Consideremos el caso de dos inductores planares asim´etricos que est´an acoplados magn´eticamente, teniendo uno de sus conductores m´as largo que el otro; tal como
se muestra en Fig. 2.9. En la figura se pueden observar el cuerpo de los inductores acoplados y las corrientes que fluyen a trav´es de ambos conductores. La vista tridi-
mensional (3-D) de los inductores acoplados y sus corrientes es mostrada en la parte superior de la figura. En la parte baja de la figura se puede ver la secci´on transversal
de un corte realizado en la l´ınea punteada, en ella se distinguen los conductores y las corrientes que fluyen a trav´es de ellos. La estructura es evaluada utilizando
un software de simulaci´on por elementos finitos para ser capaces de comprender los campos magn´eticos que se producen bajo estas condiciones.
El resultado de la simulaci´on es mostrado en las figuras 2.10, 2.11(a) y 2.11(b), donde la densidad de flujo magn´etico generado por las corrientes que fluyen a trav´es
de ambos conductores es graficada con diferentes colores, dependiendo de su mag- nitud. La Fig. 2.10 muestra una vista superior de la densidad de flujo magn´etico de
los inductores acoplados. La zona roja en la superficie del cuerpo de los inductores acoplados representa el lugar donde los flujos generados por ambos conductores son
aditivos entre ellos.
Las figuras 2.11(a) y 2.11(b) muestran la vista de la densidad de flujo en las
secciones transversales. Cuando ambos conductores se superponen, como se muestra en la Fig. 2.11(a), los flujos generados por ambos conductores se suman el uno
Cross Sec. 1 Cross Sec. 2
Fig. 2.9: Inductores acoplados asim´etricos propuestos. Tambi´en se muestras secciones transversales 1 y 2.
mutuamente en el espacio que queda entre ambos conductores. Esta situaci´on puede
verse reflejada en la densidad de flujo resultante en la secci´on transversal. En el otro extremo de la estructura, en el corte de la secci´on transversal 2, s´olo hay un
conductor. La densidad de flujo es menor, como lo muestra la Fig. 2.11(b), ya que un solo conductor genera campo magn´etico.
Estos resultados de simulaci´on confirman que los flujos magn´eticos generados por ambos conductores interact´uan solamente cuando los conductores est´an su-
perpuestos, permitiendo introducir el siguiente modelo para inductores acoplados asim´etricos.
De (2.7) se puede notar que la inductancia propia de cada conductor no depen- de del otro conductor. Entonces, la inductancia propia de la parte superpuesta de
ambos conductores y la inductancia propia de la parte del conductor que no se su- perpone del conductor m´as largo, todas pueden ser obtenidas usando (2.7). Luego,
la inductancia propia completa del conductor m´as largo es la suma en serie de dos inductancias diferentes, L1 que es la inductancia propia de la parte superpuesta del
conductor yL3 que es la inductancia que corresponde a la parte no superpuesta del
conductor. La inductancia propia del otro conductor puede obtenerse utilizando la
misma ecuaci´on, reemplazando l por el largo del conductor. Luego, el modelo 3-D se comporta como el circuito equivalente constructivo mostrado a la izquierda de
Fig. 2.10: Densidad de flujo en la superficie superior. La zona roja muestra donde se suman los flujos generados por ambos conductores.
(a) Secci´on transversal 1. (b) Secci´on transversal 2.
Fig. 2.11: Densidad de flujo en las secciones transversales 1 y 2 de la Fig. 2.9.
la Fig. 2.12. El prop´osito ahora es derivar un modelo matem´atico para inductores
acoplados asim´etricos. Consideremos el circuito esquem´atico mostrado a la derecha de la Figura 2.12 y encontremos un modelo equivalente.
Basado en el esquem´atico constructivo, el modelo matem´atico puede ser escrito como:
V1 = sI1(L1+L3) +sI2M
V2 = sI1M +sI2L2. (2.9)
L
3L
2L
1I
1Mismo Largo
(a) Esquem´atico constructivo.
L
caL
cc(b) Esquem´atico equivalente.
Fig. 2.12: Modelo circuital para inductores acoplados asim´etricos.
Por otro lado, la inductancia mutua se define como
M =kC
p
L1L2, (2.10)
y kC es definido por la ecuaci´on (2.8).
Las ecuaciones para el circuito equivalente son:
V1 = sI1Lcc+sI2Mef f
V2 = sI1Mef f +sI2Lca. (2.11)
dondeMef f es la inductancia mutua efectiva. Como los dos circuitos son equivalentes
sus componentes tambi´en lo son; entonces, se pude decir que Lcc = L1+L3 y que
Lca=L2. La inductancia mutua efectiva se define como
Mef f =kef fpLccLca. (2.12)
Como la interacci´on entre campos magn´eticos s´olo tiene lugar entreL1yL2, entonces
M =Mef f. (2.13)
1 1,5 2 2,5 3 3,5 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Coeficiente de Acoplamiento Modelo Físico Modelo Matemático 1+L3/L1
Fig. 2.13: Resultados de la simulaci´on de elementos finitos. (—) Modelo f´ısico. (•) Modelo matem´atico.
como M = Mef f kC p L1L2 = kef f p (L1+L3)L2 (2.14) entonces, kef f =kC r L1 L1+L3 . (2.15)
dondekC es el coeficiente de acoplamiento constructivo. Este coeficiente es definido por la cantidad de material magn´etico que se encuentra por encima y entre los dos conductores (2.8) y es independiente de la relaci´on entre los largos de los conductores.
Se realiz´o una simulaci´on basada en un modelo de elementos finitos, que consisti´o
en variar el largo de uno de los conductores mientras que el largo del otro conductor se mantuvo constante. Como puede verse en Fig. 2.13, los modelos matem´atico y
f´ısico predicen valores similares de coeficiente de acoplamiento, validando de esta manera el modelo propuesto para distintos largos de conductor. Estos resultados
muestran que el coeficiente de acoplamiento entre ambos inductores se degrada con- forme a la relaci´on entre las longitudes de ambos conductores.
Ahora se proceder´a a realizar la comparaci´on del volumen de un par de inductores acoplados y el volumen de un inductor simple. Para mantener el volumen constante,
el valor de inductancia del conductor m´as largo de la estructura de los inductores acoplados es comparado con la inductancia de una estructura del mismo largo con
un solo conductor.
Lsimplees definido como un inductor simple con el mismo volumen que los induc-
tores acoplados; esto significa que tiene el mismo largo que Lcc y la misma secci´on
transversal que los inductores acoplados. La principal diferencia radica en la posici´on
del conductor. Lsimple ser´a definida como sigue
Lsimple=l
µ
4 ln(1 +
2d2+d1
w ), (2.16)
donde l, d1 y d2 tienen los mismos valores que en (2.7). Para comparar ambos
inductores, se eval´ua la relaci´on de inductancias como
Lsimple Lcc = l µ 4ln(1 + 2d2+d1 w ) lµ(d2+d1) 2(2d2+d1)ln(1 + 2d2 w ) (2.17) Lsimple Lcc = 2(d2+d1) 2d2+ 2d1 ln(1 + 2d2+d1 w ) ln(1 + 2d2 w ) . (2.18)
Aqu´ı, si d2 d1 la primera parte de la ecuaci´on tiende a uno y si w d2 el
segundo t´ermino de la ecuaci´on tiende a uno tambi´en. Estas condiciones se cumplen habitualmente para la mayor´ıa de los inductores fabricados en LTCC, por lo tanto
se puede decir que Lcc ≈ Lsimple. Este resultado implica que a volumen constante
en el cuerpo del inductor, la inductancia equivalente del conductor m´as largo de
los inductores acoplados,Lcc, es aproximadamente igual a la inductancia deLsimple.
Para el siguiente an´alisis se considerar´a que Lcc =Lsimple.
El modelo para inductores acoplados asim´etricos desarrollado en esta secci´on ser´a utilizado para analizar la factibilidad de la utilizaci´on de la t´ecnica deripple-steering