專利名稱：一種大電流平面變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面變壓器，尤其是一種制作在印刷電路板(PCB)上的大電流平面變壓器。
背景技術(shù)：
隨著開關(guān)電源的發(fā)展，小體積、高功率密度越來越稱為開關(guān)電源的追求目標(biāo)表和發(fā)展方向，各種減小電源體積、提高電源功率密度的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，平面變壓器技術(shù)就是其一。傳統(tǒng)技術(shù)的開關(guān)電源中，功率變壓器由纏繞在磁芯上的多組導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)。這樣的變壓器占有很大體積，使得開關(guān)電源模塊難以做小、做薄。而且，由于繞線的間距比較大，變壓器的漏感也比較大，耦合程度較差，變壓器效率較低。平面變壓器的出現(xiàn)，大大減小了變壓器的體積和高度，從而十分有利于減小電源模塊的體積和高度，使電源模塊得以小型化、平面化。同時，由于平面變壓器結(jié)構(gòu)緊湊，增加了耦合度，減少了漏磁；由于磁芯體積的減小，磁芯上的能量損耗也減少，這些都有利于提高變壓器的效率。因此，現(xiàn)在平面變壓器在開關(guān)電源模塊中得到了廣泛應(yīng)用。目前的大電流、大功率平面變壓器，大多以銅皮作為原邊和副邊繞組，將多個這種繞組堆疊在一起，和磁芯一起構(gòu)成變壓器。這種結(jié)構(gòu)的平面變壓器存在兩個主要問題第一是安規(guī)要求的絕緣距離較難實(shí)現(xiàn)，尤其是AC/DC變換器安規(guī)中要求的加強(qiáng)絕緣，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，往往要特殊的骨架才能實(shí)現(xiàn)；第二是由于多層迭加，結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，加工生產(chǎn)難度大。也有一些以PCB上的導(dǎo)線作為繞組的平面變壓器，但這些變壓器大部份都是應(yīng)用在小電流、小功率的情況下，比如二次電源DC/DC變換器。此時作為變壓器繞組的導(dǎo)線，通常是電源模塊PCB的一部分，具體做法是在主板PCB的適當(dāng)位置形成變壓器原邊和副邊繞組，并開有對應(yīng)于磁芯的孔，嵌入磁芯后就形成了變壓器。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，變壓器的高度低，對變換器的整體高度影響較小。但是由于變壓器本身即是PCB的一部分，必然受到PCB的層數(shù)和銅厚等的限制，無法通過大電流，只能應(yīng)用于小電流、小功率的場合。因此，如何在減小體積和高度的同時，使平面變壓器能夠傳輸較大的電流和功率是一個重要的研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種大電流平面變壓器，具體涉及一種高效率、小體積、低高度、大電流的平面變壓器解決方案。本發(fā)明一般集成在開關(guān)電源的PCB板上，作為開關(guān)電源中的功率傳輸變壓器。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種大電流平面變壓器包括磁芯和繞組，磁芯有兩個，安裝在PCB板上，磁芯柱穿過所述PCB板，分為上磁芯柱、下磁芯柱，繞組由PCB板上的導(dǎo)電圖案形成；繞組包括原邊繞組、副邊功率繞組、副邊信號繞組，其特征在于所述原邊繞組由兩個線圈并聯(lián)而成，這兩個線圈的其中一些匝數(shù)環(huán)繞兩個磁芯的上磁芯柱，另一些匝數(shù)環(huán)繞其中一個磁芯的上磁芯柱；副邊功率繞組有四組，每組由多個僅有一匝的線圈并聯(lián)而成，環(huán)繞其中一個磁芯的上磁芯柱。原邊繞組的其中一個線圈的某些匝數(shù)、副邊功率繞組中的其中兩個繞組的全部匝數(shù)環(huán)繞一個磁芯的上磁芯柱，副邊信號繞組中的一個繞組的全部匝數(shù)環(huán)繞這個磁芯的下磁芯柱；原邊繞組的另一個線圈的某些匝數(shù)、副邊功率繞組中的另外兩個繞組的全部匝數(shù)環(huán)繞另外一個磁芯的上磁芯柱，副邊信號繞組中的另一個繞組的全部匝數(shù)環(huán)繞這個磁芯的下磁芯柱。對于圍繞在同一個磁芯的上磁芯柱的兩個副邊功率繞組，其中一個繞組的同名端與另一個繞組的非同名端相連。PCB板是多層PCB板，PCB板上打有與磁芯柱形狀吻合的孔；磁芯左右向放置，兩個磁芯橫向地排列在PCB板上；PCB板在縱向上被磁芯分為兩部分，原邊繞組和副邊功率繞組一側(cè)的部分是功率電路部分，信號繞組一側(cè)的部分是信號電路部分。所述原邊繞組、副邊功率繞組、副邊信號繞組分別設(shè)置在不同的PCB層上，且每個繞組包括的PCB層數(shù)不止一層；圍繞在同一個磁芯的不同繞組線圈循環(huán)交錯地排列。所述磁芯是CI型磁芯，它包括一個有兩個磁芯柱、一個底面的部分和只有一個底面的部分。具體的，所述大電流平面變壓器的磁芯包括兩個相同形狀的第一磁芯和第二磁芯，所述第一磁芯和第二磁芯均包括兩個磁芯柱和兩個底面，兩個磁芯柱與兩個底面垂直， 兩底面之間夾有多層PCB板，兩個磁芯柱分別穿過多層PCB板上的通孔；所述第一磁芯和第二磁芯左右放置，磁芯柱橫向排列，第一磁芯的上磁芯柱和第二磁芯的上磁芯柱位于一橫排，第一磁芯的下磁芯柱和第二磁芯的下磁芯柱位于一橫排。所述繞組為印制在多層PCB板上的線圈，所述繞組包括原邊繞組和副邊功率繞組。原邊繞組由兩個線圈組成，這兩個線圈其中的一些匝數(shù)同時環(huán)繞第一磁芯和第二磁芯的上磁芯柱，另一些匝數(shù)環(huán)繞第一磁芯或第二磁芯的上磁芯柱。兩個線圈在應(yīng)用時必須并聯(lián)。副邊功率繞組有四組，包括第一副邊功率繞組、第二副邊功率繞組、第三副邊功率繞組和第四副邊功率繞組。第一副邊功率繞組與第二副邊功率繞組環(huán)繞第一磁芯的上磁芯柱， 第三副邊功率繞組和第四副邊功率繞組環(huán)繞第二磁芯的上磁芯柱。第一副邊功率繞組、第二副邊功率繞組、第三副邊功率繞組和第四副邊功率繞組的兩端為第一端和第二端，這四個繞組的第一端互為同名端。第一副邊功率繞組的第二端、第二副邊功率繞組的第一端、第三副邊功率繞組的第二端和第四副邊功率繞組的第一端連接到一起。所述繞組的線圈分別設(shè)置在多層PCB板不同的層上，每個繞組包括的層數(shù)不止一層，不同繞組的線圈在多層PCB板各層上交錯排列。每組副邊功率繞組由多個僅有一匝的線圈并聯(lián)而成。所述繞組還包括副邊信號繞組，副邊信號繞組環(huán)繞在第一磁芯的下磁芯柱或第二磁芯的下磁芯柱。本發(fā)明的有益效果在于(1)采用了多層的PCB上的導(dǎo)電金屬圖案作為原邊和副邊繞組，直接嵌入磁芯形成功率變壓器，大大縮小了變壓器的體積，減輕了變壓器重量。(2) 副邊繞組由多個線圈并聯(lián)而成，大大增加了變壓器的通流能力，使變壓器能夠承受較大的電流。(3)功率繞組和信號繞組分別纏繞在不同的磁芯柱上，把PCB板上的功率電路部分和信號電路部分隔離開，避免了相互干擾。


圖1為本發(fā)明的電路示意圖及本發(fā)明在LLC諧振軟開關(guān)的全橋整流電路中的應(yīng)用示意圖2為本發(fā)明的PCB板圖； 圖3為本發(fā)明的磁芯和繞組的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，根據(jù)一個具體的實(shí)施例子對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。在本實(shí)例中，本發(fā)明應(yīng)用在電源模塊中的諧振軟開關(guān)全橋整流輸出部分，如圖1所示。本發(fā)明包括磁芯和線圈繞組。磁芯有兩個，把PCB板上的電路分為上下兩部分，上面為功率電路部分，下面為信號電路部分，如圖2所示。為方便表述，將圖1各繞組按標(biāo)記稱為第一線圈1、第二線圈 2，第一副邊功率繞組3、第二副邊功率繞組4、第三副邊功率繞組5、第四副邊功率繞組6、第一信號繞組7、第二信號繞組8。如圖1所示，線圈繞組包括一組原邊繞組，它由兩個第一、第二線圈1、2在諧振電路中并聯(lián)組成，每個線圈包括了若干匝繞線，并聯(lián)線圈的電流方向必須相同；第一副邊功率繞組3、第二副邊功率繞組4、第三副邊功率繞組5、第四副邊功率繞組6，每一組都由許多個僅有一匝繞線的線圈并聯(lián)組成。這些原邊和副邊的繞組纏繞在兩個磁芯的上磁芯柱上。原邊繞組的繞線的方式是大小圈結(jié)合，通過大圈和小圈的配置，使第一線圈1和第二線圈2的激勵都傳遞到了副邊的所有繞組，但是這種傳遞又是有側(cè)重的。線圈在哪一個磁芯的上多繞了一個小圈，線圈中的激勵就更多地傳遞到繞在該磁芯的副邊功率繞組上。在本實(shí)例中， 線圈1就由兩個大圈和一個纏繞在第一磁芯10的小圈組成，第二線圈2就由兩個大圈和一個纏繞在第二磁芯11的小圈組成。其中第一線圈1的小圈、第一副邊功率繞組3、第三副邊功率繞組5、第一信號繞組7纏繞在第一磁芯10的上磁芯柱上；第二線圈2的小圈、第二副邊功率繞組4、第四副邊功率繞組6、第二信號繞組8纏繞在第二磁芯11的上磁芯柱上；第一線圈1、第二線圈2的大圈纏繞在兩個磁芯的上磁芯柱上。副邊功率繞組有四個，它們是第一副邊功率繞組3、第二副邊功率繞組4、第三副邊功率繞組5、第四副邊功率繞組6，其中兩個繞組的同名端和另外兩個繞組的非同名端兩兩相連，即第一副邊功率繞組3的同名端，第三副邊功率繞組5的同名端，第三副邊功率繞組4的非同名端，第四副邊功率繞組6的非同名端共同連到點(diǎn)9，見圖1。在圖1所示的應(yīng)用中，點(diǎn)9接到輸出的正端，第一副邊功率繞組3、第二副邊功率繞組4、第三副邊功率繞組 5、第四副邊功率繞組6其他四個端子分別通過第一、第二、第三、第四四個開關(guān)16、17、18、 19連到輸出負(fù)端。第一開關(guān)16和第三開關(guān)18為一組，第二開關(guān)17和第四開關(guān)19為另外一組，一組開關(guān)閉合時，另一組開關(guān)斷開。第一副邊功率繞組3、第二副邊功率繞組4和第三副邊功率繞組5、第四副邊功率繞組6的繞行方向相反。副邊繞組的線圈都是小圈，在本實(shí)例中圈數(shù)為一圈。每個繞組都可以由多個線圈并聯(lián)組成，以增加通流能力。例如在本實(shí)例中，第一副邊功率繞組3、第三副邊功率繞組5由4個線圈并聯(lián)組成，第二副邊功率繞組4、 第四副邊功率繞組6由3個線圈并聯(lián)組成。
上述這些原邊和副邊的繞組都是功率繞組，它們纏繞在兩個磁芯的上磁芯柱上。 每匝繞線的纏繞方法有大圈和小圈兩種，如圖3所示，小圈的環(huán)路圍繞其中一個磁芯的上磁芯柱；大圈的環(huán)路同時圍繞兩個磁芯的上磁芯柱。原邊繞組的纏繞方式是大小圈結(jié)合，每個原邊繞組的若干匝繞線中一些匝數(shù)采用大圈方式纏繞，另一些匝數(shù)采用小圈方式纏繞； 副邊功率繞組每一組的每一個線圈都是小圈方式纏繞的。除了上面說到的這些傳輸功率的繞組外，還包括第一信號繞組7、第二信號繞組8，纏繞在兩個磁芯的下磁芯柱上，它們的作用是給信號電路部分供電。不同性質(zhì)的繞組在PCB板的各層上循環(huán)交錯排列，即某一層屬于某種性質(zhì)的繞組線圈，下一層必屬于另外一種，各種性質(zhì)的繞組線圈循環(huán)地排列。本發(fā)明中采用的磁芯是CI型磁芯，通過專用的磁芯膠水粘合。每個磁芯包括一個有兩個磁芯柱和一個底面的部分和只有一個底面的部分，這兩個部分的底面呈圓角矩形， 磁芯柱的截面是兩端為圓頭的長條形。線圈繞組由多層PCB板上各層的導(dǎo)電線圈形成。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式是在一塊多層的PCB板15上，打上與磁芯柱形狀吻合的孔 20，圍繞孔20在PCB板15的各層上印制導(dǎo)電線圈的金屬圖案，需要連接的地方通過過孔連接，在孔當(dāng)中嵌入磁芯柱，使PCB板15上各層的導(dǎo)電線圈通過閉合的磁芯耦合起來。圖3表示了本發(fā)明的磁芯的形狀。本發(fā)明采用的是嵌入板中的CI磁芯，而沒有采用整體地覆蓋在板子上的EI磁芯，因?yàn)檫@樣體積較小，而且方便將板上電路的功率部分和信號部分隔離開來，避免產(chǎn)生干擾，尤其是避免了電壓和電流較大的功率部分對信號部分的干擾，使信號電路能正常工作，產(chǎn)生正確的控制信號。圖3還表示了有大圈和小圈兩種纏繞方式。小圈如圖3中的線圈12和13 ；大圈如圖3中的線圈14。圖2表示了本發(fā)明的PCB板的形狀。本發(fā)明的兩個磁芯，第一磁芯10和第二磁芯 11，左右向放置，橫向地排列在PCB板15上。磁芯柱橫向排列，第一磁芯10的上磁芯柱和第二磁芯11的上磁芯柱位于一橫排，第一磁芯10的下磁芯柱和第二磁芯11的下磁芯柱位于一橫排。PCB板15上半部分是功率電路，下半部分是信號電路。傳輸功率的繞組都繞在上面的磁芯柱上，而傳輸信號的繞組就纏繞在下面的磁芯柱上。磁芯可以使用錳鋅鐵氧體制造，也可以根據(jù)磁導(dǎo)率、飽和磁通密度等指標(biāo)的具體要求由其他材料制造。磁芯的粘和處可以留有一定的氣隙?？梢愿鶕?jù)電路所需的變壓器原邊和副邊電感值，決定粘合的緊密程度。本發(fā)明中使用的PCB板是多層的PCB板，具體層數(shù)由需要決定。層與層的間距較小時，漏感較小但寄生電容較大，絕緣性也差；層與層的間距較大時，絕緣性好，寄生電容小而漏感卻較大，因此必須較好地選定層間距(比如lOOum)。由于承受的電流較大，板子上覆銅的厚度要足夠(比如lOOum)，不能太?。欢矣捎诖箅娏飨翽CB板的發(fā)熱量比較大，最好選用導(dǎo)熱性好或耐高溫的PCB板材料(比如高Tgl70)。各繞組的導(dǎo)電線圈的圖案必須圍繞孔布置，通過過孔互聯(lián)，形成閉合的環(huán)路。導(dǎo)電線圈的圖案可以是矩形的，如圖3所示，也可以是其他形狀。用于傳輸功率的原邊繞組和副邊功率繞組各層的導(dǎo)電圖案的要大體相似，覆銅的寬度必須比較寬(比如70mil)，這樣才能滿足通過大電流的需要。副邊信號繞組通常只環(huán)繞其中一個磁芯的下半部分，它的走線可以比較細(xì)。為了減小干擾和寄生效應(yīng)，各種性質(zhì)不同的繞組通常循環(huán)交錯排列，以保證同性質(zhì)的繞組相隔的距離較遠(yuǎn)。例如在本實(shí)例中，第一線圈1的大圈位于第二、第六層，小圈在第十層環(huán)繞磁芯10 ；第二線圈2的大圈位于第四、八層，小圈在第十層環(huán)繞磁芯11 ；第一副邊功率繞組3、第三副邊功率繞組5分別環(huán)繞第一、第五、第九、第十二層的磁芯10和磁芯 11的上磁芯柱；第二副邊功率繞組4、第四副邊功率繞組6分別環(huán)繞第三、第七、第十一層的磁芯10和磁芯11的上磁芯柱；第一信號繞組7、第二信號繞組8分別環(huán)繞第十三層的磁芯 10和磁芯11的下磁芯柱。平面變壓器的匝數(shù)比通過設(shè)定原邊和副邊的線圈匝數(shù)來設(shè)定。例如在本實(shí)例中， 由上面的敘述可知，原邊的電流在每個磁芯的上磁芯柱環(huán)繞了 5周，副邊的并聯(lián)總電流在每個磁芯的上磁芯柱環(huán)繞了 1周，匝數(shù)比為5 :1。也可以根據(jù)需要設(shè)定其它的匝數(shù)比。本實(shí)例中的變壓器，可以看成由第一磁芯10和第一線圈1、第一副邊功率繞組3、 第二副邊功率繞組4、第一信號繞組7組成的一個變壓器，和第二磁芯11、第二線圈2、第三副邊功率繞組5、第四副邊功率繞組6組成的另一個變壓器，通過第一線圈1和第二線圈2 的串聯(lián)和第一副邊功率繞組3、第二副邊功率繞組4、第三副邊功率繞組5、第三副邊功率繞組6共同連接到點(diǎn)9構(gòu)成的平面變壓器。第一副邊功率繞組3和第二副邊功率繞組4可以視為一個繞組，第三副邊功率繞組5和第三副邊功率繞組6可以視為一個繞組，點(diǎn)9是中心抽頭。通過上述設(shè)計(jì)，本實(shí)例中的平面變壓器在每個變壓器15mmX6mm (兩個橫向排列 30mmX6mm)的大小的面積上，實(shí)現(xiàn)了 25A的電流輸出，并且高度很小，小于6. 5mm。
權(quán)利要求
1.一種大電流平面變壓器，包括磁芯和繞組，其特征是所述磁芯包括兩個相同形狀的第一磁芯(10)和第二磁芯(11 )，所述第一磁芯(10)和第二磁芯(11)均包括兩個磁芯柱和兩個底面，兩個磁芯柱與兩個底面垂直，兩底面之間夾有多層PCB板(15)，兩個磁芯柱分別穿過多層PCB板(15)上的通孔(20)；所述第一磁芯(10)和第二磁芯(11)左右放置，磁芯柱橫向排列，第一磁芯(10)的上磁芯柱和第二磁芯(11)的上磁芯柱位于一橫排，第一磁芯(10)的下磁芯柱和第二磁芯(11)的下磁芯柱位于一橫排；所述繞組為印制在多層PCB板(15)上的線圈，所述繞組包括原邊繞組和副邊功率繞組；原邊繞組由兩個線圈組成，這兩個線圈其中的一些匝數(shù)同時環(huán)繞第一磁芯(10)和第二磁芯(11)的上磁芯柱，另一些匝數(shù)環(huán)繞第一磁芯(10)或第二磁芯(11)的上磁芯柱，兩個線圈在應(yīng)用時須并聯(lián)；副邊功率繞組有四組，包括第一副邊功率繞組(3)、第二副邊功率繞組 (4)、第三副邊功率繞組(5)和第四副邊功率繞組(6)，其中第一副邊功率繞組(3)與第二副邊功率繞組(4)環(huán)繞第一磁芯(10)的上磁芯柱，第三副邊功率繞組(5)和第四副邊功率繞組(6)環(huán)繞第二磁芯(11)的上磁芯柱；第一副邊功率繞組(3)、第二副邊功率繞組(4)、第三副邊功率繞組(5)和第四副邊功率繞組(6)的兩端為第一端和第二端，這四個繞組的第一端互為同名端；第一副邊功率繞組(3)的第二端、第二副邊功率繞組(4)的第一端、第三副邊功率繞組(5)的第二端和第四副邊功率繞組(6)的第一端連接到一起。
2.如權(quán)利要求1所述大電流平面變壓器，其特征是繞組的線圈分別設(shè)置在多層PCB板 (15)不同的層上，每個繞組包括的層數(shù)不止一層，不同繞組的線圈在多層PCB板(15)各層上交錯排列。
3.如權(quán)利要求1所述大電流平面變壓器，其特征是每組副邊功率繞組由多個僅有一匝的線圈并聯(lián)而成。
4.如權(quán)利要求1所述大電流平面變壓器，其特征是所述繞組還包括副邊信號繞組，副邊信號繞組環(huán)繞在第一磁芯(10)的下磁芯柱或第二磁芯(11)的下磁芯柱。
全文摘要
本發(fā)明是一種平面變壓器，特別是指制作在多層印刷電路板(PCB)上的大電流平面變壓器。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括磁芯和線圈繞組。本發(fā)明涉及到平面變壓器的磁芯形狀、線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和纏繞方法，其特征在于初級繞組由環(huán)繞兩個磁芯的大圈和環(huán)繞一個磁芯的小圈串聯(lián)組成，次級繞組由多個線圈并聯(lián)組成，各種不同的繞組在PCB的各層上循環(huán)交錯排列，信號繞組與功率繞組繞在不同的磁芯柱上。本發(fā)明提供了一種小體積，低高度，大電流的平面變壓器解決方案。本發(fā)明一般集成在開關(guān)電源的PCB板上，作為開關(guān)電源中的功率傳輸變壓器。
文檔編號H01F27/28GK102360852SQ201110174500
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月25日
發(fā)明者何穎, 張又丹, 易峰, 李蕾蕾, 郭海平 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所