CN101299378A - 柔性磁材料用于制备印刷电路板变压器磁芯的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用柔性磁材料的PCB变压器，以及该新型PCB变压器的制备。该采用柔性磁材料的PCB变压器的结构特征在于：(1)采用具有较高磁导率的柔性导磁材料构成PCB变压器的磁芯，磁芯材料可以为电工纯铁、参杂改进磁材料或其他新型磁材料；(2)磁芯结构可采用多芯长磁线结构；(3)磁芯结构可采用磁编织带结构；(4)磁芯结构也可采用薄膜层状柔性磁带结构；(5)PCB变压器的磁芯和线圈采用矩阵结构。将柔性导磁材料和PCB变压器设计相结合，同时PCB变压器磁芯和线圈采用矩阵设计方案，以实现减少变压器体积，降低变压器成本和PCB板层数。

Description

柔性磁材料用于制备印刷电路板变压器磁芯的应用

技术领域

本发明属于变压器领域，涉及一种新型平面型变压器的制备，特别涉及柔性磁材料用于制备印刷电路板变压器磁芯的应用。

背景技术

平面型PCB(印刷电路板)变压器是广泛应用于PCB电路中的电磁器件，其性能的优劣直接影响到电路的工作品质。PCB变压器将变压器设计与PCB设计集成，其在功率密度、体积和电磁辐射方面有着很大优势，具有剖面低、效率高、高电压、高电流、低漏感等显著特点，因此在笔记本电脑、数码相机、数字化电视、通信电源、汽车电子等领域应用广泛。为了提高PCB变压器的性能，相关研究人员作了大量研究工作，目前PCB研究普遍关注的研究热点中包括如下几点：(1)寻找薄PCB绝缘基材和厚铜箔的PCB，满足绕组的多层和低高度要求；(2)研究大电流情况下铜箔的发热对铜箔与绝缘基材分层的影响；(3)为保证绝缘的可靠性，多层PCB布板的绝缘距离设计；(4)PCB绕组设计和热损耗分析。上述研究主要是从绕组设计、发热特性、绝缘特性等方面入手提高PCB变压器的性能。

分析PCB变压器的现状，可知目前PCB变压器有下述不足之处：

目前的PCB变压器主要分为无磁芯PCB变压器和有磁芯PCB变压器两大类。无磁芯PCB变压器主要用于电力电子开关(如MOSFET)的隔离驱动，其功率较小。有磁芯的PCB变压器主要用于功率较大的使用场合，如用于高频(50kHz～2MHz)开关电源。在目前的技术条件下，考虑导磁材料的发热特性，高频PCB变压器的导磁材料采用铁氧体，工作点的磁通密度较低，因而限制了PCB变压器向小体积和高功率密度的进一步发展，不利于PCB变压器的技术提高。另一方面，有磁芯PCB变压器的单层线圈匝数较少，若需增加线圈匝数就要增加PCB板层数，在有些应用情况下PCB板的层数可达16层，导致PCB板的成本较高，不利于产业化应用。再次，现有的PCB变压器磁芯结构多采用E型或U型结构，磁芯结构也较单一，不利于PCB变压器的整体结构创新设计，限制了PCB变压器结构的灵活性和新型PCB变压器的快速发展。

以下是发明人给出的参考文献。

【1】Wei Chen，Yipeng Yan，Yuequan Hu.Model and Design of PCBParallel Winding for Planar Transformer，IEEE Trans.On Magnetics，2003，39(5)，pp3202-3204。

【2】杨玉岗，李洪珠.平面型高频PCB变压器材料和结构工艺，辽宁工程技术大学学报，2004，23(3)，pp351-353。

【3】毛行奎，陈为.开关电源高频平面变压器并联PCB线圈交流损耗建模及分析，中国电机工程学报，2006，26(22)，ppl67-173。

【4】D.M.Stubbs.A.J.Wilkinson，S.H.Pulko.Sensitivity of embeddedcomponent temperature to PCB structure and heat transfer coefficient，IEE Proc.Circuits Devices Syst.2003，150(1)，pp73-77。

【5】S.C.Tang，S.Y.Hui，Henry Shu-Hung Chung.Coreless PlanarPrinted-Circuit-Board(PCB)Transformers-A Fundamental Concept for Signaland Energy Transfer，IEEE Trans.On Power Electronics，2000，15(5)，pp931-941。

【6】Johannes Horn，Meik Huber，Georg Boeck.Wideband Balun andImpedance Transformers Integrated in a Four-Layer Laminate PCB，2005European Microwave Conference，2005，vol(1)，pp1-3。

发明内容

综合目前PCB变压器的现状，可从下述两方面入手进一步提高PCB变压器的技术和经济性能。

(1)采用新的导磁材料，提高PCB变压器磁芯的导磁性能和工作磁密，同时抑致磁芯的涡流损耗，进一步提高PCB变压器的功率密度，降低体积。

(2)从结构设计入手，采用新型磁芯结构和新型PCB变压器，降低PCB板层数，降低成本。

基于上述思想，为了进一步提高变压器的功率密度，促进变压器小型化的进步，同时促进变压器新型结构的出现和发展，提高变压器设计的灵活性，降低PCB变压器的成本，本发明的目的在于，提供柔性磁材料用于制备印刷电路板变压器磁芯的应用，采用新型柔性导磁材料作为PCB变压器的磁芯，能够进一步提高变压器功率密度，减少变压器体积。同时该PCB变压器采用矩阵结构的磁芯结构设计，有助于降低PCB板成本，促进PCB变压器的普及和应用。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

将新型柔性导磁材料应用于制备PCB变压器的磁芯，同时PCB变压器的磁芯采用矩阵结构，PCB线圈也采用矩阵结构设计，制备的PCB变压器包括下列特点：

1)采用新型柔性导磁材料构成PCB变压器的磁芯

(1)磁芯由较高磁导率的导磁材料构成，磁芯材料可以为电工纯铁、参杂改进磁材料或其他新型磁材料；

(2)磁芯结构可采用多芯长磁线结构，即选用线经为数十微米到毫米级(如0.05mm～1mm)的柔性细长磁线材料，以多根(如数十到数百根)直接集结成束，构成多芯长磁线结构。

(3)磁芯结构可采用磁编织带结构，即选用线经为数十微米到毫米级(如0.05mm～0.5mm)的柔性磁材料，以多根进行相互铰接，或以多根相互编织，连接成带状结构。

(4)磁芯结构也可采用薄膜层状柔性磁带结构，即可选用厚度为毫米级(如0.1～0.3mm)的薄膜层状柔性磁材料，以多层进行松散层叠，构成层状柔性磁带结构。

(5)柔性磁材料既具有较高的导磁性能，工作点的磁通密度较高，同时又具有良好的机械变形能力，机械柔韧性好，适合做成各种磁芯结构。

2)PCB变压器的磁芯和线圈采用矩阵结构

该PCB变压器的磁芯和线圈采用矩阵结构设计方案，矩阵结构的磁芯形成自然闭合结构，构成变压器主磁通闭合回路。原边线圈和副边线圈在PCB板上围绕矩阵结构磁芯绕线，通过PCB布线分别形成各自电路回路。

目前提高PCB电路设计的整体品质，开发更高性能、更小体积的PCB电路，在我国有着巨大的技术前景和现实需求。PCB电路电源中的变压器，普遍体积较大，制约着PCB电路的进一步小型化发展。采取技术措施开发新结构、新性能的PCB电磁元件，提高PCB电路中变压器的性能，减小变压器体积和成本，提高功率密度，是PCB电路小型化研究的重要内容之一。本发明提出的采用柔性导磁材料的PCB变压器，采用了新的技术思路，将柔性导磁材料和PCB变压器设计相结合，具有更加鲜明的技术优点，其优越性主要体现在：

1.PCB变压器体积更小：由于相较于PCB变压器普遍采用的铁氧磁芯，柔性PCB变压器的磁芯工作点磁密提高，同时在结构设计和材料选用上采取措施一致热损耗，因此可以进一步降低变压器体积。

2.PCB变压器成本更低：由于采用矩阵结构设计方案，相较于E型或U型磁芯的铁氧体PCB变压器，本发明提出的PCB变压器电路板层数大幅度降低，因而电路板成本可降低，促进PCB变压器的普及。

3.促进新型结构创新：该PCB变压器采用的柔性导磁材料，既具有机械变形能力，又具有高导磁率，柔性导磁材料易于设计成各种磁芯结构，可提高PCB磁元件的设计灵活性和结构多样性，开发各种新型结构的PCB变压器和PCB磁元件，促进新型结构创新，进而促进PCB电路的设计和应用水平。

附图说明

图1是多芯长磁线结构柔性导磁材料简图；

图2是磁编织带结构柔性导磁材料简图；

图3是薄膜层状结构柔性导磁材料简图；

图4是磁芯和线圈采用矩阵结构的PCB变压器简图，图中的符号分别表示为：1为变压器磁芯，2为变压器副边线圈，3为变压器原边线圈。

以下结合附图和技术方案的原理及发明人给出的实施例，对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

依照本发明的技术方案，采用柔性磁材料的PCB变压器，实现的结构如下：

1)采用柔性导磁材料构成PCB变压器的磁芯

(1)磁芯由较高磁导率的柔性导磁材料构成，磁芯材料可以为电工纯铁、参杂改进磁材料或其他新型磁材料；

(2)磁芯结构也可采用多芯长磁线结构，即选用线经为数十微米到毫米级的柔性细长磁线材料，以多根直接集结成束，构成多芯长磁线结构。

(3)磁芯结构可采用磁编织带结构，即选用线经为数十微米到毫米级的柔性磁材料，以多根进行相互铰接，或以多根相互编织，连接成带状结构。

(4)磁芯结构也可采用薄膜层状柔性磁带结构，即可选用厚度为毫米级及以下的薄膜层状柔性磁材料，以多层进行松散层叠，构成层状柔性磁带结构。

(5)柔性磁材料既具有较高的导磁性能，工作点的磁通密度较高，同时又具有良好的机械变形能力，机械柔韧性好，适合做成各种磁芯结构。

2)PCB变压器的磁芯和线圈采用矩阵结构

该PCB变压器的磁芯和线圈均采用矩阵结构，矩阵结构的磁芯形成自然闭合结构，构成变压器主磁通闭合回路。原边线圈和副边线圈在PCB板上围绕矩阵结构磁芯绕线，通过PCB布线分别形成各自电路回路。

5.1技术方案总体思路

PCB变压器在电路中有着良好的应用前景，提高PCB变压器的设计水平，降低其体积和成本，开发新型结构和优良性能的PCB变压器，提高其技术和经济性能，对提高PCB电路和电子设备的整体品质有着重要意义，在我国有着良好的现实需求和产业前景。本发明提出的采用柔性导磁材料的PCB变压器，采用新的技术思路，在现有技术基础上形成PCB变压器的新结构和新的设计方法，其技术上的独特优势主要体现在：①通过提高磁芯导磁性能和工作点的磁通密度，进一步降低变压器的体积，提高功率密度；②通过采用矩阵结构，降低PCB板层数，降低成本。

1)采用柔性导磁材料提高磁芯工作磁密，降低PCB变压器体积

总结现有各种交直流电磁设备中由软磁材料构成的导磁磁芯的设计方法和结构特点，可为新型PCB变压器的设计提供借鉴和指导。众所周知，电磁设备中提供磁通流通路径的磁芯的设计须解决两个方面的问题，其一是导磁材料的磁性能和工作点磁密的选择，其二导磁磁芯的热性能，即磁芯中热量产生和散热的问题，上述两个方面的问题及其解决方案和相应磁芯的结构都与电磁设备的工作频率紧密相关。对于直流电磁设备，由于稳定工作时导磁磁芯中没有涡流损耗和磁滞损耗(称为铁耗)，所以导磁磁芯中热量的产生及其散热问题对于直流磁路的设计和运行不存在困扰，磁芯常采用导磁性能高的电工纯铁，铁芯形状也多采用块状。对于运行于工频的电磁设备(如变压器、电机和开关设备中的电磁操作机构)，为了解决涡流损耗和磁滞损耗产热和散热的问题，磁芯结构多采用叠片结构以抑制涡流产热，导磁材料也采用与直流电工纯铁不同的硅钢片。

同直流和工频电磁设备不同，分析目前的PCB变压器的磁芯及其特点，可知目前的PCB变压器为了提高功率密度，采用的方法是提高变压器的工作频率(50kHz～2MHz)，但由此也带来了其他的技术负面影响，限制了PCB变压器性能的进一步改善。在目前的工作频率下，PCB变压器已比绕线式变压器的功率密度大大提高，体积大为减小，获得了一定的技术上的优势和成功。但是由于工作频率的提高，为了抑制在高频下急剧增高的涡流效应及其产热，现有PCB变压器普遍采用了铁氧体磁芯，其原因是铁氧体材料的电阻率较高，可以有效抑制在磁芯中感应出的涡流电流，但其带来的问题是铁氧体磁材料的工作点磁通密度较低，在一定的工作磁通下，磁芯的工作截面较大，磁芯的体积也较大。因此如果可以采取有效地技术措施，在高频工作条件下，采用新的磁芯结构和新的导磁材料，在不降低导磁性能和工作点磁通密度的情况下，有效抑制涡流，减少热损耗在可接受的范围内，则必将进一步减少PCB变压器的体积，提高功率密度，带来技术上的新的增长点和技术创新。

根据上述对PCB变压器现有技术的分析和技术增长点的展望，本发明采用柔性磁材料代替铁氧体，用作PCB变压器的导磁磁芯，同原有铁氧体磁芯相比，其优势点之一，主要是可提高在高频下导磁材料的工作磁通密度，进而可缩小磁芯的体积和PCB变压器的体积，提高功率密度，提高PCB变压器的集成度。同现有块状铁氧体磁芯采用增加电阻率以抑制涡流损耗的方法不同，本发明柔性PCB变压器抑制涡流采用的方法，首先是在导磁磁芯结构上，采取与直流块状磁芯和低频交流叠片磁芯不同的磁芯结构。本发明的磁芯采用的磁芯可分为下述几种。(1)磁芯结构采用磁编织带结构，基本导磁单元式是相互间绝缘的细长柔性线性磁材，以多根进行相互铰接和相互编织，连接成带状结构。(2)磁芯结构也可采用多芯长磁线结构，基本导磁单元式是相互间绝缘的细长柔性线性磁材，以多根直接集结成束，构成多芯长磁线结构。(3)磁芯结构也可采用薄膜层状柔性磁带结构，基本导磁单元式是相互间绝缘的柔性薄膜层状磁材，以多层进行松散层叠，构成层状柔性磁带结构。

同常规直流块状铁芯和工频叠片铁芯不同，本发明提出的柔性导磁材料，其基本导磁单元中涡流电流的流通路径尺寸极小，可从磁芯结构入手更大程度的抑制涡流电流及其热效应，在提高高频下磁芯导磁性能的情况下，也解决高频下涡流及其产热急剧增加所导致的磁芯不能正常工作的问题。

本发明提出的柔性磁材料PCB变压器，除采用从结构入手抑制涡流外，还可结合常规方法中增加电阻率抑制涡流的方法，从柔性磁材料的材料选择入手，选用较高电阻率的柔性磁材料构成PCB变压器磁芯。

2)柔性导磁磁芯和线圈设计采用矩阵结构，降低PCB变压器层数和成本

综合现有的PCB变压器特点，可知在线圈匝数和PCB板层数较多的情况下，PCB变压器的成本较高，这也是制约PCB变压器大规模应用的一个经济方面的因素。在某些应用下当PCB变压器的设计要求变压器线圈匝数较多时，在现有E型或U型结构变压器磁芯结构下，为了增加线圈匝数，研究人员普遍采用的方法是增加PCB板层数，PCB板的层数可达12～16层，而层数的增加必然导致变压器成本的快速增加。

在目前的技术条件下，增加线圈匝数、增加PCB板层数和磁芯结构三者之间到底存在怎样的关系？增加线圈匝数必然采取增加PCB板层数的方法吗？能否改变现有磁芯结构，在增加线圈匝数时仍然采用较低的PCB板层数？

基于对上述问题的思考，本发明采用的方法，是结合柔性导磁材料，变压器磁芯和线圈采用矩阵设计结构。PCB变压器的磁芯采用柔性导磁材料，利用柔性导磁材料较好的机械变形能力和机械柔韧性，具有很好的结构灵活性特型，磁芯采用矩阵结构(如2×2矩阵)，磁芯依次从PCB板底层和顶层间的空心孔穿过，且形成闭合磁路，变压器原边和副边线圈电流激励感应的主磁通在矩阵结构的磁芯中流通。原边和副边线圈首先围绕矩阵磁芯中的单个磁芯基本单元绕线，形成围绕磁芯单元的PCB线圈组，然后各个围绕单个磁芯的线圈组根据电势相加的原则连接，分别形成相互独立的原边和副边线圈，从线圈整体结构看，各个线圈组也是矩阵结构。同原U型或E型结构PCB变压器相比，采用矩阵结构的柔性PCB变压器，可降低PCB板层数和成本，更利于PCB变压器的普及应用。

5.2工作原理

1)PCB变压器磁芯采用柔性导磁材料

本发明制备的PCB变压器磁芯采用柔性导磁材料，可分为多芯长磁线结构、磁编织带结构和薄膜层状结构柔性导磁材料。

PCB变压器磁芯采用柔性导磁材料，由于柔性磁材料结构的高度灵活性，磁芯具体结构多种多样，甚至可高达数百种，在此本发明以三种主要类型的柔性导磁材料结构说明。柔性导磁材料可选择电工纯铁、新型磁材料及参杂改进磁材料等构成。多芯长磁线结构柔性导磁材料磁芯如图1所示，图1(a)中显示了简单集束结构的多芯长磁线结构柔性导磁材料磁芯，采用线径为0.1mm或0.05mm(或其它线经)的单根柔性导磁线材构成，最内层为1根柔性磁线材，第二层为6根柔性磁线材，第三层为12根柔性磁线材，第四层为18根柔性磁线材，第二、三、四以第一层为圆心成对称分布。根据实际需要，还可任意增加层数。上述多根柔性导磁线材沿长度方向(磁通流通的方向)发生一定度数(如0~45度)的扭转，单根磁线材在空间呈螺旋结构。图1(b)中显示了具有嵌套集束结构的多芯长磁线结构柔性导磁材料磁芯，其基本导磁单元也采用线径为0.1mm或0.05mm的单根柔性导磁线材，首先由7根基本导磁单元构成图1(a)所示的简单集束结构，其最内层为一根磁线材，第二层为6根磁线材。然后由这7根导磁线材构成的集束结构作为1股柔性导磁结构，由4股该简单集束磁结构按照图1(a)所示方法再次进行螺旋集束，构成具有嵌套结构的多芯长磁线结构柔性导磁材料磁芯，根据需要单股集束结构的线材长磁线数目和股数可以任意组合。

磁编织带结构柔性导磁材料磁芯如图2所示。图2中显示简单的经纬编织方法的磁编织带结构，基本导磁单元采用线径为0.1mm或0.05mm或0.2mm(或其它线经)的单根柔性导磁线材，沿磁编织带长度方向(经向)，以波浪线形状编织的第1、3、5(奇数线材)根导磁线材和第2、4、6(偶数线材)根导磁线交替错开一个波峰(或波谷)，沿磁编织带宽度方向(纬向)的磁线材从错开的经向线材波峰波谷形成的空隙中穿过，相邻的纬向线材间呈s型将彼此依次连接起来。图中的经纬向磁线材可以是线径为0.1mm(或0.05mm、0.2mm)的单根基本导磁单元，也可以是如图2中所示的由7(或其它数量)根基本导磁单元构成的一股多芯导磁结构。由于编织方法的复杂性，上述磁编织带结构仅给出了简单的一种编织连接关系，根据实际需要还可任意组合变化。

薄膜层状导磁带结构柔性导磁材料磁芯如图3所示。图3中显示了一种简单的薄膜层状导磁带结构，基本导磁单元采用厚度为0.1mm或0.05mm(或其它厚度)的单层柔性导磁薄膜，沿导磁带厚度方向，20(或其它数目)层基本导磁单元依次相邻，层间薄膜状基本导磁单元不固接，层与层之间薄膜可以散开。上述层状导磁薄膜结构在厚度宽度长度方向可根据需要任意组合变化。

2)柔性PCB变压器导磁磁芯和线圈设计采用矩阵结构

本发明制备的柔性PCB变压器，其磁芯和线圈采用矩阵结构设计方案，以便减少PCB板层数，降低成本。

结合图4所示的采用矩阵结构的PCB变压器，对本发明提出的新型柔性PCB变压器方案进行如下的详细说明。图4是磁芯和线圈采用矩阵结构的PCB变压器简图，图中标号为：1、变压器磁芯，2、变压器副边线圈，3、变压器原边线圈。柔性PCB变压器的线圈和磁芯矩阵结构可设计成n×m矩阵形式，如1×3、2×4矩阵，图4以2×2矩阵形式为例给出。图4中PCB变压器磁芯采用图1～图3所示的柔性导磁材料，在矩阵4个顶点位置磁芯从PCB板的空心孔中穿过，在磁芯位置(1，1)和(2，1)、(1，2)和(2，2)之间的磁芯从PCB板底部外相连，在磁芯位置(1，1)和(1，2)、(2，1)和(2，2)之间的磁芯从PCB板顶部外相连，由此变压器磁芯形成闭合磁路，变压器原边和副边线圈电流激励感应的主磁通在矩阵结构的磁芯中流通。在2×2矩阵4个顶点位置，PCB变压器首先利用PCB布线功能，围绕矩阵磁芯成螺旋形由内而外绕线构建原边和副边线圈，形成围绕磁芯单元的PCB线圈组，其中原边线圈由内而外为3匝，副边线圈由内而外为2匝。在4个顶点位置处的单体PCB线圈布线完成后，各个线圈组根据电势相加的原则连接，分别形成相互独立的原边和副边线圈，从线圈整体结构看，各个线圈组也是矩阵结构。

5.3具体实施例

发明人在吸收现有PCB变压器技术优点的基础上，将柔性导磁材料和PCB变压器设计相结合，同时采用PCB变压器矩阵设计方法，发明了新型采用柔性导磁材料的PCB变压器。该PCB变压器如图4所示，所采用的柔性磁材料结构如图1～图3所示。实验表明，本发明提出的柔性导磁材料，高频下其工作点磁密从铁氧体的0.4T以下可提高到0.8T以上，PCB电路板层数从12～16层可降至2层。

Claims (3)

1.柔性磁材料用于制备印刷电路板变压器磁芯的应用。

2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，采用柔性导磁材料作为印刷电路板变压器磁芯，该磁芯采用矩阵结构，印刷电路板变压器的线圈也采用矩阵结构，矩阵结构的磁芯形成自然闭合结构，构成变压器主磁通闭合回路，原边线圈和副边线圈在印刷电路板上围绕矩阵结构磁芯绕线，通过印刷电路板布线分别形成各自电路回路。

3.如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的磁芯结构采用多芯长磁线结构，即选用线经为数十微米到毫米级的柔性细长磁线材料，以多根直接集结成束，构成多芯长磁线结构；

或者，磁芯结构采用磁编织带结构，即选用线经为数十微米到毫米级的柔性磁材料，以多根进行相互铰接，或以多根相互编织，连接成带状结构；

或者，磁芯结构采用薄膜层状柔性磁带结构，即选用厚度为毫米级及以下的薄膜层状柔性磁材料，以多层进行松散层叠，构成层状柔性磁带结构。

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