CN105097229A - 使用柔性电路制造磁性设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用柔性电路制造磁性设备和方法。一种使用柔性电路的磁性设备和制造的相关方法。导电柔性电路迹线，或这些迹线与导电印刷电路板或其它基底迹线的组合形成围绕环形铁磁磁芯的绕组。弯曲柔性电路到部分环形或满环形成部分或全部绕组。粘结或流焊将绕组电连接一起并到印刷电路板或其它基底。该方法得到的变压器具有较高的转换效率，与以往的印刷电路板和容易得到的大批量组装设备兼容，并且避免手动进行绕组的较高成本。

Description

使用柔性电路制造磁性设备和方法

相关申请

本申请要求于2014年5月15日提交的标题为“magneticdevicesandmethodsformanufactureflexcircuit”临时申请U.S.Ser.No.61/993,942的的优先权，在此通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本申请的主题涉及电感器和变压器以及制造这些电子设备的方法，并且特别涉及利用柔性电路连接器或“柔性电路”用于具有磁芯的变压器和电感器的简化低成本组装的方法。

背景技术

变压器通过导电绕组之间的电感耦合传递电能。例如，变压器可以允许磁耦合电感器绕组的交替电压和/或电流升高或降低。圈在初级绕组中的圈数与次级绕组的比率决定理想变压器的步进比。绕组可环绕包括铁氧体或其他易磁化的铁磁材料的环形磁芯。环形铁磁铁心提供了闭合的磁回路，以更有效地含有磁通量和感应链接绕组。

取决于相关的应用，制造商创建各种尺寸的变压器。如果变压器足够大的，例如，尺寸大于三英寸，常规的绕线机可用于围绕环形线圈放置导体。如果环形线圈尺寸上比得上一英寸，常规的拉钩机械可用于帮助手动卷绕过程。对于较小的环形线圈，该绕组通常全部由手工缠绕，导致显著的制造成本。

避免手缠绕环形线圈的一种已知方法是使用分裂铁磁芯，其允许机器制造绕组被插入。制造商可进行机械连接铁磁材料件。但是，与连续不间断环形线圈相比，该组装方法可降解得到的设备的磁效率。其它方法将铁磁材料嵌入印刷电路板，与使用常规的印刷电路板相比，其可以进一步增加制造成本。因此，虽然环形铁氧体电感器或变压器由于其高效率用于许多应用中，涉及到制造成本和复杂性的困难仍然没有得到解决。

因此，有必要在本领域开发低成本的绕组小环形线圈电感器和变压器，诸如经设计用于附着到常规印刷电路板的那些。

发明内容

在某些实施例中，提供一种磁性设备，其公开单件式环形和至少一种柔性电路，包括围绕环形线圈形成的至少一匝的至少一个导电迹线，以便感应耦合至少一个电流到环形线圈。在某些实施例中，提供一种制造磁性设备的方法，其公开通过卷绕柔性电路产生组件，所述柔性电路包括围绕单件式环形线圈的至少一个导电迹线，以形成至少一匝用于感应耦合至少一个电流到环形线圈。在某些实施例中，变压器被提供，公开了一种具有形成有多个迹线段、环形磁芯和一对柔性电路的基底，每个柔性电路围绕核心的相应引脚，以及具有在其中形成的多个迹线段，其中第一柔性电路的迹线段的第一子集、第二柔性电路的迹线段的第一子集以及基底的迹线段的第一子集电互连彼此以形成变压器的第一绕组，和第一柔性电路的迹线段的第二子集、第二柔性电路的迹线段的第二子集以及基底的迹线段的第二子集电互连彼此以形成变压器的第二绕组。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的示例性变压器的示意图。

图2是示出根据本发明实施例的第二示例性变压器的示意图。

图3是示出根据本发明实施例的第三示例性变换器的示意图。

图4是示出根据本发明实施例的第四示例性变压器的示意图。

图5是示出根据本发明实施例的第五示例性变压器的示意图。

图6是根据示出本发明的一个方面的不同横截面的示例性环形铁磁磁芯的示意图。

图7是描述根据本发明的一个方面的柔性电路磁性设备的制造方法的流程图。

具体实施方式

本说明书公开了基于柔性电路和印刷电路板的环形电感器和变压器，以及它们的制造方法。柔性电路包括其中具有至少一个柔性导体层的柔性电介质膜，并被广泛应用于工业。这些磁性设备中的绕组可以通过将柔性电路材料弯曲成局部环形或绕环形铁磁核心的完整环形而产生。绕组或匝的部分可以包括在印刷电路板或其他基底(诸如，另一个柔性电路)上的导电迹线。接合或焊料流方法例如可电和机械互连在印刷电路板或其他基底上的柔性电路绕组和/或导电焊盘或迹线。

图1示出了根据本发明实施例的变压器100。图1(a)示出变压器100的平面图。图1(b)示出沿着图1(a)的线(b)-(b)截取的变压器100的横截面。图1(c)示出在组装之前的变压器100的组件。变压器100可包括一对柔性电路110、铁磁芯120以及基底130。铁磁芯120可被安装在基底130上。每个柔性电路110上可以缠绕铁磁芯120的一部分。柔性电路110和基底130可以具有在其中形成的导电迹线106和108，所述导电迹线106和108可以电连接到彼此以形成关于铁磁芯120的一对绕组，其完成变压器电路。

在本实施例中，基底130可包括具有至少一个导电层的介电材料，在这里简单起见示为外表面。导电层实际上可以位于外介电层之下，通过其该访问路径已被打开、腐蚀通孔、钻孔或其他制造技术。基底130可以包括在其中的多个导电层，其每一个都可以从外部再次通过通孔或其它结构在预定位置电访问。在一个实施例中，基底130可以是印刷电路板。在另一个实施例中，基底130可以是基底的柔性电路。

基底130可以包括一个或多个导电迹线106，其被布置为在相应的柔性电路110中与所述迹线108接口。在图1的示例中，迹线106被显示为相等长度的平行线段，每个线段由预定的距离隔开。在本实施例中，每个导电迹线106的端部被示出，以对准相邻迹线106的相对端。当迹线106连接到柔性电路110的迹线108时，他们完成围绕铁磁芯120的多匝绕组环路。

该柔性电路110可包括由材料(诸如，例如聚酰亚胺)制成的电介质膜，以及一个或多个柔性电路的导电迹线108。六个柔性电路的导电迹线108在本实施例中示出。如本实施例所示，柔性电路的导电迹线108可以是平行、等距并与柔性电路110纵向对齐。柔性电路的导电迹线108可以由例如铜或金的韧性金属层制成，其可以例如是10至25微米的厚度。所述柔性电路110可以具有柔性电路大约十倍的导电迹线108的厚度的最小弯曲半径，以防止裂纹形成在柔性电路的导电迹线108中。

柔性电路110的几何尺寸可以被相互关联，柔性电路的导电迹线108通常由柔性电路110的导体厚度的两倍隔开。柔性电路的导电迹线108可以周期性地以50微米的间距间隔P隔开，例如。所述柔性电路的几何结构也可指基底特征尺寸，柔性电路的导电迹线108通常间隔迹线106宽度的两倍间隔开，以帮助确保正确的互连。

该柔性电路的导电迹线108可以位于柔性电路110电介质膜的一侧或两侧。柔性电路的导电迹线108通常嵌入在各种电介质层之间，并可从外部在特定位置进行电访问。接触开口可以光刻或通过激光烧蚀或例如其它常规的生产方法形成。在该图中，两个这样的接触开口112和114可以被分别连接到基底接触垫116和118。为了清楚，接触开口和焊盘通常显示超大，但也可以是与柔性电路的导电迹线108的宽度大致相同的尺寸。

铁磁芯120可使用例如胶水或电路制造领域熟悉的其他装置附着到基底130。柔性电路110可基本上沿纵向缠绕在铁磁芯120，并使用粘接、流动焊接或其它已知制造方法连接到基底130。柔性电路110被装配成使得柔性电路的导电迹线108电连接到基底130的对应导电部分，诸如导电迹线106、像116和118的接触垫、或相关通孔。

柔性电路110和基底导电迹线106的装配的结果是感应绕组的形成，其可以通过基底导电迹线106和柔性电路的导电迹线108传导电流。在该图中示出的组装绕组中的电流可以例如从接触垫118通过接触开口114、向上通过第一柔性电路的导电迹线108、越过铁磁芯120和向下到第一印刷电路板上的导电迹线106和左通过印刷电路板上的导电迹线106等等，直至到达印刷电路板接触垫116。电流可以由此包围铁磁芯120，为例如大约5.75整圈，以诱导磁流。柔性电路110也可被机械地附连到铁磁芯120，使用例如胶水，以帮助防止弯曲或振动损坏粘合或焊接连接。

尽管图1示出了具有两个绕组的变压器100，本发明的原理允许说明的技术被应用到具有单个绕组的电感器，通过围绕铁磁芯120的一腿包装单个柔性电路110。替代地，电感器可以具有被电连接到彼此以形成较大电感器元件的多个绕组。附加绕组可围绕铁磁芯120的相反侧形成，如图中横截面示出，但本发明的实施例不限于这样的布置。一个或多个绕组也可围绕铁磁芯120中的一个或多个相邻的边形成。实际上，多个绕组通常可以围绕铁磁芯120的任何特别一面或两面形成。此外，虽然图1示出变压器100具有每一个在单独柔性电路110上的两个绕组，具有多个绕组都在单一柔性电路110的实施例也在本发明的范围之内。

具有直壁的铁磁磁芯120可以使收紧每个柔性电路110，比圆形横截面的铁磁芯是可行的。此直壁特征可以使更多的单个柔性电路110被紧紧缠绕在铁磁芯120的给定侧。这样的铁磁磁芯示于图6并如下描述。

图2示出根据本发明另一实施例的第二变压器200。在本实施例中，变压器200可以包括一对柔性电路210、铁磁芯220以及基底230。铁磁芯220可被安装在基底230上。每个柔性电路210可环绕铁磁的一部分芯220。柔性电路210和基底230可具有形成在其中的导电迹线，其可以电连接到彼此以形成围绕铁磁芯220的一对绕组，其完成变压器电路。

本实施例与图1的不同之处在于，该基底的导电迹线206可成角度，使得每隔一个基底的导电迹线206可以被对准，如图所示。一般地，其它角度或基底的导电迹线的形状可以被选择，使得每n个导电迹线可以对齐。在本实施例中，在两个柔性电路210的迹线208接口基底230对应迹线206的部分，以形成第一绕组。两个柔性电路210的迹线的其余部分可以与基底230对应迹线接口，以形成如前所述的第二卷绕，或者如图所示可以保持不使用。

导电迹线206角度的变化可以使得形成不平衡转换器或传输线变换器。在本实施例中，所形成的绕组可以各自包括三个完整圈，因为不是所有的柔性电路的导电迹线208或基底的导电迹线206用于携带电流。再次需要注意，可以使用柔性电路210的一些柔性电路导电迹线208用于第一绕组，以及相同柔性电路210的其他柔性电路导电迹线208用于第二绕组，使得单个组装柔性电路210单独可以形成变压器200。

图3示出根据本发明另一实施例的第三变压器300。这种变压器实施例可以包括基本上完全围绕铁磁芯320的一侧缠绕的柔性电路310，以产生电感绕组。第二绕组，这里示出为非限制性的第二柔性电路310，可完成变压器300。无基底的导电迹线被要求作为匝的部分，如先前描述的实施例示出。

全柔性电路环路变压器像300可从铁磁芯320和多个柔性电路310组装，并储存以备之后附着到基底(诸如，印刷电路板或其他柔性电路)。这种区别可以使在一定程度上电路组件操作并行和/或地理上分布，这可能是特别有用的。可替代地，全柔性电路回路的变压器组件可以包括基本上同时的组件安装到印刷电路板或作为基底的另一柔性电路。虽然这后一种方法在随后更详细地描述，本发明的实施例并不局限于此。

电路310与先前描述的局部环变压器的实施例的柔性电路不同在于，它的柔性电路导电迹线308不一定纵向对齐柔性电路310的边缘。取而代之的是，柔性电路导电迹线308可以倾斜，使得给定迹线308的起始端与另一迹线308的另一端对齐。在本实施例中，给定迹线308的起始端可以对准紧邻的迹线308。结果，当柔性电路310被缠绕在铁磁芯320的一侧时，可形成螺旋绕组。在所示的例子中，得到的绕组包括六个全匝，六个柔性电路导电迹线308的每个携带围绕铁磁芯320的相同电流。

为了清楚起见，柔性电路310上的接触垫312和314再次示出过大，并可用于将柔性电路310连接不仅到本身而且到印刷电路板或其他基底上的特殊接触(未示出)。如同前面的实施例，柔性电路310中的图案化接触开口可以使各柔性电路的导电迹线308之间按需要的外部电连接。同样，粘接、流焊或其他公知的制造方法可以形成每个柔性电路310的端部之间和/或印刷电路板或其它基底上的永久电气和机械连接。

在一个实施例中，柔性电路310的特定端部可被固定到适当位置的基底上，所述柔性电路310的再相反端亦可在铁磁芯320基本上纵向供给和缠绕在铁磁芯320，以形成全循环。操作的顺序，也可以在制造期间扭转，以使每个所述柔性电路310的一端可以通过铁磁芯被供给320首先，之前的包装。每个柔性电路310可以使用胶水或其它公知的手段被固定到铁磁芯320，以防止在键合或焊接之前由于弯曲或振动断开。

图4示出了根据本发明实施例的第四示例变压器400。在本实施例中，变压器400可以包括一对柔性电路410个铁磁芯420。此变压器实施例可以包括基本上完全围绕铁磁芯420的一侧缠绕的柔性电路410，以产生电感绕组。第二绕组(这里示出为非限制性的第二柔性电路410)可完成变压器400。无基底的导电迹线被要求作为线匝的部分。

本实施例与图3的不同在于：柔性电路的导电迹线408可成角度，使得每隔一个的柔性电路导电迹线408对齐。一般地，其它角度可被选择，使得每n个柔性电路的导电迹线408可以被对准。柔性电路的导电迹线408的角度变化可以使得形成不平衡转换器或传输线变换器。在本实施例中，最外绕组形成可包括三个整圈，因为只有两个最外侧和中心柔性电路的导电迹线408用来传导其电流。由如图所示相同的柔性电路410形成的第二绕组仅包括两整圈，因为仅示出的第二和第四柔性电路导电迹线408用于传导其电流。任何数量的柔性电路的导电迹线可被放置在任何实施例的任何柔性电路上，只要足够的空间存在于铁磁芯的中心空腔。

图5示出了根据本发明实施例的第五示例性变压器500。在本实施例中，变压器500可以包括一对柔性电路510和铁磁芯520。该变压器实施例可以包括基本上完全围绕铁磁芯520的一侧缠绕的柔性电路510，以产生电感绕组。第二绕组(这里示出为非限制性的第二柔性电路510)可完成变压器500。无基底的导电迹线被要求作为线匝的部分。

本实施例与图3的不同在于：该柔性电路3的导电迹线508可以具有焊盘512和514(为了清楚起见，再次示出过大)横向间隔围绕柔性电路510的中心。柔性电路510的每一个单独端可以缠绕“向上”围绕铁磁芯520，用于连接铁磁芯520的相对侧(或“顶部”)。因此，在柔性电路510上安置柔性电路导电迹线的508的接触点通常可以被改变，以最佳定位用于最容易管理制造操作并降低成本。

图6示出根据本发明实施例的不同的横截面平面图的示例性环形铁磁磁芯602-608。在该图中，横截面通过沿垂直于中心腔的轴线的平面的各铁磁芯获取；即，铁磁芯空腔朝上，横截面通过水平平面截取。本文所描述的环形铁磁磁芯不一定是圆形的，而是可在形状上更加正方形或长方形。例如，虽然环形602特征化完全矩形的角落，圆环604具有两个圆形内角和圆形外角。除了一个端部，磁环606是矩形的，其是圆形的内外角落。磁环608是椭圆形的，但有两个直边。环形线圈可以包括铁素体聚合物或类似的已知铁磁材料，以及可以机械刚性。

在本说明书中，这些示例性和非限制性铁磁磁芯被简称为“环形线圈”，并且可以用于构建描述的任何实施例。这些铁磁芯可具有具有直形的至少一个侧面，其是具有圆形横截面的铁磁芯的情况。如所描述的直边铁磁芯特征可能是特别有利的，因此具有特别实用性，对于制造使用柔性电路的变压器。然而，圆形横截面的铁磁铁心也是本发明的实施例的范围之内。常规磁环的尺寸可以沿外边缘小于1厘米，并且可以沿内边缘小到约1毫米，但较大的磁芯也是本发明的实施例的范围之内。

现在参考图7，根据本发明的一个方面，示出描述先前描述的装置的制造方法的流程图。流程图可以描述由处理器通过以下存储在非瞬时计算机程序产品可执行指令的操作，例如。所述指令可以控制上述各种示例实施例的磁性设备的制造。

在702，该方法可从输入数据确定局部回路磁性设备或完整环路磁性设备是否将被组装、柔性电路的数量、绕组的数量和每个绕组的匝数。柔性电路和选择的铁磁芯相关的几何形状也可被辨别。在704，该方法可以选择性地附加铁磁芯到印刷电路板或其它基底，并连接一定数目的柔性电路以形成局部循环柔性电路的磁性设备。在706，该方法可以选择性地围绕铁磁芯包裹一定数量的柔性电路，以形成完整环路柔性电路的磁性设备。在708，根据输入设计数据，该方法可以执行结合或流焊或其它制造操作，以电连接柔性电路。

虽然本发明的具体实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的范围和精神之内的各种不同修改都是可能的。本发明仅由所附权利要求的范围来限定。

如上所述，本发明的一个方面涉及磁性设备和它们的制造方法。所提供的描述呈现以使任何所属领域技术人员能够制造和使用本发明。出于解释的目的，特定的术语被阐述以提供本发明的彻底理解。具体应用和方法的描述被提供仅作为例子。优选实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，本文所定义的一般原理可被应用于其它实施例和应用，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不旨在限于示出的实施例，而是要符合与本文公开的原理和步骤相一致的最宽范围。

如本文所使用的，术语“一”或“一个”指一个或多于一个。术语“多个”是指两个或两个以上。术语“另一个”被定义为第二个或更多。术语“包括”和/或“具有”是开放式的(例如，包含)。本文通篇中对“一个实施例”、“某些实施例”、“实施例”或类似的术语的提及意味着特定特征、结构或与该实施例描述特性被包括在至少一个实施例中。因此，在不同的地方贯穿本说明书中这样的短语的出现不一定全部指的是同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式在非限制性的一个或多个实施例中组合。如本文所用，术语“或”是将被解释为包含性的或含义的任何一个或任何组合。因此，“A，B或C”意味着“任何如下：A；B；℃；A和B；A和C；B和C；A，B和C”。当元件、功能、步骤或动作的组合以某种方式固有地相互排斥，此定义的例外将只发生。

根据计算机编程技术人员的实践，实施例是参照其可以由计算机系统或类似的电子系统执行的操作描述。这样的操作有时被称为计算机执行。应当理解，用符号表示的操作包括由处理器(诸如，中央处理单元)操纵表示数据比特的电信号和在存储器位置(诸如如，系统存储器)的数据比特的维护，以及信号的其它处理。其中，数据位被保持的存储器位置是具有对应于数据位特定电、磁、光或有机属性的物理位置。

当在软件中实现时，实施例的元件基本上是执行特定任务的代码段。非临时性代码段可被存储在处理器可读介质或计算机可读介质，其可包括可存储或传递信息的任何介质。这种介质的示例包括电子电路、半导体存储器设备、只读存储器(ROM)、闪速存储器或其它非易失性存储器、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质等。用户输入可包括键盘、鼠标、触摸屏、语音命令输入等的任何组合。用户输入可以类似地用于指导浏览器应用程序执行用户计算设备上的一个或多个网络资源，诸如从该计算资源可以被访问的网页。

Claims (20)

1.一种磁性设备，其包含：

单件环形；和

至少一个柔性电路，其包含形成围绕环形线圈的至少一匝的至少一个导电迹线，以感应耦合至少一个电流的磁通到所述环形线圈。

2.如权利要求1所述的设备，其中基于许多不同的电流，所述设备作为电感器和变压器中的一个。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述环形线圈包括铁氧体。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个柔性电路包括多个柔性电路，每个柔性电路形成围绕在环形线圈的至少一个绕组。

5.如权利要求1所述的设备，所述至少一个柔性电路包括嵌套柔性电路，所述每个柔性电路形成围绕所述环形线圈的特定部分的至少一个绕组。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述环形线圈仅由所述柔性电路附着到印刷电路。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述环形线圈是刚性的。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个导电迹线包括在所述柔性电路的特定层的相邻导电迹线，每个相邻导电迹线形成至少一个单独绕组。

9.如权利要求1所述的设备，所述至少一个导电迹线包括多条迹线，且其中所述迹线的角度取向确定绕组匝数。

10.如权利要求1所述的设备，其中，所述柔性电路包括多个绕组。

11.一种制造磁性设备的方法，其包括：

通过围绕单件式环形线圈包裹包含至少一个导电迹线的柔性电路产生组装，以形成至少一匝，用于感应耦合至少一个电流的磁通到所述环形线圈。

12.如权利要求11所述的方法，其中，基于许多不同的电流，所述设备操作作为电感器和变压器中的一个。

13.如权利要求11所述的方法，进一步包括围绕所述环形线圈包裹附加的柔性电路，其中，每个柔性电路形成围绕所述环形线圈的至少一个绕组。

14.如权利要求11所述的方法，进一步包括围绕所述环形线圈的嵌套柔性电路，其中，每个柔性电路形式的至少一个围绕所述环形线圈的特定部分。

15.如权利要求11所述的方法，进一步包括将所述组件附连到印刷电路。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述组件只由柔性电路附着到所述印刷电路。

17.如权利要求11所述的方法，至少一个导电迹线包括在所述柔性电路的特定层的相邻导电迹线，每个相邻的柔性电路上形成至少一个单独绕组。

18.如权利要求11所述的方法，其中，所述至少一条导电迹线包括多条迹线，以及所述迹线的角度取向确定绕组匝数。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述柔性电路包括多个绕组。

20.一种变压器，包括：

具有在其中形成的多个迹线分段的基底；

环形磁芯；和

一对柔性电路，每一柔性电路包裹围绕芯的相应引脚，并且具有形成于其中的多个迹线段，

其中从所述第一柔性电路的迹线段第一子集、从第二柔性电路的迹线分段的第一子集和从所述基底的迹线段的第一子集电互连到彼此以形成变压器的第一绕组，和从第一柔性电路的迹线段的第二子集、从第二柔性电路的第二子集的迹线段以及从该基底的迹线分段的第二子集电互连到彼此以形成变压器的第二绕组。