CN105210163B - 平面型芯型均匀外部场均衡器及其制造 - Google Patents

平面型芯型均匀外部场均衡器及其制造 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种装置，该装置包括：形成于印制线路板（PWB）中并且被磁耦合的第一组绕组和第二组绕组，其中当接收梭施加的电压时第一组绕组产生第一均匀外部场并且感应第二组绕组产生第二均匀外部场；形成于PWB中且位于在第一均匀外部场内部的第一位置的第一导体；和形成于PWB中且位于在第二均匀外部场内部的第二位置的第二导体；其中第一导体与第二导体电耦合。

Description

平面型芯型均匀外部场均衡器及其制造
其它申请的交叉引用
本申请要求2013年4月9日提交的名称为“PLANAR CORE-TYPE UNIFORM EXTERNALFIELD EQUALIZER AND A PLANAR CORE FOR MAXIMUM MAGNETIC VOLUME UTILIZATION”的美国临时专利申请第61/810,091号的优先权，该临时专利申请的全部内容以参考的方式并入本文中用于所有目的。
背景技术
在许多涉及到磁学的电路设计（例如，变压器）中，存在着在耦合磁介质（磁芯）外部所产生的磁通场。通常，这些不合需要的外部场一般被称为“泄漏”，并且有时通过布置成感应抵消效应的遮蔽带（shading band）或磁通屏蔽件而对该外部场加以限制或抑制。然而，由于所谓的“边缘效应”，有间隙的磁介质产生第二和不同形式的外部场。此类型的外部场通常不受到抑制，但会被重新分布或者改变方向。具有独立的、共用的、和有间隙的磁路的耦合磁介质通常将在耦合的所施加的/感应的磁介质路径之间显示“边缘效应”不平衡，并且对运行参数造成伴随的不利影响。例如，在单端初级电感变换器（SEPIC）馈入降压（FEDBUCK）变换器中，当利用其边缘效应未被补偿的磁性元件制造变换器时，如和LSFB（寄生电感）的参数的值较大。
附图说明
在以下的详细说明和附图中公开了本发明的各种实施例。
图1是图解说明典型的磁芯式变压器的图示。
图2是图解说明附带外部场均衡器的变压器电路的实施例的图示。
图3A是附带平面型均衡器的平面型磁芯式变压器的实施例的分解视图。
图3B是如图3A中所示的PWB的俯视图。
图3C是包括均匀场均衡器的平面型变压器的实施例的实例的剖视图。
图3D是包括均匀场均衡器的平面型变压器的实施例的另一个实例的剖视图。
图3E是如图3A的304a或304b的半芯结构的实施例的俯视图。
图3F是如图3A的304a或304b的半芯结构的实施例的三维视图。
图3G是如304a或304b的半芯结构的实施例的侧视图。
图3H是图解说明均匀场均衡器的功能的实施例的图。
图4是图解说明均匀场均衡器的实施例的结构图。
图5是图解说明均匀场均衡器的实施例的示意图。
图6是图解说明制造包括均衡器的平面结构的工艺的实施例的流程图。
图7是形成于单独的层上的图案的示例性俯视图。
图8是图解说明对应于图3C中所示区域330的放大剖视图的图示。
图9A至图9B是SEPIC馈入压降变换器的实施例。
具体实施方式
本发明可以以许多方式而实施，包括工艺、装置、系统、和/或主题的组成。在本说明书中，可将这些实施例或者本发明可采用的任何其它形态称为技术。一般来说，可在本发明的范围内改变所公开工艺的步骤顺序。除非另有说明，被描述成构造成执行任务的如处理器或存储器的部件可具体化为构造成在给定的时间暂时地执行任务的通用部件、或者被制造用于执行任务的特定部件。
下面提供对本发明的一个或多个实施例的详细说明、以及图解说明本发明原理的附图。结合上述的实施例来描述本发明，但本发明并不局限于任何实施例。本发明的范围只是由权利要求所限定，并且本发明包括许多替代、修改和等同物。在下面的描述中陈述了许多具体细节，以便提供对本发明的详尽理解。所提供的这些细节是为了举例的目的，本发明可在没有部分或全部的这些具体细节的情况下根据权利要求而实施。为了清楚的目的，在与本发明有关的技术领域中为已知的技术资料被进行详细描述，因此不会不必要地使本发明难以理解。
公开了一种平面型均匀外部场均衡器及其制造。本文中使用的平面结构是指利用一个或多个印制线路板（PWB）（也称为印制电路板）所形成的结构。典型的PWB包括被绝缘材料的层隔开且利用通孔加以连接的导电材料的层。在一些实施例中，在PWB中形成两组的磁耦合绕组。当接收到所施加的电压时，第一组绕组产生第一均匀外部场并且感应第二组绕组产生第二均匀外部场。为了使UEF中的边缘效应均衡化，将第一导体形成于PWB中并且定位于在第一均匀外部场内部的第一位置，并且将第二导体形成于PWB中并且定位于在第二均匀外部场内部的第二位置。
图1是图解说明典型的磁芯式变压器的图示。变压器100包括耦合到两组绕组104的电磁磁芯102。这些绕组（也称为导电线圈）是用磁耦合的导电导线而形成，因而经过一组线圈的电流变化感应横跨其它组线圈的端部的电压。当把电压施加于绕组时，在如符号106所表示的两个磁芯腿中在相反的方向上感应出磁通。另外，存在二次均匀外部磁场，其在两个腿中在由箭头110所示出的相同方向上行进并且是在磁芯102的外部。为了说明的目的，图中显示箭头指向一个方向；然而，当所施加的电压变化时，均匀外部磁场的方向会发生变化。
二次均匀外部场（UEF）存在于最接近绕组以及在绕组与磁芯之间的区域中。虽然变压器处于稳定状态，但由均匀外部场所感应的感应电压在两个线圈中是相同的并且相互抵消。然而，当变压器处于动态状态时（例如当把电压最初施加于绕组时或者当关闭电压时）时可以存在边缘效应，该边缘效应产生外源性电感和寄生场效应。例如，当把所施加的电压Vapp施加经过绕组的上半侧（也被称为一次侧）时，在绕组的下半侧（也称为二次侧）中出现感应电压Vind。Vapp与Vind之间的差导致边缘效应；具体地，感应出寄生电感L（用虚线表示）。该寄生电感导致损耗并且应当使其最小化。
在一些实施例中，外部场均衡器是用于减小边缘效应。如下面更详细的描述，外部场均衡器的一些实施例将两个或更多的导体对称地布置在具有独立的、共用的和有间隙的磁路的耦合磁介质（如变压器的磁芯）的两个或更多的均匀外部场中。这些导体是电耦合的，从而迫使所施加的/感应的UEF朝向平衡移动，因此恢复常规的“边缘效应”参数。
图2是图解说明附带外部场均衡器的变压器电路的实施例的图示。在变压器电路200中，导体201a和201b构成均衡器。导体201a和201b可以形成为导电板、导线、或者使用导电材料（如铜、合金等）的任何合适形状。导体201a与201b是电耦合的。换句话说，这些导体相互电性接触从而形成闭合的电流路径。在所示出的图示中，将导电板的端部与其它导体（如导线202a和202b）物理连接从而形成闭合的电路路径。如图中所示，导体形成于在绕组与磁芯之间空间中的绕组的内部。也可以将导体放置在其它位置（例如，在绕组的外部），只要导体是在它们的各自UEF的内部。导体201a是用于检测在磁芯顶部中的UEF，导体201b是用于检测在磁芯底部中的UEF。因为所施加的电压Vapp是交变电源，所以UEF的强度随时间推移而变化，并且在各导电板的两侧感应出电压。因为导电板是电耦合的，所以经过这两个导电板的任何电压差将引起电流，这相应地感应出抵消UEF的场。当使UEF与所产生的场相互平衡并且经过导体的电压差接近零时，所述过程达到平衡。
在一些实施例中，均衡器形成于平面结构中。图3A是附带平面型均衡器的平面型磁芯式变压器的一个实施例的分解视图。在图示的实例中，被制造入形成于PWB中的平面结构中均匀场均衡器是用于使存在于变压器磁芯中的边缘效应均衡化。
在此实例中，变压器300包括：形成于PWB中的平面结构302、以及使用铁氧体、硅钢或者其它合适的磁性材料所制成的一组半磁芯304a和304b。平面结构302包括构造成接纳两个半磁芯304a和304b的若干个开口。制作入PWB内部的是被绝缘材料层（例如，塑料层、聚合物层等）隔开的若干导电层（例如，铜层、银层等）。在此实例中，在围绕圆形开口312a和312b的区域中，PWB的至少一部分的导电层构成变压器的两组绕组。将绕组（未图示）嵌入PWB中。下面描述绕组的详细情况。
一组导电板306a和306b形成于绕组的附近并且大体上垂直于PWB的顶表面或底表面。导电板306a和306b起到图2的导体201a和201b的作用。这两个导电板是大体上对称的。具体地，导电板的尺寸和布置是大体上对称的，因为这两个导电板具有大致相同的长度和宽度，并且它们相对于它们的各组绕组的相对距离和相对位置是大致相同的，受到在制造过程期间会发生的任何变化的制约。在此实例中，导电板306a和306b分别形成为被安装在相应圆形开口312a和312b的竖直表面的一部分上的铜层。可以通过层压、电镀或者利用任何其它合适技术而形成导电板306a和306b。
如将在下面更详细的描述，所形成的PWB包括多个导电层。在PWB的最外面的导电层（顶导电层）上，形成导电线路308（例如，印制的、电镀的等），用于连接导电板的端部。类似的导电线路（未图示）形成于PWB的其它最外面的导电层（底导电层）上。导电线路对应于图2的导体202a和202b并且将导电板306a与306b电性连接。
如图中所示，两个半磁芯具有相同的结构。在变压器组件中，两个半磁芯位于相互面对的位置。304a示出了为平直的结构的一侧。306b示出了具有圆形突出部311a和311b以及半圆形突出部314a和314b的结构的另一侧。通过如下方式组装变压器：将半磁芯的突出部放置于在平面结构302上的相应的开口中并且在由箭头316a和316b所示方向上将半磁芯合在一起，使得圆形突出部310a与311a的表面接触，并且圆形突出部310b与311b的表面接触。共同地，通过将突出部310a与311a加以连接而形成的支柱对应于图2的腿204a，由突出部310b和311b所构成的支柱对应于图2的腿204b。当把电压施加于变压器（例如，通过将电压源连接到与一组线圈接触的连接点）时，导电板起变压器的均衡器的作用。可以采用其它磁芯结构，例如具有三个腿的平面芯结构。
在此实例中，突出部311a和311b高于突出部314a和314b。突出部311a（或311b）与314a（或314b）之间的高度差为变压器的总间隙距离的一半（表示为1g/2）。在采用其它磁芯几何形状的其它实施例中，基于磁芯的具体几何形状并利用已知的计算技术来确定间隙距离。
图3B是如图3A中所示PWB的俯视图。图中示出了开口和导电线路308。
图3C是包括均匀场均衡器的平面型变压器的一个实施例的一个实例的剖视图。在此实例中，示出了沿图3B中所示直线AA且垂直于PWB的顶表面和底表面的截面。如图所示，用于制造变压器及其均衡器的PWB具有包括导电材料（如铜）的16个导电层。包括非导电材料（如塑料或聚合物）的绝缘层将导电层隔开。PWB具有大约155毫英寸的厚度。在其它实施例中，可采用不同数量的层和不同的PWB厚度。均匀场均衡器包括：竖直板、和将这些板连接的导电线路。中间导电层（例如，层2-层15中的任意层）构成使用埋入的通孔并利用已知技术而连接的绕组。可通过将不同数量的层加以连接而在一次绕组和二次绕组中形成不同数量的匝。图中示出了导电层320a-320b和竖直板306a-306b的截面。图中也示出了半磁芯304a和304b。
附图中示出了UEF的场线。为了确保导电板以大致相同的方式检测UEF，而将导电板定位成使得它们相对于它们的各自绕组的相对位置是大致相同的；换句话说，导电板相对于它们的各自组绕组大致处在相同的距离、角度、和方位。在图3C中，导电板位于绕组与磁芯之间。在图3D中，导电板位于绕组的外部。在不同的实施例中可以采用导电板的各种布置方案，只要导电板足够地靠近绕组以便导电板是在均匀外部场UEF内部。优选地，将导电板定位成使得导电板与其最近的一组绕组之间的距离不大于线圈的厚度（换句话说，导电层的厚度），以确保当UEF存在时导电板在各自的UEF内部。
图3E是如图3A的304a或304b的半芯结构的一个实施例的俯视图。图3F是如图3A的304a或304b的半芯结构的一个实施例的三维视图。在一些实施例中，使用铁氧体材料来制造半芯结构。突出部352a和352b高于突出部354a和354b。半芯结构任选地包括中心孔356，用于为磁通路径提供物理对称。这种中心孔的布置和尺寸取决于具体实施例，并且对于本领域技术人员是已知的。可通过机械加工、铸造、模压成型（包括注射成型）或者利用任何其它的合适技术而形成该结构。图3G是如304a或304b的半芯结构的一个实施例的侧视图。突出部354a（或354b）与突出部352a（或352b）的高度差被图示为1g，这也被称为变压器的间隙。
图3H是图解说明均匀场均衡器的功能的实施例的图。这些功能的特征是具有电感器磁芯。如图中所示，无均衡器的电感器芯的（，LSFB）的值较大，因为当均衡器不存在时寄生电感较大。知道具体电感（，LSFB）的设计人员可以选择合适的被均衡器遮蔽的1g。
图4是图解说明均匀场均衡器的实施例的结构图。可以将均衡器400的结构并入图3A的300中。图中示出了导电板306a和306b、以及将这些导电板连接的导电线路308a和308b。在此实例中，PWB包括16个导电层，并且利用在最外面导电层（层1和层16）中的导电线路308a和308b将竖直板电耦合。尽管当使用层1和层16时使导电板的长度最大化，但可以在其它层中形成用于将导电板连接的导电线路。
图5是图解说明均匀场均衡器的实施例的示意图。如图中所示，最外面的导电层502与504与竖直板506a与506b是电耦合的。当在均匀的外部场中存在不平衡时，电流流动经过电连接从而使场平衡。
图6是图解说明制造包括均衡器的平面结构的工艺的一个实施例的流程图。工艺600可以用于制造如图3A的302的平面结构。
在方框602处，在PWB中形成两组绕组。
在一些实施例中，通过如下方式形成PWB：在绝缘材料的多个单独层上形成一组绕组匝，在绝缘材料上形成通孔，以及将各层合并。在一些实施例中，将具有期望的绕组直径和间距的两个绕组匝蚀刻在覆盖一层绝缘材料的单层导电材料上。在一些实施例中，将导电材料印制或者沉积在单层的绝缘材料上，以形成具有期望的直径和间距的绕组匝图案。绕组图案的直径和间距取决于用途并且可在不同实施例中变化。通过对印制线路板进行钻孔或穿刺而形成竖直开口。用导电材料填充开口而形成通孔。
在多个单层印制线路板上重复印制/蚀刻过程而获得期望数量的层（例如，14个单独的层，用于制造用于上述16层PWB实例的具有14个匝的绕组）。将单独的层加以合并（例如，层压的）而形成平面结构，其中利用通孔将单独层的绕组图案加以连接而形成两组绕组。如果希望有较少的匝，则可使用较少的层。图7和图8中图解说明了各组绕组的形成。
图7是形成于单独层上的图案的示范性俯视图。图中示出了两个层800和810。在绝缘层800上，一层的导电材料形成绕组匝802a和802b。在804a和804b处形成通孔。在独立的绝缘层810上，一层的导电材料形成绕组匝812a和812b。在814a和814b处形成通孔。当把各层合并时，通孔804a和804b分别在位置816a和816b处将形成于绝缘层800上的图案与形成于绝缘层810上图案相连接。类似地，通孔814a和814b将形成于绝缘层810上的图案与形成于后继的绝缘层（未图示）上的图案相连接。图8中示出了线圈的截面部。
图8是图解说明对应于图3C中所示区域330的放大剖视图的图示。为了说明的目的，图中仅示出了三个导电层702、704和706，尽管也可额外的层使用于电路中。在相同层的内部，将导电部（如716与718）电性连接。绝缘层708和710将这些导电层隔开。为了将两个相邻的导电层相连接，通过在绝缘层中钻出开口并且用导电材料（例如，铜或其它金属）填充开口而形成通孔（如712和714）。在各种实施例中，通孔的尺寸和位置可不同。
转向图6，在方框604中，在包括绕组的多层PWB中形成两个导体（例如，图3A的306a和306b）。如上所述，当由于施加到一组绕组的电压而使这种UEF存在时，第一导体形成于PWB中并且位于在第一UEF内部的第一位置，并且第二导体形成于PWB中并且位于在第二UEF内部的第二位置。在一些实施例中，为了形成导体，在绕组的附近形成开口。例如，在位于绕组内部的复合PWB中形成用于接纳磁芯的如图3A的312a和312b的开口，并且在开口表面上的它们的各自位置形成（例如，层压或附着）导体。在如图3D中所示的实施例中，会需要额外的开口来容纳电感器。如上所述，对导体的位置进行选择，以确保对均匀外部场的检测和均衡化。
转向图6，在方框606，将第一导体与第二导体电耦合。在一些实施例中，为了将第一导体与第二导体电耦合，在PWB的最外面层上形成导电线路。
可按不同的顺序来执行工艺600中的步骤。例如，606不必需要在602或604之后发生。根据需要可执行额外的加工。例如，可形成如图3A的318a和318b的其它开口。可基于用途的要求而形成其它电路部件。
均衡化的变压器可用于多种用途，诸如开关变换器。例如，图9A-图9B是SEPIC馈入压降变换器的实施例。可以使用附带上述UEF均衡器的变压器而实现在这些SEPIC馈入压降变换器中的变压器。SEPIC馈入压降变换器的其它细节描述于名称为“SEPIC馈入压降CONVERTER”的美国专利7,812,577中，该专利的全部内容以参考的方式并入本文中用于所有目的。
尽管已为了清楚地理解而较详细描述了前述实施例，但本发明并不局限于所提供的细节。还存在用于实施本发明的许多替代方式。所公开的实施例是说明性的而不是限制性的。

Claims (18)

1.一种均衡器装置，包括：
第一组绕组和第二组绕组，其形成于印制线路板（PWB）中并且其将被磁耦合，其中，当接收到所施加的电压时，所述第一组绕组产生第一均匀外部场并且感应所述第二组绕组产生第二均匀外部场；
第一导体，其形成于所述印制线路板中并且位于在所述第一均匀外部场内部的第一位置；和
第二导体，其形成于所述印制线路板中并且位于在所述第二均匀外部场内部的第二位置；其中：
所述第一导体与所述第二导体是电耦合的；
所述第一导体是相对于所述印制线路板的顶表面大体上垂直的第一导电板；和
所述第二导体是相对于所述印制线路板的顶表面大体上垂直的第二导电板。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一导体与所述第二导体大体上对称。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一位置是在所述第一组绕组的外侧，并且所述第二位置是在所述第二组绕组的外侧。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一位置是在所述第一组绕组的内侧，并且所述第二位置是在所述第二组绕组的内侧。
5.如权利要求1所述的装置，还包括：将所述第一导体的第一端与所述第二导体的第一端电耦合的第三导体和将所述第一导体的第二端与所述第二导体的第二端电耦合的第四导体。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述印制线路板包括多个导电层，并且所述第三导体和所述第四导体是在所述多个导电层中的两个最外层上的导电线路。
7.如权利要求1所述的装置，还包括被放置在所述第一组绕组和所述第二组绕组内部的磁芯。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述磁芯包括多个独立的部分。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置被包括在单端初级电感变换器馈入降压变换器中。
10.一种制造均衡器装置的方法，包括：
在印制线路板（PWB）中形成第一组绕组和第二组绕组，其中所述第一组绕组与所述第二组绕组磁耦合，并且当接收到所施加的电压时，所述第一组绕组产生第一均匀外部场并且感应所述第二组绕组产生第二均匀外部场；
形成在所述印制线路板中且位于在所述第一均匀外部场内部的第一位置的第一导体，所述第一导体被形成为相对于所述印制线路板的顶表面大体上垂直的第一导电板；
形成在所述印制线路板中且位于在所述第二均匀外部场内部的第二位置的第二导体，所述第二导体被形成为相对于所述印制线路板的顶表面大体上垂直的第二导电板；以及
将所述第一导体与所述第二导体电耦合。
11.如权利要求10所述的方法，其中，形成所述第一导体和所述第二导体包括：
在所述第一组绕组内部形成第一开口，并且在所述第二组绕组内部形成第二开口；以及
在所述第一开口的表面上形成所述第一导体，并且在所述第二开口的表面上形成所述第二导体。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一导体和所述第二导体被形成为是大体上对称的。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一位置是在所述第一组绕组的外侧，并且所述第二位置是在所述第二组绕组的外侧。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一位置是在所述第一组绕组的内侧，并且所述第二位置是在所述第二组绕组的内侧。
15.如权利要求10所述的方法，其中，将所述第一导体与所述第二导体电耦合包括：形成用于将所述第一导体的第一端与所述第二导体的第一端电耦合的第三导体，并且形成用于将所述第一导体的第二端与所述第二导体的第二端电耦合的第四导体。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述印制线路板包括多个导电层，并且所述第三导体和所述第四导体是在所述多个导电层中的两个最外层上的导电线路。
17.如权利要求10所述的方法，还包括形成磁芯并且将所述磁芯放置在所述第一组绕组和所述第二组绕组的内部。
18.如权利要求17所述的方法，其中，形成所述磁芯包括形成多个独立的部分。
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