CN102360852B - 一种大电流平面变压器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种平面变压器，特别是指制作在多层印刷电路板（PCB）上的大电流平面变压器。本发明的结构包括磁芯和线圈绕组。本发明涉及到平面变压器的磁芯形状、线圈拓扑结构和缠绕方法，其特征在于初级绕组由环绕两个磁芯的大圈和环绕一个磁芯的小圈串联组成，次级绕组由多个线圈并联组成，各种不同的绕组在PCB的各层上循环交错排列，信号绕组与功率绕组绕在不同的磁芯柱上。本发明提供了一种小体积，低高度，大电流的平面变压器解决方案。本发明一般集成在开关电源的PCB板上，作为开关电源中的功率传输变压器。

Description

一种大电流平面变压器

技术领域

 本发明涉及一种平面变压器，尤其是一种制作在印刷电路板（PCB）上的大电流平面变压器。

背景技术

随着开关电源的发展，小体积、高功率密度越来越称为开关电源的追求目标表和发展方向，各种减小电源体积、提高电源功率密度的技术应运而生，平面变压器技术就是其一。传统技术的开关电源中，功率变压器由缠绕在磁芯上的多组导线实现。这样的变压器占有很大体积，使得开关电源模块难以做小、做薄。而且，由于绕线的间距比较大，变压器的漏感也比较大，耦合程度较差，变压器效率较低。平面变压器的出现，大大减小了变压器的体积和高度，从而十分有利于减小电源模块的体积和高度，使电源模块得以小型化、平面化。同时，由于平面变压器结构紧凑，增加了耦合度，减少了漏磁；由于磁芯体积的减小，磁芯上的能量损耗也减少，这些都有利于提高变压器的效率。因此，现在平面变压器在开关电源模块中得到了广泛应用。

目前的大电流、大功率平面变压器，大多以铜皮作为原边和副边绕组，将多个这种绕组堆叠在一起，和磁芯一起构成变压器。这种结构的平面变压器存在两个主要问题：第一是安规要求的绝缘距离较难实现，尤其是AC/DC变换器安规中要求的加强绝缘，实现起来较为复杂，往往要特殊的骨架才能实现；第二是由于多层迭加，结构工艺复杂，加工生产难度大。

也有一些以PCB上的导线作为绕组的平面变压器，但这些变压器大部份都是应用在小电流、小功率的情况下，比如二次电源DC/DC变换器。此时作为变压器绕组的导线，通常是电源模块PCB的一部分，具体做法是：在主板PCB的适当位置形成变压器原边和副边绕组，并开有对应于磁芯的孔，嵌入磁芯后就形成了变压器。这种结构的优点是结构紧凑，变压器的高度低，对变换器的整体高度影响较小。但是由于变压器本身即是PCB的一部分，必然受到PCB的层数和铜厚等的限制，无法通过大电流，只能应用于小电流、小功率的场合。

因此，如何在减小体积和高度的同时，使平面变压器能够传输较大的电流和功率是一个重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种大电流平面变压器，具体涉及一种高效率、小体积、低高度、大电流的平面变压器解决方案。本发明一般集成在开关电源的PCB板上，作为开关电源中的功率传输变压器。

按照本发明提供的技术方案，一种大电流平面变压器包括磁芯和绕组，磁芯有两个，安装在PCB板上，磁芯柱穿过所述PCB板，分为上磁芯柱、下磁芯柱，绕组由PCB板上的导电图案形成；绕组包括原边绕组、副边功率绕组、副边信号绕组，其特征在于：所述原边绕组由两个线圈并联而成，这两个线圈的其中一些匝数环绕两个磁芯的上磁芯柱，另一些匝数环绕其中一个磁芯的上磁芯柱；副边功率绕组有四组，每组由多个仅有一匝的线圈并联而成，环绕其中一个磁芯的上磁芯柱。

原边绕组的其中一个线圈的某些匝数、副边功率绕组中的其中两个绕组的全部匝数环绕一个磁芯的上磁芯柱，副边信号绕组中的一个绕组的全部匝数环绕这个磁芯的下磁芯柱；原边绕组的另一个线圈的某些匝数、副边功率绕组中的另外两个绕组的全部匝数环绕另外一个磁芯的上磁芯柱，副边信号绕组中的另一个绕组的全部匝数环绕这个磁芯的下磁芯柱。

对于围绕在同一个磁芯的上磁芯柱的两个副边功率绕组，其中一个绕组的同名端与另一个绕组的非同名端相连。

PCB板是多层PCB板，PCB板上打有与磁芯柱形状吻合的孔；磁芯左右向放置，两个磁芯横向地排列在PCB板上；PCB板在纵向上被磁芯分为两部分，原边绕组和副边功率绕组一侧的部分是功率电路部分，信号绕组一侧的部分是信号电路部分。

所述原边绕组、副边功率绕组、副边信号绕组分别设置在不同的PCB层上，且每个绕组包括的PCB层数不止一层；围绕在同一个磁芯的不同绕组线圈循环交错地排列。

所述磁芯是CI型磁芯，它包括一个有两个磁芯柱、一个底面的部分和只有一个底面的部分。

具体的，所述大电流平面变压器的磁芯包括两个相同形状的第一磁芯和第二磁芯，所述第一磁芯和第二磁芯均包括两个磁芯柱和两个底面，两个磁芯柱与两个底面垂直，两底面之间夹有多层PCB板，两个磁芯柱分别穿过多层PCB板上的通孔；所述第一磁芯和第二磁芯左右放置，磁芯柱横向排列，第一磁芯的上磁芯柱和第二磁芯的上磁芯柱位于一横排，第一磁芯的下磁芯柱和第二磁芯的下磁芯柱位于一横排。

所述绕组为印制在多层PCB板上的线圈，所述绕组包括原边绕组和副边功率绕组。原边绕组由两个线圈组成，这两个线圈其中的一些匝数同时环绕第一磁芯和第二磁芯的上磁芯柱，另一些匝数环绕第一磁芯或第二磁芯的上磁芯柱。两个线圈在应用时必须并联。副边功率绕组有四组，包括第一副边功率绕组、第二副边功率绕组、第三副边功率绕组和第四副边功率绕组。第一副边功率绕组与第二副边功率绕组环绕第一磁芯的上磁芯柱，第三副边功率绕组和第四副边功率绕组环绕第二磁芯的上磁芯柱。第一副边功率绕组、第二副边功率绕组、第三副边功率绕组和第四副边功率绕组的两端为第一端和第二端，这四个绕组的第一端互为同名端。第一副边功率绕组的第二端、第二副边功率绕组的第一端、第三副边功率绕组的第二端和第四副边功率绕组的第一端连接到一起。

所述绕组的线圈分别设置在多层PCB板不同的层上，每个绕组包括的层数不止一层，不同绕组的线圈在多层PCB板各层上交错排列。

每组副边功率绕组由多个仅有一匝的线圈并联而成。

所述绕组还包括副边信号绕组，副边信号绕组环绕在第一磁芯的下磁芯柱或第二磁芯的下磁芯柱。

本发明的有益效果在于：（1）采用了多层的PCB上的导电金属图案作为原边和副边绕组，直接嵌入磁芯形成功率变压器，大大缩小了变压器的体积，减轻了变压器重量。（2）副边绕组由多个线圈并联而成，大大增加了变压器的通流能力，使变压器能够承受较大的电流。（3）功率绕组和信号绕组分别缠绕在不同的磁芯柱上，把PCB板上的功率电路部分和信号电路部分隔离开，避免了相互干扰。

附图说明

图1为本发明的电路示意图及本发明在LLC谐振软开关的全桥整流电路中的应用示意图；

图2为本发明的PCB板图；

图3为本发明的磁芯和绕组的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，根据一个具体的实施例子对本发明做进一步阐述。在本实例中，本发明应用在电源模块中的谐振软开关全桥整流输出部分，如图1所示。本发明包括磁芯和线圈绕组。磁芯有两个，把PCB板上的电路分为上下两部分，上面为功率电路部分，下面为信号电路部分，如图2所示。为方便表述，将图1各绕组按标记称为第一线圈1、第二线圈2，第一副边功率绕组3、第二副边功率绕组4、第三副边功率绕组5、第四副边功率绕组6、第一信号绕组7、第二信号绕组8。

如图1所示，线圈绕组包括：一组原边绕组，它由两个第一、第二线圈1、2在谐振电路中并联组成，每个线圈包括了若干匝绕线，并联线圈的电流方向必须相同；第一副边功率绕组3、第二副边功率绕组4、第三副边功率绕组5、第四副边功率绕组6，每一组都由许多个仅有一匝绕线的线圈并联组成。这些原边和副边的绕组缠绕在两个磁芯的上磁芯柱上。原边绕组的绕线的方式是大小圈结合，通过大圈和小圈的配置，使第一线圈1和第二线圈2的激励都传递到了副边的所有绕组，但是这种传递又是有侧重的。线圈在哪一个磁芯的上多绕了一个小圈，线圈中的激励就更多地传递到绕在该磁芯的副边功率绕组上。在本实例中，线圈1就由两个大圈和一个缠绕在第一磁芯10的小圈组成，第二线圈2就由两个大圈和一个缠绕在第二磁芯11的小圈组成。其中第一线圈1的小圈、第一副边功率绕组3、第三副边功率绕组5、第一信号绕组7缠绕在第一磁芯10的上磁芯柱上；第二线圈2的小圈、第二副边功率绕组4、第四副边功率绕组6、第二信号绕组8缠绕在第二磁芯11的上磁芯柱上；第一线圈1、第二线圈2的大圈缠绕在两个磁芯的上磁芯柱上。

副边功率绕组有四个，它们是第一副边功率绕组3、第二副边功率绕组4、第三副边功率绕组5、第四副边功率绕组6，其中两个绕组的同名端和另外两个绕组的非同名端两两相连，即第一副边功率绕组3的同名端，第三副边功率绕组5的同名端，第三副边功率绕组4的非同名端，第四副边功率绕组6的非同名端共同连到点9，见图1。在图1所示的应用中，点9接到输出的正端，第一副边功率绕组3、第二副边功率绕组4、第三副边功率绕组5、第四副边功率绕组6其他四个端子分别通过第一、第二、第三、第四四个开关16、17、18、19连到输出负端。第一开关16和第三开关18为一组，第二开关17和第四开关19为另外一组，一组开关闭合时，另一组开关断开。第一副边功率绕组3、第二副边功率绕组4和第三副边功率绕组5、第四副边功率绕组6的绕行方向相反。副边绕组的线圈都是小圈，在本实例中圈数为一圈。每个绕组都可以由多个线圈并联组成，以增加通流能力。例如在本实例中，第一副边功率绕组3、第三副边功率绕组5由4个线圈并联组成，第二副边功率绕组4、第四副边功率绕组6由3个线圈并联组成。

上述这些原边和副边的绕组都是功率绕组，它们缠绕在两个磁芯的上磁芯柱上。每匝绕线的缠绕方法有大圈和小圈两种，如图3所示，小圈的环路围绕其中一个磁芯的上磁芯柱；大圈的环路同时围绕两个磁芯的上磁芯柱。原边绕组的缠绕方式是大小圈结合，每个原边绕组的若干匝绕线中一些匝数采用大圈方式缠绕，另一些匝数采用小圈方式缠绕；副边功率绕组每一组的每一个线圈都是小圈方式缠绕的。除了上面说到的这些传输功率的绕组外，还包括第一信号绕组7、第二信号绕组8，缠绕在两个磁芯的下磁芯柱上，它们的作用是给信号电路部分供电。不同性质的绕组在PCB板的各层上循环交错排列，即某一层属于某种性质的绕组线圈，下一层必属于另外一种，各种性质的绕组线圈循环地排列。

本发明中采用的磁芯是CI型磁芯，通过专用的磁芯胶水粘合。每个磁芯包括一个有两个磁芯柱和一个底面的部分和只有一个底面的部分，这两个部分的底面呈圆角矩形，磁芯柱的截面是两端为圆头的长条形。线圈绕组由多层PCB板上各层的导电线圈形成。

本发明的实现方式是：在一块多层的PCB板15上，打上与磁芯柱形状吻合的孔20，围绕孔20在PCB板15的各层上印制导电线圈的金属图案，需要连接的地方通过过孔连接，在孔当中嵌入磁芯柱，使PCB板15上各层的导电线圈通过闭合的磁芯耦合起来。

图3表示了本发明的磁芯的形状。本发明采用的是嵌入板中的CI磁芯，而没有采用整体地覆盖在板子上的EI磁芯，因为这样体积较小，而且方便将板上电路的功率部分和信号部分隔离开来，避免产生干扰，尤其是避免了电压和电流较大的功率部分对信号部分的干扰，使信号电路能正常工作，产生正确的控制信号。图3还表示了有大圈和小圈两种缠绕方式。小圈如图3中的线圈12和13；大圈如图3中的线圈14。

图2表示了本发明的PCB板的形状。本发明的两个磁芯，第一磁芯10和第二磁芯11，左右向放置，横向地排列在PCB板15上。磁芯柱横向排列，第一磁芯10的上磁芯柱和第二磁芯11的上磁芯柱位于一横排，第一磁芯10的下磁芯柱和第二磁芯11的下磁芯柱位于一横排。PCB板15上半部分是功率电路，下半部分是信号电路。传输功率的绕组都绕在上面的磁芯柱上，而传输信号的绕组就缠绕在下面的磁芯柱上。

磁芯可以使用锰锌铁氧体制造，也可以根据磁导率、饱和磁通密度等指标的具体要求由其他材料制造。磁芯的粘和处可以留有一定的气隙。可以根据电路所需的变压器原边和副边电感值，决定粘合的紧密程度。

本发明中使用的PCB板是多层的PCB板，具体层数由需要决定。层与层的间距较小时，漏感较小但寄生电容较大，绝缘性也差；层与层的间距较大时，绝缘性好，寄生电容小而漏感却较大，因此必须较好地选定层间距（比如100um）。由于承受的电流较大，板子上覆铜的厚度要足够（比如100um），不能太小；而且由于大电流下PCB板的发热量比较大，最好选用导热性好或耐高温的PCB板材料（比如高Tg170）。

各绕组的导电线圈的图案必须围绕孔布置，通过过孔互联，形成闭合的环路。导电线圈的图案可以是矩形的，如图3所示，也可以是其他形状。用于传输功率的原边绕组和副边功率绕组各层的导电图案的要大体相似，覆铜的宽度必须比较宽（比如70mil），这样才能满足通过大电流的需要。副边信号绕组通常只环绕其中一个磁芯的下半部分，它的走线可以比较细。

为了减小干扰和寄生效应，各种性质不同的绕组通常循环交错排列，以保证同性质的绕组相隔的距离较远。例如在本实例中，第一线圈1的大圈位于第二、第六层，小圈在第十层环绕磁芯10；第二线圈2的大圈位于第四、八层，小圈在第十层环绕磁芯11；第一副边功率绕组3、第三副边功率绕组5分别环绕第一、第五、第九、第十二层的磁芯10和磁芯11的上磁芯柱；第二副边功率绕组4、第四副边功率绕组6分别环绕第三、第七、第十一层的磁芯10和磁芯11的上磁芯柱；第一信号绕组7、第二信号绕组8分别环绕第十三层的磁芯10和磁芯11的下磁芯柱。

平面变压器的匝数比通过设定原边和副边的线圈匝数来设定。例如在本实例中，由上面的叙述可知，原边的电流在每个磁芯的上磁芯柱环绕了5周，副边的并联总电流在每个磁芯的上磁芯柱环绕了1周，匝数比为5：1。也可以根据需要设定其它的匝数比。

本实例中的变压器，可以看成由第一磁芯10和第一线圈1、第一副边功率绕组3、第二副边功率绕组4、第一信号绕组7组成的一个变压器，和第二磁芯11、第二线圈2、第三副边功率绕组5、第四副边功率绕组6组成的另一个变压器，通过第一线圈1和第二线圈2的串联和第一副边功率绕组3、第二副边功率绕组4、第三副边功率绕组5、第三副边功率绕组6共同连接到点9构成的平面变压器。第一副边功率绕组3和第二副边功率绕组4可以视为一个绕组，第三副边功率绕组5和第三副边功率绕组6可以视为一个绕组，点9是中心抽头。

通过上述设计，本实例中的平面变压器在每个变压器15mm×6mm（两个横向排列30mm×6mm）的大小的面积上，实现了25A的电流输出，并且高度很小，小于6.5mm。

Claims (4)

1. 一种大电流平面变压器，包括磁芯和绕组，其特征是：所述磁芯包括两个相同形状的第一磁芯（10）和第二磁芯（11），所述第一磁芯（10）和第二磁芯（11）均包括两个磁芯柱和两个底面，两个磁芯柱与两个底面垂直，两底面之间夹有多层PCB板（15），两个磁芯柱分别穿过多层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，磁芯柱横向排列，第一磁芯（10）的上磁芯柱和第二磁芯（11）的上磁芯柱位于一横排，第一磁芯（10）的下磁芯柱和第二磁芯（11）的下磁芯柱位于一横排；

所述绕组为印制在多层PCB板（15）上的线圈，所述绕组包括原边绕组和副边功率绕组；原边绕组由两个线圈组成，这两个线圈其中的一些匝同时环绕第一磁芯（10）和第二磁芯（11）的上磁芯柱，另一些匝环绕第一磁芯（10）或第二磁芯（11）的上磁芯柱，两个线圈在应用时须并联；副边功率绕组有四组，包括第一副边功率绕组（3）、第二副边功率绕组（4）、第三副边功率绕组（5）和第四副边功率绕组（6），其中第一副边功率绕组（3）、第三副边功率绕组（5）缠绕在第一磁芯（10）的上磁芯柱上；第二副边功率绕组（4）、第四副边功率绕组（6）缠绕在第二磁芯（11）的上磁芯柱上；第一副边功率绕组（3）、第二副边功率绕组（4）、第三副边功率绕组（5）和第四副边功率绕组（6）的两端分别为第一端和第二端，这四个绕组的第一端互为同名端；第一副边功率绕组（3）的第二端、第二副边功率绕组（4）的第一端、第三副边功率绕组（5）的第二端和第四副边功率绕组（6）的第一端连接到一起。

2.如权利要求1所述大电流平面变压器，其特征是绕组的线圈分别设置在多层PCB板（15）不同的层上，每个绕组包括的层数不止一层，不同绕组的线圈在多层PCB板（15）各层上交错排列。

3.如权利要求1所述大电流平面变压器，其特征是每组副边功率绕组由多个仅有一匝的线圈并联而成。

4.如权利要求1所述大电流平面变压器，其特征是所述绕组还包括副边信号绕组，副边信号绕组环绕在第一磁芯（10）的下磁芯柱或第二磁芯（11）的下磁芯柱。

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