CN101593592A - 一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板和磁芯结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及开关电源模块，公开了一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板和磁芯结构。铁氧体嵌板包括垫板以及粘贴在垫板上的铁氧体单元，所述铁氧体单元为长方体，所述铁氧体单元之间的气隙中固化有铁氧体胶状聚合物；磁芯结构通过铁氧体嵌板经过裁剪、层叠、拼接或者其组合的方法而做成。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源模块，特别涉及一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板和磁芯结构。
背景技术
高功率密度、超薄的厚度和低成本一直是开关电源模块追求的目标。超薄尺寸的电力电子元件，尤其是超薄尺寸的磁芯元件是实现开关电源小型化、扁平化的关键。将磁芯元件嵌入印刷电路板形成无源基板来实现电感和变压器是实现超薄功率变换器的一个技术趋势。中国专利文献CN101018446已经提出了采用与印刷电路板兼容的工艺制作无源基板的方法，但是该方法中用于无源基板的磁芯元件选用商用铁氧体扁平磁芯，是采用金刚石切割机切割而成，或是采用烧结炉按设计需要烧结压制而成的。这种制备无源基板磁芯的方法存在以下两方面主要缺点：一方面是不利于磁芯的标准化、模块化设计，磁芯生产效率低，成本高；另一方面，在无源集成模块中，由于电感磁芯的扁平结构，磁芯横截面的纵横比往往十分悬殊，出现气隙长度比横截面宽度大很多的情况，这样会导致电感的磁场在气隙处产生很大的边缘效应，常规的电感设计方法不再适用。即使通过对常规电感设计公式加入修正系数可以减少设计误差，由扁平电感磁芯中的气隙产生的边缘效应，仍旧会加剧电流在绕线中的不均匀分布，从而导致额外的铜损。另外，由于整块扁平磁芯表面积较大且比较薄，在压制到无源基板中时容易碎片，成品率不高。针对扁平磁芯结构，也有人提出采用铁氧体聚合物来制作磁芯。铁氧体聚合物是将铁氧体做成粉末，通过参入聚合物形成的复合体。通过控制铁氧体粉末和聚合物的比例可以控制铁氧体聚合物的平均磁导率。虽然铁氧体聚合物材料制作的磁芯通过等效，将集中的气隙平均分布到整段磁路中，从而减小了边缘效应对铜损的影响，但是这种材料的磁导率往往过低，磁芯损耗过大，也不适用于有高频率高效率要求的开关电源模块。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于开关电源模块无源基板的磁芯结构，它能够使磁芯的设计标准化、模块化，提高生产效率，降低生产成本；同时，能够降低磁芯气隙处的边缘效应，减小了铜损，提高效率；另外，压制到无源基板中时不宜碎片，成品率高。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
技术方案1：一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板，其特征在于，包括垫板以及粘贴在垫板上的铁氧体单元，所述铁氧体单元为长方体，所述铁氧体单元之间的气隙中固化有铁氧体胶状聚合物。
本技术方案的进一步特点在于：
所述铁氧体胶状聚合物由铁氧体粉末和环氧树脂类聚合物混合而成，或由铁氧体粉末和有机硅类聚合物混合而成。
所述垫板为塑料薄膜，或者绝缘纸，或者PCB板，或者铁氧体聚合物薄膜。
所述铁氧体单元的上下表面为正方形。
所述铁氧体单元之间的纵向气隙和横向气隙宽度相等。
技术方案2：一种用于开关电源模块无源基板的磁芯结构，其特征在于，由上述铁氧体嵌板经过裁剪、层叠、拼接或者其组合的方法而做成。
由于本发明将铁氧体烧结或切割成标准形状为长方体的铁氧体单元，将铁氧体单元粘贴在垫板上，然后经过裁剪、层叠、拼接成所需几何形状和尺寸的磁芯结构，使磁芯的设计更加标准化、模块化，生产更加简单，成本低，效率高。同时，在铁氧体单元之间的气隙中固化有铁氧体胶状聚合物，铁氧体聚合物由铁氧体粉末和环氧树脂类聚合物混合而成，或由铁氧体粉末和有机硅类聚合物混合而成。铁氧体胶状聚合物相对磁导率大于1，铁氧体单元之间的等效气隙长度会减小，从而减小了磁阻，可获得高电感值的磁芯。
另外，本发明的磁芯结构可以通过将集中的气隙分段平均分布在磁路中，降低边缘效应，使铜损得以减小；本发明通过较小面积磁块拼接成大面积磁芯，压制到无源基板时不宜碎片，提高了成品率。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是铁氧体单元的示意图；
图2是单层布满铁氧体单元的嵌板的立体示意图；
图3是铁氧体嵌板成型过程示意图；
图4是不带中心柱的卧式磁芯结构成型过程示意图；
图5是带有中心柱的卧式磁芯结构成型过程示意图；
图6(a)是带有多个中心柱的单层卧式磁芯结构成型过程示意图；
图6(b)是图6(a)所示磁芯结构的装配示意图；
图7(a)是不带中心柱的多层卧式磁芯结构成型过程示意图；
图7(b)是图7(a)所示磁芯结构的装配示意图；
图8(a)是一种不带中心柱的立式磁芯结构成型过程示意图；
图8(b)是图8(a)所示磁芯结构的装配示意图；
图9是不带中心柱的以PCB板为垫板的卧式磁芯结构成型过程示意图；
图10是带有多个中心柱的小气隙卧式磁芯结构成型过程示意图；
图11是不带中心柱的小气隙立式磁芯结构成型过程示意图。
具体实施方式
参照图1，铁氧体单元2可以采用烧结制成，也可以切割制成；其形状为长方体，其中长为l、宽为w、高为h；其上下表面为矩形，最好为正方形。
参照图2，为单面贴满铁氧体单元的嵌板。图示为8×8个铁氧体单元2粘贴在垫板1上，实际可根据设计要求来确定所需铁氧体单元2的具体个数。如图所示，箭头方向为磁场方向。垂直于磁场方向的气隙为横向气隙，沿着磁场方向的气隙为纵向气隙。铁氧体单元2之间的纵向气隙4对于磁芯平均磁导率的影响可以忽略。通过控制铁氧体单元2之间的横向气隙3可以实现不同大小的平均磁导率；尤其是，通过平均分布横向气隙3，将横向气隙3的宽度与铁氧体横截面宽度w的比值控制在0.1～0.01之间，可以大大降低磁场在横向气隙3处的边缘效应。
参照图3，为铁氧体嵌板的成型过程示意图。铁氧体嵌板包括垫板1和铁氧体单元2。垫板1可以为塑料薄膜，也可以为绝缘纸、PCB板、或者铁氧体聚合物薄膜。形状为长方体的铁氧体单元2以阵列形式粘贴在垫板1上。首先，按照磁芯结构总体形状，确定垫板1的面积，在垫板1上精确画出铁氧体单元2的阵列位置；然后，在基板1的单面涂敷粘胶，在相应阵列位置粘贴铁氧体单元2，铁氧体单元2之间有横向气隙3和纵向气隙4，横向气隙3和纵向气隙4宽度相等。采用单面带粘性的塑料薄膜对铁氧体单元的阵列进行固定，无源基板的铁氧体嵌板制作更加容易。
参照图4，制作一个不带中心柱的卧式磁芯结构，只需剥离铁氧体嵌板中心的小矩形窗口区域5内的铁氧体单元；或者割除铁氧体嵌板中心的小矩形窗口区域5的垫板。同样，参照图5、图6(a)，按照磁芯结构，通过割除或裁剪的方法，可以得到设计或用户所需要的磁芯结构6。
参照图6(b)，对于图6(a)所示磁芯结构6，先制作PCB限位板9，对其挖槽构成与磁芯结构相适应的形状，并垂向层压在PCB底板10上，将磁芯结构固定于PCB限位板9中。安装时，通过外部灌胶、层压将磁芯结构固定在无源基板内。
参照图7(a)、7(b)，制作不带中心柱的多层卧式磁芯结构。首先制作单层的不带中心柱结构的铁氧体嵌板，三层垂向重叠，如图7(a)所示；再制作PCB限位板9，并垂向层压在PCB底板10上，将不带中心柱结构的铁氧体嵌板依次垂直方向层叠固定于PCB限位板9中。
参照图8(a)，制作一种不带中心柱的立式磁芯结构。首先制作单层的不带中心柱结构的铁氧体嵌板，将其做为底板；然后，通过切割或裁剪的办法，得到矩形侧板7，在底板两边分别层叠多层侧板7，本实施例多层侧板7为两层；最后，将与底板同样大小的铁氧体嵌板做为顶板垂向层叠，即通过裁剪、层叠、拼接而成立式磁芯结构。
参照图8(b)，对于图8(a)所示磁芯结构。首先通过切割或裁剪铁氧体嵌板的办法，得到矩形侧板7，并制作侧板7的PCB限位板9；制作两套单层的不带中心柱结构的铁氧体嵌板和相应的PCB限位板9，其中一套垂向压制层叠在PCB底板10上，再压制侧板7对应的PCB限位板9，并层叠侧板7，最后再垂向压制、层叠另一套。安装时，通过外部灌胶、层压，将整个磁芯结构固定在无源基板内。
参照图9，制作不带中心柱的以PCB板为垫板的单层卧式磁芯结构。首先根据用户所需的磁芯结构，将PCB限位板9切割，挖槽成与用户所需的磁芯结构相适应的形状，并压制在作为垫板的PCB板8上；然后贴装铁氧体单元，即可得到相应的磁芯结构。
参照图10，制作带有多个中心柱的小气隙卧式磁芯结构。在图6(b)所示的多个中心柱的单层卧式磁芯结构基础上，在磁芯结构的铁氧体单元之间的气隙中，填入并固化铁氧体胶状聚合物11，可以减小等效气隙长度。
参照图11，制作不带中心柱的小气隙立式磁芯结构。与图8(b)所示的不带中心柱的立式磁芯结构的制作过程的不同之处在于，在所有嵌板上的铁氧体单元之间的气隙中，填入并固化铁氧体胶状聚合物11，用来减小等效气隙长度。且除底板外，其他层铁氧体单元可直接贴装在下层结构上。
铁氧体胶状聚合物由铁氧体粉末和环氧树脂类聚合物混合而成，或由铁氧体粉末和有机硅类聚合物混合而成。将铁氧体粉末与环氧树脂类聚合物或有机硅类聚合物按不同比例混合，可以制成不同相对磁导率的铁氧体胶状聚合物，将此铁氧体胶状聚合物填入铁氧体单元之间的气隙中，由于其相对磁导率大于1，等效气隙长度会按比例减小。虽然其损耗密度相对烧结铁氧体单元较大，但由于其体积在磁芯总体积所占比例很小，故总损耗很小。
铁氧体胶状聚合物制作过程中，铁氧体粉末为粒度小于10微米的MnZn或者NiZn铁氧体粉末，该粉末可由MnZn或者NiZn烧结的铁氧体打磨、过筛而获得。环氧树脂类聚合物和有机硅类聚合物要求在常温下能够迅速固化。环氧树脂类聚合物可以为TW GXHY-104胶粘剂(西安同维通讯技术有限公司)，或者高温环氧胶KH0201(中国科学院化学所)。有机硅类聚合物可以为KH-SP-RTV空间加成型硅橡胶(中国科学院化学所)。以TW GXHY-104胶粘剂为例进行说明，它为双组份胶粘剂，分为A、B两组份，在室温下A、B组份按不同比例混合可获得不同稠度的胶状形态，本实例按2∶1体积混合。此胶粘剂在室温下可保持稀薄胶状形态12小时，加热到60℃可以在30分钟内固化。
铁氧体胶状聚合物混合可有以下两种方式：(a)首先在室温下将铁氧体粉末分别与A、B组份混合均匀，然后将A、B组份混合均匀。(b)首先将A、B组份混合均匀，然后加入铁氧体粉末混合均匀。铁氧体胶状聚合物混合均匀后，以图11为例，在室温下将其填入底层铁氧体单元之间的气隙中，将溢出铁氧体单元表面的铁氧体胶状聚合物去除，并加热至60℃，30分钟后使铁氧体胶状聚合物固化；再在底板上压制限位板，层叠铁氧体单元组成的侧板7，侧板7的铁氧体单元之间的气隙中再次灌入铁氧体胶状聚合物，将溢出铁氧体单元表面的铁氧体胶状聚合物去除，然后加热、固化；最后再压制限位板，层叠铁氧体单元组成的顶板，顶板的铁氧体单元之间的气隙中再次灌入铁氧体胶状聚合物，并加热、固化。
本发明也可以先在垫板上粘贴铁氧体单元，并铁氧体单元之间的气隙中直接填入并固化有铁氧体胶状聚合物，作为铁氧体嵌板；然后，将铁氧体嵌板经过裁剪、层叠、拼接或者其组合的方法而做成所需的磁芯结构。也可以先在垫板上粘贴铁氧体单元，并切割或裁剪为磁芯结构所需形状，然后在铁氧体单元之间的气隙中直接填入并固化有铁氧体胶状聚合物，作为铁氧体嵌板；最后，将铁氧体嵌板经过层叠、拼接或者其组合的方法而做成所需的磁芯结构。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (6)
1、一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板，其特征在于，包括垫板以及粘贴在垫板上的铁氧体单元，所述铁氧体单元为长方体，所述铁氧体单元之间的气隙中固化有铁氧体胶状聚合物。
2、根据权利要求1所述的一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板，其特征在于，所述铁氧体胶状聚合物由铁氧体粉末和环氧树脂类聚合物混合而成，或由铁氧体粉末和有机硅类聚合物混合而成。
3、根据权利要求1所述的一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板，其特征在于，所述垫板为塑料薄膜，或者绝缘纸，或者PCB板，或者铁氧体聚合物薄膜。
4、根据权利要求1所述的一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板，其特征在于，所述铁氧体单元的的上下表面为正方形。
5、根据权利要求1所述的一种用于开关电源模块无源基板的铁氧体嵌板，其特征在于，所述铁氧体单元之间的纵向气隙和横向气隙宽度相等。
6、一种用于开关电源模块无源基板的磁芯结构，其特征在于，由权利要求1-5之任一所述的铁氧体嵌板经过裁剪、层叠、拼接或者其组合的方法而做成。
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Granted publication date: 20120104 |
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