CN103269149A - 适用于正激同步整流的pcb平板磁性器件 - Google Patents
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Abstract
适用于正激同步整流的PCB平板磁性器件，涉及磁性器件。本发明包括变压器部分，变压器部分的绕组由带有金属层的多张重叠的双面PCB板形成，其特征在于，初级绕组和次级绕组设置于不同的PCB板，承载初级绕组的PCB板和承载次级绕组的PCB板相互交错设置；还包括电感部分，电感部分的绕线也由所述双面PCB板的金属层形成；变压器部分和电感部分中，相同PCB板上的绕线通过设置于PCB板的过孔连接，不同PCB板上的绕线通过焊锡浇铸过孔连接；所述电感部分包括至少两个并联的电感；变压器部分的次级输出端和电感部分的输入端共用一组过孔，整个磁性器件只有5个引脚。本发明减少了装配难度，同时提高了空间的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及磁性器件，特别是一种PCB平板磁性器件，主要针对正激变换器的功率变压器和功率电感器。
背景技术
随着半导体技术和无源器件工业的快速发展，开关变换器中的电子元件（主要是功率器件、电容和控制芯片）的封装体积急剧减小，然而电源的隔离依然采用体积较大的磁性器件，成为了制约开关电源功率密度提高的主要因素。
针对开关电源磁性器件体积过大的问题，现在高功率的开关电源模块通常采用PCB制作的平板磁性器件。平板磁性器件通常呈低高度的扁平状，采用小尺寸的EC形、EI形或环形平面铁氧体磁心，依托现有的PCB工艺，用PCB的铜箔来代替变压器的绕线，由于PCB自身存在一定的硬度，可直接支撑高频铁氧体，从而省去变压器骨架，使其高度远低于传统的磁性器件。
现阶段，实现高功率密度开关电源的PCB平板磁性器件的方法主要有两种：
1.独立制作开关变换器的磁性元件。其方法就是独立制作变换器的PCB功率变压器和功率电感器，将制成的元件分别安装到需要磁性元件的地方。其优点是功率电感器和变压器独立设计，无相互影响，更容易设计出最优的变压器和电感器；缺点就是独立设计制作变压器和电感器装配工艺过多，不利于变换器布局的优化，磁性器件所占体积过大，不利于提高功率密度。
2.开关变换器的磁性器件和电路集成在同一块PCB上。其方法是将变换器所有磁性器件的绕组和电路布线都集成在同一块多层PCB上。由于变压器的绕组与变换器的电路布线同时完成，整个变换器只需要将磁性器件所需要的高频铁氧体贴于设计的PCB。优点是磁性器件绕组高度与主电路板一致，变换器高度较低，磁性器件装配容易，变压器和电感器单独设计，抗应力效果较好；缺点是需要高成本的多层板，如大电流（大于10A）变压器通常需10层以上的PCB，且所有线圈处于PCB内部不利于散热。
正激同步整流结构存在两个必要的磁性器件：功率电感器和功率变压器。采用方法1或方法2设计这两种磁性器件的不足都是十分明显的：方法1设计面临装配工艺过多，功率密度难以提高的问题；方法2由于成本的限制，低成本场合很难得到应用。相比基本的正激结构，采用同步整流技术的正激结构（如图1），磁性器件与开关器件的相对位置发生了改变，虚线方框内为两个必须的磁性器件，变压器的次级同名端与电感器的输入端有直接的电气连接，根据这个特性将两个磁性器件集成为一个磁性器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于正激同步整流变换器的PCB平板磁性器件，采用该磁性器件的正激变换器降低了磁性器件的装配难度、节约空间和保持低成本。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，适用于正激同步整流的PCB平板磁性器件，包括变压器部分，变压器部分的绕组由带有金属层的多张重叠的双面PCB板形成，其特征在于，初级绕组和次级绕组设置于不同的PCB板，承载初级绕组的PCB板和承载次级绕组的PCB板相互交错设置；还包括电感部分，电感部分的绕线也由所述双面PCB板的金属层形成；变压器部分和电感部分中，相同PCB板上的绕线通过设置于PCB板的过孔连接，不同PCB板上的绕线通过焊锡浇铸过孔连接；所述电感部分包括至少两个并联的电感；变压器部分的次级输出端和电感部分的输入端共用一组过孔，整个磁性器件只有5个引脚。
所述电感部分包括3个并联的电感。
所述变压器部分初级绕组为6匝，次级绕组为4匝，电感器部分中，每个电感的匝数为3.5匝，磁心材质为R3.3KF，尺寸参数为：内径宽度A=22mm；中心柱高度C=2mm；长度B=29mm；宽度D=8mm；高度E=4.5mm。
本发明的有益效果是，
①将功率变压器和电感集成为一个独立器件，减少了装配难度，同时提高了空间的利用率。
②将变压器和电感器的输出共用一个引脚，两个元件从需要6个引脚变为5个，不仅提高空间利用率，而且降低相互连接的直流阻抗。
③采用多块双层PCB板拼装的变压器，可以任意的并联或串联，容易满足大的电流需求。
④变压器需要的匝数通常大于电感器，因此可以制作多个并联的功率电感绕组，进一步降低直流阻抗。
附图说明
图1正激同步整流的基本电路。
图2适用于正激同步整流的PCB平板磁性器件。
图3是图2所述的交叉结构分解示意图。
图4是图2所述的交叉结构布线示意图。
图5打磨的EC29型尺寸。
图6是图2所述的普通结构分解示意图。
图7是图2所述的次级加倍交叉结构分解示意图。
图8是图2所述的次级加倍交叉结构布线示意图。
具体实施方式
参见图1、图2，本发明包括磁心、变压器的原、副边绕线和电感器的绕线。变压器原、副边绕线和电感的绕线都为PCB上的印制线，每一个变压器的PCB绕组（原或副边绕组）都伴有一个电感器绕组，其中磁性元件的变压器与输出功率电感器共用一组过孔，不同的双层PCB通过过孔浇灌焊锡相连。
本文中，上下重叠且排列为直线的数个金属化通孔称为“一组”过孔。下文中的过孔都是以组为单位，例如，过孔8是指各层PCB板上重叠且排列为直线的多个金属化通孔组。
作为一种实施方式，变压器初级为同名端输入，变压器次级的同名端与功率电感的输入端共用一组过孔8，且变压器次级的连接过孔（8、10、12、14和15）与功率电感的连接过孔（8、9、11和13）位于一条直线上（如图2）。
作为优选，每个板厚为0.4mm的双层PCB板只提供初级（或次级）两匝绕线。
作为优选，本发明设计的PCB平板磁性器件存在5个引出端，其中4个为变压器引脚端（图2中P1、P2、S1和S2），功率电感与变压器引脚共用一个引脚（图2中S1），剩下一个引脚为电感输出引脚（图2中L2）。
作为优选，所述的磁心为EC（或EI、EE）型磁心（图2中17），所述的PCB板上开有两个与磁心突起柱相对应的过孔；两副磁心形成独立的两个磁路，一个为耦合变压器的原副边绕组，另一个提供功率电感的磁路。
实施例1：
如图3、图4、图5所示，本发明实例中，整个磁性器件包括两副EC型磁心、带有印制线的多块双层PCB（本实施例中采用5块）作为变压器原、副边绕组和电感器绕组和5个磁性器件引脚（包括变压器和电感的引脚）。
其中，磁心采用扁平状的EC型高频铁氧体，具有高度低、有效面积大的特点，特别是磁心中心形状为圆弧形，不但可提高PCB的利用率，而且能够减少变压器的漏磁。双层PCB为变压器的初、次级绕组和电感器的绕组，其中PCB上的铜箔为磁性器件的绕线。每一块双层PCB的顶层和底层导线代表两匝绕线，这两匝同为变压器的初级或次级，与之相对应的另一个导电线圈为功率电感的绕线。上下两匝绕线通过PCB的过孔直接相连，具有电气连接的不同双层PCB通过两端的过孔浇灌焊锡连接。由于变压器次级同名端和电感器的输入端为同一电气节点（如图1），变压器的次级同名端和电感器的输入端共用一个引脚S1，整个磁性器件只需要5个引脚与相应的PCB电路相连接。
实施例中的变压器的初级匝数为6，次级匝数为4匝，功率电感的匝数为3.5匝，其中变压器的初级为6匝需要3块双层PCB完成，次级4匝需要两块双层PCB完成，整个变压器设计需要5块双层PCB，而功率电感只需要两块双层PCB，可以设计两个相同的功率电感绕组。
磁性器件的双层PCB采用图3所示的交叉结构。PCB板排布从上往下（T1-T5）依次排布，其中T1、T3和T5为变压器的初级，T2和T4为变压器的次级，T1和T2构成一组功率电感绕组，T3和T4同时构成另外一组功率电感绕组。由于T1、T2、T3、T4和T5为相互交叉的排布，变压器工作时的磁动势相互抵消，设计的PCB平板变压器能够获得较低的漏感。两个相同的功率电感绕组并联，降低了功率电感的直流损耗。为了保证较大的额定电流，双层PCB的铜箔几乎覆盖整个绕组，如图4所示。T1、T2、T3和T4双面PCB左右两边都存在绕线，T5的功率电感并不需要任何线圈，T1-a为双层PCB板的顶层，T1-b为双层PCB板的底层，其余双层PCB依次类推。
磁性器件的过孔设计如图3所示，过孔1、7、8、15和16分别与磁性器件的输出引脚P1、P2、S1、S2和L2相连，其中过孔8为变压器和电感的共用过孔，过孔16为电感器的输出端，过孔1、7和15为变压器的输出端。由于所有绕组都基于双层PCB板实现，处于同一张PCB板的两面的绕线通过金属化通孔直接进行电气连接，需要电气连接的处于不同PCB板上的绕线通过过孔浇铸焊锡连接。变压器的次级过孔和功率电感的过孔（8-15）排布成一条直线，最大限度的提高磁性器件的空间利用率。
作为实施例，设计时采用EC29型、材质为R3.3KF（主要参数如表1）的高频铁氧体为磁性器件的磁心，并对该型磁心的宽度和高度进行打磨得到图5尺寸，功率电感器的磁心开有0.18mm的气隙。经测试，整个磁性器件的变压器初级电感量为99.84μH，漏感为0.69μH，功率电感值为4μH。
表1R3.3KF主要参数
实施例2：
如图4、图5、图6所示，本发明实例中，整个磁性器件包括两副EC型磁心、带有印制线的多块双层PCB（本实施例中采用5块）作为变压器原、副边绕组和电感器绕组和5个磁性器件引脚（包括变压器和电感的引脚）。
其中，磁心采用扁平状的EC型高频铁氧体，具有高度低、有效面积大的特点，特别是磁心中心形状为圆弧形，不但可提高PCB的利用率，而且能够减少变压器的漏磁。双层PCB为变压器的初、次级绕组和电感器的绕组，其中PCB上的铜箔为磁性器件的绕线。每一块双层PCB的顶层和底层导线代表两匝绕线，这两匝同为变压器的初级或次级，与之相对应的另一个导电线圈为功率电感的绕线。上下两匝绕线通过PCB的过孔直接相连，具有电气连接的不同双层PCB通过两端的过孔浇灌焊锡连接。由于变压器次级同名端和电感器的输入端为同一电气节点（如图1），变压器的次级同名端和电感器的输入端共用一个引脚S1，整个磁性器件只需要5个引脚与相应的PCB电路相连接。
实施例中的变压器的初级匝数为6匝，次级匝数为4匝，功率电感的匝数为3.5匝，其中变压器的初级为6匝需要3块双层PCB完成，次级4匝需要两块双层PCB完成，整个变压器设计需要5块双层PCB，而功率电感只需要两个双层PCB，可以设计两个相同的功率电感绕组。
磁性器件的双层PCB采用图6所示的普通结构。PCB板排布是首先排布变压器的初级（T1、T3和T5），接着排布变压器的次级（T2和T4），T1和T2构成一组功率电感绕组，T3和T4同时构成另外一组功率电感绕组。两个相同的功率电感绕组并联，降低了功率电感的直流损耗。为了保证较大的额定电流，双层PCB的铜箔几乎覆盖整个绕组，如图4所示。T1、T2、T3和T4双面PCB左右两边都存在绕线，T5的功率电感并不需要任何线圈，T1-a为双层PCB板的顶层，T1-b为双层PCB板的底层，其余双层PCB依次类推。
磁性器件的过孔设计如图6所示，过孔1、7、8、15和16分别与磁性器件的输出引脚P1、P2、S1、S2和L2相连，其中过孔8为变压器和电感的共用过孔，过孔16为电感器的输出端，过孔1、7和15为变压器的输出端。由于所有绕组都基于双层PCB板实现，处于同一张PCB板的两面的绕线通过金属化通孔直接进行电气连接，需要电气连接的处于不同PCB板上的绕线通过过孔浇铸焊锡连接。变压器的次级过孔和功率电感的过孔（8-15）排布成一条直线，最大限度的提高磁性器件的空间利用率。
表2R3.3KF主要参数
作为实施例，设计时采用EC29型、材质为R3.3KF（主要参数如表2）的高频铁氧体为磁性器件的磁心，并对该型磁心的宽度和高度进行打磨得到图5尺寸，功率电感器的磁心开有0.18mm的气隙。经测试，整个磁性器件的变压器初级电感量为103.98μH，漏感为0.78μH，功率电感值为4μH。
实施例3：
如图5、图7、图8所示，本发明实例中，整个磁性器件包括两副EC型磁心、带有印制线的多块双层PCB（本实施例中采用7块）作为变压器原、副边绕组和电感器绕组和5个磁性器件引脚（包括变压器和电感的引脚）。
其中，磁心采用扁平状的EC型高频铁氧体，具有高度低、有效面积大的特点，特别是磁心中心形状为圆弧形，不但可提高PCB的利用率，而且能够减少变压器的漏磁。双层PCB为变压器的初、次级绕组和电感器的绕组，其中PCB板上的铜箔为磁性器件的绕线。每一块双层PCB的顶层和底层导线代表两匝绕线，这两匝同为变压器的初级或次级，与之相对应的另一个导电线圈为功率电感的绕线。上下两匝绕线通过PCB的过孔直接相连，具有电气连接的不同双层PCB通过两端的过孔浇灌焊锡连接。由于变压器次级同名端和电感器的输入端为同一电气节点（如图1），变压器的次级同名端和电感器的输入端共用一个引脚S1，整个磁性器件只需要5个引脚与相应的PCB电路相连接。
实施例中的变压器的初级匝数为6匝，次级匝数为4匝，功率电感器的匝数为3.5匝，其中变压器的初级为6匝需要3块双层PCB完成，次级4匝加倍需要4块双层PCB完成，整个变压器需要7块双层PCB，而功率电感器只需要2块双层PCB，可以设计3个相同的功率电感绕组。
磁性器件的双层PCB采用图7所示的次级加倍交叉结构，即通过将PCB平板变压器的次级匝数加倍，使得每个初级PCB绕组都能够与次级PCB绕组相邻。通过这种方式，能够降低次级的直流损耗、减小漏感、提高变压器的载流能力。PCB板排布是变压器初级绕组（T2、T4和T6）分别插入变压器的次级绕组（T1、T3、T5和T7）。其中，T1和T3、T5和T6构成2个变压器的次级绕组，通过并联保持变压器的匝数比不变；T1和T2、T3和T4、T5和T6构成3个功率电感绕组。由于T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7为相互交叉排布，变压器工作时的磁动势相互抵消，设计的PCB平板变压器能够获得较低的漏感，且增加的次级绕组通过并联获得低的直流阻抗；3个相同的功率电感绕组并联，降低了功率电感的直流损耗。为了保证较大的额定电流，双层PCB的铜箔几乎覆盖整个绕组，如图8所示。T1、T2、T3、T4、T5和T6双面PCB左右两边都存在绕线，T7的功率电感绕组并不需要任何线圈，T1-a为双层PCB板的顶层，T1-b为双层PCB板的底层，其余双层PCB依次类推。
磁性器件的过孔设计如图7所示，过孔1、7、8、15和16分别与磁性器件的输出引脚P1、P2、S1、S2和L2相连，其中过孔8为变压器和电感的共用过孔，过孔16为电感器的输出端，过孔1、7和15为变压器的输出端。由于所有绕组都基于双层PCB板实现，处于同一张PCB板的两面的绕线通过金属化通孔直接进行电气连接，需要电气连接的处于不同PCB板上的绕线通过过孔浇铸焊锡连接。变压器的次级过孔和功率电感的过孔（8-15）排布成一条直线，最大限度的提高磁性器件的空间利用率。
表3R3.3KF主要参数
作为实施例，设计时采用EC29型、材质为R3.3KF（主要参数如表3）的高频铁氧体为磁性器件的磁心，并对该型磁心的宽度和高度进行打磨得到图5尺寸，功率电感器的磁心开有0.18mm的气隙。经测试，整个磁性器件的变压器初级电感量为99.53μH，漏感为0.22μH，功率电感值为4μH。
Claims (3)
1.适用于正激同步整流的PCB平板磁性器件，包括变压器部分，变压器部分的绕组由带有金属层的多张重叠的双面PCB板形成，其特征在于，初级绕组和次级绕组设置于不同的PCB板，承载初级绕组的PCB板和承载次级绕组的PCB板相互交错设置；还包括电感部分，电感部分的绕线也由所述双面PCB板的金属层形成；变压器部分和电感部分中，相同PCB板上的绕线通过设置于PCB板的过孔连接，不同PCB板上的绕线通过焊锡浇铸过孔连接；所述电感部分包括至少两个并联的电感；变压器部分的次级输出端和电感部分的输入端共用一组过孔，整个磁性器件只有5个引脚。
2.如权利要求1所述适用于正激同步整流的PCB平板磁性器件，其特征在于，所述电感部分包括3个并联的电感。
3.如权利要求2所述适用于正激同步整流的PCB平板磁性器件，其特征在于，所述变压器部分初级绕组为6匝，次级绕组为4匝，电感器部分中，每个电感的匝数为3.5匝，磁心尺寸参数为：内径宽度A=22mm；中心柱高度C=2mm；长度B=29mm；宽度D=8mm；高度E=4.5mm。
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