧树脂混合物，所述混合物与直接线端
的绕组组合，大致上填充腔穴，从而产生长方形形状电感装置。这类配置包括用磁性材料包
围梯级间隙，从而形成闭合磁路，并且消除或大致上减轻不合需要的边缘磁通场从电感装
置发出。此外，这类示例性电感设备将在所谓“完全接通”与“完全关断”状态之间的高损耗
转换状态耗费的时间量减少到最低限度(从而最大限度地减少浪费的能量)。
还公开制造和使用前述电感装置的方法。
示例性设备-
应认识到虽然以下论述主要在用于与例如开关模式电源的电感装置方面来安排，
并且尤其用于将在所谓“完全接通”与“完全关断”状态之间的高损耗转换状态耗费的时间
量减少到最低限度(从而最大限度地减少浪费的能量)的应用中，本公开原理不限于此。事
实上，本公开原理适用于可受益于本文所述梯级间隙配置和核心几何形状的许多终端应用
例如像并且不限于其他电源应用包括：直流(DC)电源；交流(AC)电源；可编程电源；不间断
电源；和高电压电源。
现在参看图1，示出根据本公开原理的具有梯级间隙110的导磁性核心元件100(由
例如基于铁氧体的材料制成)。在所说明的实施方案中，核心元件100包括总体上长方形侧
向元件108以及长方形中心核心元件112。在所说明的实施方案中，长方形中心核心元件112
在高度104、宽度114和厚度116上小于相邻安置长方形侧向元件108，从而形成安置于两个
长方形侧向元件108之间的U形腔穴106。在示例性实施方案中，U形腔穴106设定大小以容纳
电感装置(200，图2A-2C)的其他部分，如随后在本文中额外详细描述。虽然特定配置在图1
中示出，但是应认识到中心核心元件112相对于侧向元件108的相对大小可容易改变，如在
给出本公开的情况下本领域普通技术人员将认识到。举例来说，中心核心元件112的高度
104可增加或减少，从而分别减少或增加U形腔穴106的顶部部分106a消耗的有效容积。此
外，中心核心元件112的厚度116也可增加或减少，从而分别减少或增加U形腔穴106的侧向
部分106b消耗的有效容积。仍进一步，应认识到使用长方形或“直角”部件仅仅是示例性的；
预期可使用侧向和/或中心核心元件的其他形状(例如，梯形、非直角等)。
在图1所说明的实施方案中，引入梯级间隙110可容易以机械方式实现(例如使用
通常用于制造半导体晶片的类型的切割锯)，或在形成部件时包含在内。梯级间隙110的深
度102可根据所需电气性能特性来容易地改变，如在给出本公开的情况下本领域普通技术
人员容易了解。虽然在图1中示出为具有长方形体积的梯级间隙，但是其他梯级间隙变化随
后在本文中相对于图4A-4E来论述。还设想其他梯级间隙变体，包括将一或多个梯级间隙引
入侧向元件108(未展示)。然而，这类变体可具有与其相关联的缺点，所述缺点包括：(1)制
造单一工件结构核心100实施方案的困难；和(2)梯级间隙存在于侧向元件108(和核心元件
100)的外表面所导致的边缘效应。
在所说明的实施方案中，核心元件100制造为整体式工件，所述工件通过以下物件
来产生：(1)具有预成形中心核心元件112和侧向元件108的模型；或(2)单一长方形方块，所
述方块随后加工以便形成侧向元件108和/或中心核心元件112的总体尺寸。虽然主要设想
为构建为单一工件核心，但是应认识到核心元件100可使用两个或更多个离散工件来构建，
所述工件随后使用例如环氧树脂或导磁性材料领域通常已知类型的其他粘着剂来接合在
一起。此外，虽然这类多核心结构产生总体上制造更简单的模型，但是这类多核心结构将额
外制造步骤和间隙引入核心元件制造过程中，从而潜在地为下方核心元件100引入不合需
要的和/或不一致的性能特性。
现在参看图2A-2C，示出并详细描述使用图1示出的核心元件100的电感装置200。
示出电感装置200包括核心元件100、直接线端的绕组220和环氧树脂混合物230。在示例性
实施方案中，环氧树脂混合物230包括磁粉(例如，铁粉)和环氧树脂混合物，所述混合物形
成于U形腔穴106内，与直接线端的绕组220组合，大致上填充腔穴106，由此产生长方形形状
电感装置，如图2B和2C示出。磁粉与环氧树脂的比率可调整以便满足下方电感装置的所需
电气参数(例如，电感)，以及任选地机械性质。在本文中存在本公开的电感装置200的显著
优势。具体来说，如熟知，磁通路中的间隙产生边缘场，所述边缘场可对相邻安置电子部件
造成电磁干扰问题。因为存在于核心元件100内的梯级间隙110大致上由磁性环氧树脂混合
物覆盖(如图2B和2C示出)，电流穿过直接线端的绕组220所产生的所得磁场大致上或甚至
完全被限制于电感装置200结构内，从而最大限度地减少相邻安置电子部件的潜在有害电
磁干扰。
磁粉与环氧树脂(和/或使用其他成分材料诸如掺杂剂)的比率可在环氧树脂混合
物230中调整以便满足电感装置200的所需信号调节性质。在示例性实施方案中，调整此比
率以使得在轻载荷(即，低电流值)下获得相对高电感值。在示例性实施方案中，环氧树脂混
合物230的相对导磁率μ/μ0相对较低(即，在60-200的近似范围内)。空气的相对导磁率是μ0
＝1，而对于各种基于铁氧体的材料，核心元件100的导磁率通常在2000-5000范围内。然而，
应认识到这些导磁率值可改变以便满足电感装置200的所需电感特性。还参见以下图3中随
着直流(DC)偏置而变化的电感的论述。
在一个实施方案中，直接线端的绕组220包括具有并入鸥翼状引线222的单匝绕
组。引线222被配置成将电感装置耦接至用于终端装置应用(例如，开关模式电源)的外部衬
底(例如，印刷电路板)。此耦接可以许多方法实现，包括标准焊接-回流过程或甚至手工焊
接。在替代实施方案中，可取消鸥翼状引线222而使用通孔引线(或其他类型的界面)，从而
使得能够经由波峰焊接(和甚至手工焊接)将电感装置耦接至衬底。此外，虽然示出单匝绕
组，应认识到还设想多匝实施方案，其中绕组220可容易形成以便环绕中心核心元件112两
次或更多次。
将梯级间隙110并入电感装置200的核心元件100(与例如传统珠粒电感器比较)产
生装置的“较柔和”饱和特性，和在低DC偏置电流下的较高电感值。这些特征改进电感装置
200的效率，导致较低功率损失，这在功率消耗和电池寿命是主要关注的终端应用诸如便携
式装置计算装置(例如，膝上型计算机、平板等)中是合乎需要的。另外，与传统现有技术(例
如，珠粒)电感器比较，并入梯级间隙110还增加在核心元件100和环氧树脂混合物230饱和
之前可贯穿电感装置200的电流的量。
电感装置性能-
现在参看图3，示出并详细描述在25℃温度下随着电流而变化的电感的图表。Y轴
示出100nH与260nH之间范围内的电感值，而X轴示出0A至100A范围内的DC偏置值。实线302
示出如图2A-2C示出的示例性电感装置200的性能，所述电感装置具有梯级间隙110，所述梯
级间隙具有4.5mm的空隙宽度(深度)和0.08mm的间隙宽度。在所说明的实施方案中，环氧树
脂混合物230具有10.0的导磁率值。如图3可以看出，线302示出低电流下的电感装置的初始
电感值为大约260nH，其下降至大约17A的电流下的大约155nH的电感值。直至大约87A，当电
感装置200开始饱和时，电感值保持在大约155nH至100nH范围内。线304示出没有梯级间隙
并且具有7.0的导磁率值的环氧树脂混合物230的电感装置(类似于图2A-2C示出)的性能。
如图3可以看出，线304示出大约200nH的电感装置的低得多的初始电感值。直至大约70A，当
电感装置开始饱和时，电感值保持在大约200nH至170nH范围内。线304示出大约81A下的大
约100nH的电感值。线306、308和310示出各种典型现有技术珠粒电感器(即，由其受让人制
造的PA3784.XXXHL系列功率电感器)的随着电流而变化的电感值。如可以看出，这些现有技
术珠粒电感器制造具有较低初始电感值(与线302和304比较)；然而，制造具有这些较低初
始电感值的这些现有技术珠粒电感器与这些电感装置的较低饱和电流相关。举例来说，线
306(对应于PA3784.181HL)具有大约180nH的初始电感值，其在大约67A的电流下变得饱和；
线308(对应于PA3784.151HL)具有大约150nH的初始电感值，其在大约83A的电流下变得饱
和；并且线310(对应于PA3784.121HL)具有大约120nH的初始电感值，其在大约94A的电流下
变得饱和。
梯级间隙变化-
并入核心元件100中的梯级间隙110可以许多不同方式来实施。举例来说，并且如
以前相对于图1论述，梯级间隙可具有4.5mm的一致深度(即，深度不随着核心元件长度而变
化)与0.08mm的间隙宽度。这类梯级间隙110用于具有9.8mm的总长度；7.8mm的总宽度；和
7.8mm的总高度的核心元件100。梯级间隙充当其中电感装置的磁通路中的导磁率偏离周围
材料(在此核心元件100的其余部分和环氧树脂混合物230部分)的区域。在本实例中，其中
梯级间隙110基本上是具有1的导磁率的气隙，在核心元件100的在梯级间隙110下方的部分
开始变得饱和(且/或其中环氧树脂混合物部分230开始饱和)时，梯级间隙110定位的区域
保持不饱和，并且核心元件100相应地起作用。因此，电感装置200在饱和之前可容纳的DC偏
置的量也增加。以此方式，图2A-2C示出的电感装置200根据随着DC偏置而变化的电感来起
作用，如在图3中线302示出。此外，应认识到改变此梯级间隙104特征的大小和形状可用于
选择性改变下方电感装置的饱和和电感特性。
参看图4A，在此梯级间隙110a进一步划分成梯级配置，其中梯级间隙110a的第一
部分充当具有第一宽度402的间隙，而第二部分充当具有第二、不同宽度404的间隙。基本
上，当具有第二宽度404的第二部分开始饱和(即，归因于穿过此部分的磁通量增加)时，具
有第一宽度402的第一部分保持不饱和，并且由此起作用。图4B示出具有成角度壁406的梯
级间隙110b的此梯级配置的变体，所述成角度壁沿着深度尺寸从第一宽度407变化至第二
宽度405。在这里，当沿着成角度壁406更接近于第二宽度405的部分开始饱和时，更接近于
第一宽度407的部分保持不饱和，从而尤其产生与具有不变宽度405的间隙的长方形梯级间
隙110比较，可操控更高饱和电流的电感装置200。
虽然图4A和4B示出的壁相对平滑，但是梯级间隙的表面的相对粗糙度也可改变如
图4C中示出。在这里，梯级间隙110c壁408a、408b可具有变化水平的粗糙度，由此产生所谓
“微观间隙”或“残余间隙”。通过改变所选择的核心材料的表面参数(例如，粗糙度或颗粒
度)和/或通过在梯级间隙110c壁上使用各种程度的抛光，也可控制梯级间隙的电感性质。
使用“残余间隙”来提供例如下方电感装置的性质的精确控制描述于2005年8月26日提交的
标题为“Precision inductive devices and methods”的共同拥有美国专利号7,567,163
中，其内容全部以引用方式并入本文。
现在参看图4D，示出并详细描述如通过诸如经由切割锯420的示例性过程来产生
的示例性梯级间隙400的侧视图。具体来说，线412示出示例性切割锯穿越核心的整个厚度
的梯级间隙(诸如梯级间隙110)。然而，在诸如相对于线414示出的实施方案中，环形切割锯
切入例如核心100的中心部分112，产生如示出的梯级间隙的几何形状。换句话说，气隙保持
于线414上方的部分中，同时在线414下方的部分具有等于下方核心材料的导磁率。如线
410、416示出的切割锯切入深度的变化产生具有变化表面积的气隙，其中在线410或416下
方的区域具有等于下方核心材料的导磁率。
现在参看图4E，示出图4D产生的梯级间隙的变化。具体来说，梯级间隙418通过在
沿着核心的两个不同点将切割锯420切入，从而产生两个梯级间隙部分418来产生。换句话
说，气隙保持于线418上方的部分中，同时在线418下方的部分具有等于下方核心材料的导
磁率(即，此部分无间隙)。以此方式，可操控下方几何形状和气隙的表面积以便获得核心的
所需电感装置特性。
此外，虽然图4E示出的实施方案示出由切割锯的两次切入产生的气隙，应认识到
切割锯的三次或更多次切入可产生具有各种需要电感参数的气隙。
另外，应认识到随着横移(例如线424示出)而变化的切割锯420切入深度也可容易
实施。这些和其他变化目前由发明人设想。
制造方法-
现在参看图5，描述制造电感装置的方法500的示例性实施方案。在步骤502，形成
核心(诸如图1示出的核心)。如以前在本文中论述，核心可形成为具有如图1中示出的几何
形状的整体式工件。或者，核心可形成为实心长方形方块，并且图1示出的几何形状可加工
成此实心长方形方块。作为另一种替代，核心可由多个不同部分形成，随后这些部分使用例
如电子领域中已得到充分认识的类型的环氧树脂来接合在一起。还可利用与本公开一致的
前述的组合(如可适用)。
在步骤504，梯级间隙形成为核心。在一个实施方案中，梯级间隙经由使用穿越所
形成核心的宽度的切割锯来形成。替代变体可利用相对于图4A-4E描述的方法以便产生这
些梯级间隙变体，或在给出本公开的情况下由本领域普通技术人员认识到的其他方法。
在步骤506，将电感装置的引线插入核心。具体来说，引线安置于两个末端核心元
件之间的核心腔穴内部。在一个示例性实施方案中，将引线插入在步骤504形成的梯级间
隙。
在步骤508，将环氧树脂混合物安置于所插入引线周围和所形成的核心中。在一个
示例性实施方案中，所插入引线防止环氧树脂混合物进入梯级间隙，从而在电感装置的本
体内留下气隙。
或者，各种环氧树脂混合物制剂可插入梯级间隙，插入引线，随后环氧树脂混合物
调配物可安置于所插入引线周围和所形成核心的本体中。初始环氧树脂混合物和随后环氧
树脂混合物可具有相同磁性，或替代地可由不同铁氧体和环氧树脂混合物制成。
应认识到虽然本公开的某些实施方案在方法步骤的特定顺序方面来描述，但是这
些描述只例示本文描述的更广泛方法，并且可根据具体应用需要来修改。在某些情况下，某
些步骤可变得不必要或任选。另外，某些步骤或功能可添加至所公开的实施方案，或执行两
个或更多个步骤的顺序改变。所有这些变化被认为涵盖于本公开内并且在本文中要求保
护。
虽然上述详细说明已经示出、描述并且指出如适用于各种实施方案的新颖特征，
但是应了解所示出装置或过程的形式和细节的各种省略、置换和变化可由本领域技术人员
作出而不背离本文所述原则。前述描述是目前预期的最佳模式。本说明书决不意味着限制，
但是实际上应理解为例示本文所述一般原则。揭示内容之范围应参照权利要求书来确定。