CN102103923A - 平面变压器 - Google Patents
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Abstract
一种平面变压器,包括一印刷电路板,印刷电路板包括若干初级电路层、若干次级电路层及一用于安装磁芯的通孔;每一初级电路层上布设有一第一绕组,所有第一绕组依次串联连接,每一次级电路层上布设有一第二绕组及一第三绕组,每一次级电路层上的第二绕组及第三绕组的第一端电气连接,从其连接节点延伸出一接地端,从所述第二、第三绕组的第二端分别延伸出正、负输出端,所有第二绕组并联连接,所有第三绕组并联连接;每一第一绕组是在对应的初级电路层上沿所述通孔敷设一圈导体而成,每一次级电路层上的第二、第三绕组是在对应的次级电路层上沿通孔敷设半圈导体而成。本发明平面变压器具有较好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种变压器,特别是一种平面变压器。
背景技术
变压器是为电子产品供电的重要元件,传统的变压器体积庞大,无法满足产品小型化的要求。随着平面磁芯的开发成功,平面变压器也逐渐应用在笔记本电脑、手机等产品中,与传统变压器相比,平面变压器在多层印刷电路板(Printed circuit board,PCB)布设铜箔等导电体作为绕组,因而可大大降低变压器的厚度。通常,平面变压器的绕组的绕法为整数绕法,即初级绕组和次级绕组按照预设的比例(如6∶1,12∶2等)在电路板上绕整数圈,这样的平面变压器不仅需要电路板的层数足够多,且其自身效率较低,输出阻抗较大,在输出端容易产生噪音,从而影响了整个电子产品的性能。
发明内容
鉴于上述内容,有必要提供一种能够提高电子产品性能的平面变压器。
一种平面变压器,包括一印刷电路板,所述印刷电路板包括若干初级电路层、若干次级电路层及一贯穿所有初级电路层及所有次级电路层的第一通孔,所述第一通孔用于安装一磁芯;每一初级电路层上布设有至少一第一绕组,且所有初级电路层上的第一绕组依次串联连接;每一次级电路层上布设有一第二绕组及一第三绕组,每一次级电路层上的第二绕组及第三绕组的第一端电气连接,从所述第二、第三绕组的连接节点延伸出一接地端,从所述第二、第三绕组的第二端分别延伸出一正输出端及一负输出端,所有第二绕组并联连接,所有第三绕组并联连接;所述第一、第二及第三绕组分别为敷设在对应电路层上的导体,每一第一绕组是将在对应的初级电路层上敷设的导体沿所述第一通孔环绕一圈而成,每一次级电路层上的第二、第三绕组是将在对应的次级电路层上敷设的导体分别沿所述第一通孔环绕半圈而成。
所述平面变压器的绕组采用半圈绕法,在不改变初级绕组和次级绕组的匝数比值的情况下,使更多电路层上的次级绕组可互相并联,减少了输出阻抗,因此本发明印刷电路板应用在电子产品中时,能够提高电子产品的性能。
附图说明
图1为本发明平面变压器较佳实施方式的结构图。
图2为图1中的平面变压器的分解图。
图3为图1中的印刷电路板的分解示意图。
图4为图3中的一次级电路层的结构示意图。
图5为图1中的平面变压器的等效电路图。
图6为平面变压器磁芯的铁损耗与磁场密度及操作频率之间的关系图。
主要元件符号说明
平面变压器 | 1 |
PCB | 100 |
圆形通孔 | 10 |
扇形通孔 | 12 |
磁芯 | 20 |
上部 | 22 |
下部 | 24 |
圆形凸起 | 242 |
扇形凸起 | 244 |
电路层 | L1-L12 |
绕组 | P1-P3、S1、S2 |
第一端 | A、B、D、F1 |
第二端 | C、K、M、F、J、J1 |
过孔 | H1-H5 |
连接节点 | E、E1 |
正输出端 | N、N1 |
负输出端 | I、I1 |
接地端 | G、G1 |
等效电路 | 2 |
初级绕组 | P |
次级绕组 | S21、S22 |
正输入端 | K1 |
负输入端 | M1 |
具体实施方式
下面参照附图结合具体实施方式对本发明作进一步的描述。
请参照图1及图2,本发明平面变压器1包括一印刷电路板(PCB)100及一磁芯20,所述PCB 100上设有一圆形通孔10及设于所述圆形通孔10两侧的扇形通孔12,所述圆形通孔10及两扇形通孔12均贯穿所述PCB100,所述圆形通孔10及两扇形通孔12用于安装所述磁芯20。
所述磁芯20包括一上部22及一下部24。所述下部24包括一圆形凸起242及设于所述圆形凸起242两侧的扇形凸起244。所述上部22也包括一圆形凸起及设于所述圆形凸起两侧的扇形凸起。所述上部22及下部24的结构相同,且对称设置于所述PCB100的上下两侧。安装时,所述上部22及下部24的圆形凸起均设于所述圆形通孔10内,所述上部22及下部24的扇形凸起均设于对应的扇形通孔12内。所述磁芯20由铁氧体材料制成。所述磁芯20也可为其他形状,用于安装所述磁芯20的通孔的数量及形状随所述磁芯20形状的改变而改变。
所述PCB100包括若干初级电路层及若干次级电路层。每一初级电路层布设有一第一绕组,每一次级电路层上布设有一第二绕组及一第三绕组,所述第一、第二及第三绕组分别为敷设在对应电路层上的导体,如铜箔。每一第一绕组是在对应的初级电路层上沿所述圆形通孔10环绕一圈而成,即,所述第一绕组采用整圈绕法。每一次级电路层上的第二、第三绕组是分别在对应的次级电路层上沿所述圆形通孔10环绕半圈而成,即,所述第二、第三绕组采用半圈绕法。每个次级电路层上的第二、第三绕组的一端电气连接并接地。所有第一绕组依次串联连接而形成一初级绕组;所有第二绕组并联连接以形成一第一次级绕组,所有第三绕组并联连接以形成一第二次级绕组。
请参考图3及图4,本实施方式中,以所述PCB100具有12个电路层L1-L12为例进行说明,其中所述电路层L1、L5及L12为初级电路层,所述电路层L2-L4、L6以及L8-L11为次级电路层。
所述电路层L1上具有一绕组P1,所述电路层L5上具有一绕组P2,所述电路层L12具有一绕组P3。所述电路层L2-L4、L6以及L8-L11中的每一层上均设置有两个绕组S1、S2。
所述绕组P1的一第一端A通过一贯穿所述电路层L1-L5的过孔H1与所述绕组P2的一第一端B电气连接;所述绕组P2的一第二端C通过一贯穿所述电路层L5-L12的过孔H2与所述绕组P3的一第一端D电气连接,从而使得所述绕组P1、P2、P3之间电气串联。所述绕组P1的一第二端K以及所述绕组P3的一第二端M则分别作为所述平面变压器1的正、负输入端。如此则在所述电路层L1、L5以及L12上形成一匝数为3圈的初级绕组。其中,所述绕组P1、P2及P3均为铺设于对应电路层上的铜箔,如图3中阴影标示的部分所示。
以图4中的电路层L2为例来具体说明每一次级电路板上的绕组的具体结构。所述电路层L2上的绕组S1、S2分别绕所述圆形通孔10环绕半圈,所述绕组S1、S2的第一端电气相连,其连接节点标记为E,所述绕组S1的一第二端F延伸出一正输出端N,所述绕组S2的一第二端J延伸至出一负输出端I,从所述绕组S1、S2的连接节点E则延伸出一接地端G。其中,图4中以虚线示意的圆中的左半圆表示绕组S1、右半圆表示绕组S2。
其余次级电路层L3-L6以及L8-L11上的绕组S1、S2的结构与所述电路层L2的绕组S1、S2的结构相同,且所述电路层L2-L6、L8-L11上的所有正输出端N通过一贯穿所述电路层L2-L11的过孔H3电气连接,所述电路层L2-L6、L8-L11上的所有负输出端I通过一贯穿所述电路层L2-L11的过孔H4电气连接,所述电路层L2-L6、L8-L11上的所有接地端G通过一贯穿所述电路层L2-L11的过孔H5电气连接,从而使得所述电路层L2-L6及L8-L11上的绕组S1电气并联,且所述电路层L2-L6及L8-L11上的绕组S2也电气并联。如此则在所述电路层L2-L4、L6、L8-L11上形成两个匝数为0.5圈的次级绕组,且该两个次级绕组电气连接。
因此,所述平面变压器1包括一初级绕组及两次级绕组,所述初级绕组的匝数为3(P1、P2、P3),每一次级绕组的匝数为0.5,因此,所述初级绕组与每一次级绕组的匝数比为3∶0.5,即,所述平面变压器1的匝数比为3∶0.5。
所述电路层L7为一辅助电源层,其上设有一环绕所述圆形通孔10两圈的铜箔绕组,用于为整个电路板提供平滑的电流。对于辅助电源层的设计为本领域的习知技术,在此不在赘述。
请继续参考图5,为所述平面变压器1的等效电路2,其中所述等效电路2包括一初级绕组P及两个次级绕组S21、S22、一正输入端K1、一负输入端M1、一正输出端N1、一负输出端I1以及一接地端G1,所述次级绕组S21的一第一端标示为F1,所述次级绕组S22的一第一端标示为J1,所述次级绕组S21及S22的第二端相连,连接节点为E1。所述正、负输入端K1、M1分别是由所述初级绕组P的两端引出的,所述正、负输出端N1、I1分别是由所述次级绕组S21及S22的第一端F1、J1引出的,所述接地端G1是由所述次级绕组S21及S22的连接节点E1引出的。所述初级绕组P及所述两个次级绕组S相耦合可完成一次全波整流。图4中的K、M、N、I、G、F、及J分别等效为图5中的K1、M1、N1、I1、G1、F1及J1。
下面将介绍本发明平面变压器与传统平面变压器之间的性能差:平面变压器的输出阻抗可由以下公式计算得到:R=ρ*L/A,其中,R为平面变压器的输出阻抗,ρ为常系数1.724*10-6,L为所有初级绕组及次级绕组的长度和,A为所有初级绕组及次级绕组的面积和。当使用传统的平面变压器的绕组的绕法时,即每一绕组均采用整圈绕法时,则其绕组的匝数比为6∶1,6个初级绕组在实际操作中至少需要占5个电路层(其中一层上串联设置有2个初级绕组),一个辅助电源层需要占1个电路层。由于完成一次全波整流需要至少2个次级电路层,则传统平面变压器的两个次级绕组分别占一个电路层且电气串联,如此则可将一具有12个电路层的电路板中剩余的4个电路层上的次级绕组与该两个次级绕组电气并联,此时,传统的平面变压器仅能将阻抗减少至三分之一,如0.736m ohm。而采用本发明的半圈绕法时,所述绕组P1-P3仅占了3个电路层,除去所述辅助电源层,还有8个电路层可作为次级电路层,由于所述绕组S1、S2可设于同一个电路层上,因此完成一次全波整流仅需要一个次级电路层,则剩余7个电路层上的绕组S1、S2与该一个次级电路层的绕组S1、S2电气并联时,可将输出阻抗减少至八分之一,同时,初级绕组及次级绕组的长度和也减少了一半,因此,本发明平面变压器的输出阻抗实际上可减少至十六分之一,如0.138m ohm。
变压器的输出铜损耗为其次级绕组本身(如图4中绕组S1所示)、由次级绕组引出的输出端(如图4中正输出端N所示)及由次级绕组引出的接地端(如图4中接地端G所示)三段导体的铜损耗之和,每段导体的铜损耗可由以下公式计算:I*I*R。以输出电压为1.8V,输出电流(I)为40A时为例进行比较,传统的平面变压器的每段导体的铜损耗为40A*40A*0.736mohm=1.178W(瓦特),占整体输出功率(1.8A*40V=72W)的1.6%;而本发明每段导体(即绕组S1、正输出端N及接地端G;或者绕组S2、输出端I及接地端G)的铜损耗值为40A*40A*0.138mohm=0.22W,其仅占整体输出功率的0.2%。因此每段导体的铜损耗比传统的每段导体的铜损耗减少了1.4%,即本发明平面变压器1整体的输出铜损耗比传统减少了4.2%。
平面变压器的铁损耗可由以下公式确定:Pcore_loss=Pcv*Ve,其中,Pcv为磁芯的体积密度,Ve为磁芯的有效体积。
平面变压器的磁场密度可由以下公式确定:其中Vin为输入电压,Dmax为平面变压器输入信号的占空比,Np为初级绕组的匝数,Ae为磁芯的有效面积,Ve为磁芯的有效体积,Fsm为操作频率。本实施方式中,假设Vin=13V,Dmax为0.5,Ae=31mm2,Ve=840mm3,Fsm=300KHZ。
由于传统平面变压器的初级绕组的匝数为6,代入上述公式后可计算得到磁场密度ΔB为0.116T,而本发明平面变压器的初级绕组的匝数为3,代入上述公式后可计算得到本发明平面变压器1的磁场密度ΔB为0.215T。
请参照图6中的关系图,则可得出当操作频率Fsm为300KHZ时,传统平面变压器的铁损耗为0.42W,本发明平面变压器的铁损耗为2.1W。因此,传统平面变压器的铁损耗占整体输出效率的0.58%,本发明平面变压器的铁损耗占整体输出效率的2.9%,比传统的铁损耗增加了2.32%。
根据上述计算可以得知,虽然本发明平面变压器1的铁损耗比传统增加了2.32%,但是铜损耗比传统减少了4.2%,因此整体的输出效率增加了1.88%。且由于所述次级线圈采用半圈绕法,使更多电路层上的次级绕组可互相并联,以减少输出阻抗,使本发明之平面变压器1具有更好的性能。另外,本发明平面变压器可在不改变变压器初级绕组和次级绕组的匝数比值的情况下,减少用以电气连接各绕组的过孔的数量,减少了过孔对于输出阻抗的影响。因此本发明平面变压器1应用于电子产品时,能提升电子产品的性能。
Claims (6)
1.一种平面变压器,包括一印刷电路板,所述印刷电路板包括若干初级电路层、若干次级电路层及一贯穿所有初级电路层及所有次级电路层的第一通孔,所述第一通孔用于安装一磁芯;每一初级电路层上布设有至少一第一绕组,且所有初级电路层上的第一绕组依次串联连接;每一次级电路层上布设有一第二绕组及一第三绕组,每一次级电路层上的第二绕组及第三绕组的第一端电气连接,从所述第二、第三绕组的连接节点延伸出一接地端,从所述第二、第三绕组的第二端分别延伸出一正输出端及一负输出端,所有第二绕组并联连接,所有第三绕组并联连接;所述第一、第二及第三绕组分别为敷设在对应电路层上的导体,每一第一绕组是将在对应的初级电路层上敷设的导体沿所述第一通孔环绕一圈而成,每一次级电路层上的第二、第三绕组是将在对应的次级电路层上敷设的导体分别沿所述第一通孔环绕半圈而成。
2.如权利要求1所述的平面变压器,其特征在于:所有次级电路层上的正输出端通过一第一过孔电气连接,所有次级电路层上的负输出端通过一第二过孔电气连接,所有次级电路层上的接地端通过一第三过孔电气连接。
3.如权利要求1所述的平面变压器,其特征在于:所述磁芯贯穿所述第一通孔。
4.如权利要求1所述的平面变压器,其特征在于:所述磁芯由铁氧体材料制成。
5.如权利要求1所述的平面变压器,其特征在于:所述导体为铜箔。
6.如权利要求1所述的平面变压器,其特征在于:所述第一通孔为一圆形通孔,所述印刷电路板还包括贯穿所有初级电路层及所有次级电路层的两第二通孔,所述两第二通孔为设于所述第一通孔两侧的两扇形通孔,所述磁芯包括一上部及一下部,所述下部分别包括一圆形凸起及设于所述圆形凸起两侧的扇形凸起,所述上部及下部的结构相同,所述上部及下部分别设于所述印刷电路板的两侧,所述上部及下部的圆形凸起均设于所述第一通孔内,所述上部及下部的扇形凸起均设于对应的第二通孔内。
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