CN105304296A

CN105304296A - 一种印制电路板平面变压器

Info

Publication number: CN105304296A
Application number: CN201510736657.9A
Authority: CN
Inventors: 孙超; 张峻岭
Original assignee: NO 723 RESEARCH INSTITUTE OF CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY Corp
Current assignee: NO 723 RESEARCH INSTITUTE OF CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY Corp
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2016-02-03

Abstract

本发明公开了一种印制电路板平面变压器，涉及变压器技术领域，针对200W功率级直流48V转8V全桥拓扑开关电源的应用设计了一种印制电路板平面变压器，与传统的绕线式软磁铁氧体变压器相比，其显著优点是：体积小，由于原、副边绕组采用了平面多层叠放结构，绕组间耦合更加紧密，使得其体积不超过传统同样频率和功率级变压器的百分之三十；损耗小，采用105um厚的铜箔作为绕组，充分利用导体的趋肤效应，提高了铜箔的导电利用率，从而提升了绕组的电流密度；漏感小，参数一致性高，散热性能好，平面的铜箔绕组具有高的散热能力，若在电源的设计过程中融入到电源多层印制板整体中，绕组的热通道更短，散热能力更强；不需要专业的技术工人，成本得到降低。

Description

一种印制电路板平面变压器

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种印制电路板平面变压器。

背景技术

在200W功率级直流48V转8V全桥拓扑开关电源中，变压器是系统的重要组成部分，它主要起到功率传送、电压变换和绝缘隔离的功能。因此，变压器的性能影响整个200W功率级直流48V转8V全桥拓扑开关电源的表现，是开关电源的核心部件。

目前，200W功率级直流48V转8V全桥拓扑开关电源广泛存在于国防电子工业的应用中，比如舰载电源，航空航天电源，相控阵雷达电源，通讯对抗电源，它专门负责给砷化镓微波功率器件供电。其中，传统的绕线式软磁铁氧体变压器在电源变压器的实现方式上占有很大的比重。随着应用场合的发展，以及应用的水平提高，对电源性能的要求也不断提高，要求电源有更高的效率、更高的可靠性、更小的体积。为此，电源变压器必须工作在更高的频率上(200KHz以上)，而传统的绕线式软磁铁氧体变压器在高频率的应用中存在很多缺点，其缺点主要表现如下：体积大，受制于绕线方式和骨架形状，传统的绕线式软磁铁氧体变压器通常采用立式结构或者卧式结构，并需要留有很大的窗口面积以方便漆包线的绕制。

发明内容

鉴于上述缺点和不足，本发明针对200W功率级直流48V转8V全桥拓扑开关电源的应用设计了一种印制电路板平面变压器。

为了达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种印制电路板平面变压器，所述变压器原边绕组采用4匝铜箔绕制，4匝铜箔绕组位于印制电路板不同的层数上，其中2匝铜箔绕组位于印制板第二层，另外2匝铜箔绕组位于印制板第五层，印制电路板第二层上的2匝铜箔绕组与印制电路板第五层上的2匝铜绕组箔通过4个直径0.66mm实心埋孔串联；副边绕组采用两个1匝铜箔绕组并联绕制，提高了变压器副边绕组的电流输出能力，副边绕组A的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第一层和印制板第六层，副边绕组B的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第三层和印制板第四层，两个1匝铜箔绕组通过10个直径0.66mm实心通孔并联；

其中，变压器副边绕组A的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第一层和印制板第六层，副边绕组B的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第三层和印制板第四层，原边绕组2匝铜箔绕组位于印制板第二层，2匝铜箔绕组位于印制板第五层。

其中，所述印制电路板的芯板采用TU752材质，铜箔的厚度为105um，不同层之间的压合材料为型号是1080的半固化片。

本发明的有益效果为：本发明实施例提供的印制电路板平面变压器针对200W功率级直流48V转8V全桥拓扑开关电源的应用，与传统的绕线式软磁铁氧体变压器相比，其显著优点是：

(1)体积小，本设计平面变压器是一种扁平状结构，由于原、副边绕组采用了平面多层叠放结构，绕组间耦合更加紧密，使得其体积不超过传统同样频率和功率级变压器的百分之三十，方便表贴于电源印制板表面。尤其在采用多层印制板设计的电源应用中，本发明适合在电源的设计过程中融入到电源多层印制板整体中，简化了电源生产过程。

(2)损耗小，本设计平面变压器采用105um厚的铜箔作为绕组，充分利用导体的趋肤效应，提高了铜箔的导电利用率，从而提升了绕组的电流密度。同时，由于绕组的平面化，加之原边绕组和副边绕组之间特殊的交叉换位方式，在减少了绕组的涡流损耗的同时，使得并联绕组间的电流分布更加平均，使变压器的损耗更小。

(3)漏感小，参数一致性高，本设计平面变压器绕组和绕组之间的耦合更紧密，使得绕组匝间的漏感更小，加之印制电路板工艺保证，本设计平面变压器的参数一致性高。

(4)散热性能好，本设计平面变压器具有很高的表体面积比，平面的铜箔绕组具有高的散热能力，若在电源的设计过程中融入到电源多层印制板整体中，绕组的热通道更短，散热能力更强。

(5)成本低，本设计平面变压器是由少量有关的廉价元件构成，印制电路板的前期开模费用之后，后期的单板价格低，加之组装方便，不需要专业的技术工人，成本得到降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅为本发明的一些实施例，对于本领域或普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种200W功率级直流48V转8V全桥拓扑结构；

图2为平面变压器磁芯元件的结构图；

图3为平面变压器的铜箔绕组在印制电路板不同层中的结构；

图4为平面变压器印制电路板不同层之间的工艺结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供的一种印制电路板平面变压器，所述变压器原边绕组采用4匝铜箔绕制，4匝铜箔绕组位于印制电路板不同的层数上，其中2匝铜箔绕组位于印制板第二层，另外2匝铜箔绕组位于印制板第五层，印制电路板第二层上的2匝铜箔绕组与印制电路板第五层上的2匝铜绕组箔通过4个直径0.66mm实心埋孔串联；副边绕组采用两个1匝铜箔绕组并联绕制，提高了变压器副边绕组的电流输出能力，副边绕组A的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第一层和印制板第六层，副边绕组B的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第三层和印制板第四层，两个1匝铜箔绕组通过10个直径0.66mm实心通孔并联；

本发明200W功率级直流48V转8V平面变压器的全桥拓扑结构如图1所示。变压器原边绕组匝数4匝，副边绕组匝数1匝，开关器件在频率周期内以一定的占空比导通，占空比用大写字母D表示，输入电压用字母Vi表示，输出电压用字母Vo表示，原边绕组匝数用字母Np表示，副边绕组匝数用字母Ns表示，占空比D与Vi，Vo，Np，Ns的关系见公式(1)：

<math><math display = 'block'> <mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>Np</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>Vo</mi> </mrow> <mrow> <mi>Ns</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>Vi</mi> </mrow> </mfrac> <mtext>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;</mtext> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>

平面变压器的原、副边绕组的工作流程和开关的导通顺序有关。在平面变压器的前半个周期的D时间内，原边绕组端左上开关、右下开关导通，副边绕组A端开关导通，根据法拉第电磁感应定律，电流从原边绕组的同名端流入，从副边A绕组的同名端流出，与此同时完成了前半个周期的能量转换；在平面变压器的后半个周期的D时间内，原边绕组端右上开关、左下开关导通，副边绕组B端开关导通，根据法拉第电磁感应定律，电流从原边绕组的异名端流入，从副边B绕组的异名端流出，与此同时完成了后半个周期的能量转换。

铜箔绕组的结构由平面变压器的磁芯型号、工作频率、传输功率、端口电压决定。本发明定制磁芯的生产厂家为Ferroxcube，型号为ER23/3.6/13-3C95，见图2。磁芯截面积Ae为50mm²，磁路长度Le为26.6mm，体积Ve为1340mm³，重量为3.2g，磁芯的材质为3C95，饱和磁通密度Bs约为480mT，平面变压器的工作频率F为200KHz，工作周期T为5us，传输功率P为200W，原边绕组输入端电压Vin为48V。平面变压器的峰-峰磁通密度Bp-p和RMS磁通密度Brms和Np，Vin，D，T，Ae的关系见公式(2)，公式(3)：

<math><math display = 'block'> <mrow> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>&minus;</mo> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Vin</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>D</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&lowast;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mn>6</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mi>Np</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>Ae</mi> </mrow> </mfrac> <mtext>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;</mtext> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>

<math><math display = 'block'> <mrow> <mi>Brms</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mn>2</mn> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>&lowast;</mo> <msubsup> <mo>&Integral;</mo> <mn>0</mn> <mrow> <mi>D</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>T</mi> </mrow> </msubsup> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Vin</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>D</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&lowast;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mn>6</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&lowast;</mo> <mi>Np</mi> <mo>&lowast;</mo> <mi>Ae</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mi>dt</mi> </mrow> </msqrt> <mtext>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;</mtext> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math>

按照参数要求，根据(2)计算计算，得到Bp-p为800mT，Brms为297mT，Bp-p不超过960mT，满足磁芯参数要求。

平面变压器的铜箔绕组在印制电路板不同层中的结构如图3所示。印制电路板第一层为副边绕组A的铜箔结构，匝数为1；印制电路板第二层为原边绕组的铜箔结构，匝数为2；印制电路板第三层为副边绕组B的铜箔结构，匝数为1；印制电路板第四层为副边绕组B的铜箔结构，匝数为1，通过通孔和印制电路板第三层的1匝副边绕组B铜箔并联；印制电路板第五层为原边绕组的铜箔结构，匝数为2，通过埋孔和印制电路板第二层的2匝原边绕组铜箔串联；印制电路板第六层为副边绕组A的铜箔结构，匝数为1，通过通孔和印制电路板第一层的1匝副边绕组A铜箔并联。

本发明原边绕组的铜箔厚度105um，铜箔平均宽度为78mil，副边绕组的铜箔厚度为105um，铜箔平均宽度为180mil，根据IPC-D-275标准计算，原边绕组在印制电路板的内层，考虑到实际功率传输的损耗，设定原边绕组的额定电流为4.5A，算得原边绕组相对于环境温度的温升为14.591℃，副边绕组A在印制电路板的外层，副边绕组B在印制电路板的外层，分别由两匝绕组并联，副边绕组A和副边绕组B交替导通，设定副边绕组每匝的额定电流为8A，算得副边绕组A相对于环境温度的温升为2.353℃，副边绕组B相对于环境温度的温升为13.478℃。平面变压器绕组采用平面化的铜箔结构具有短导热通道、散热能力强的特点，可以很好地将热量传输至电源外壳或电源电路板其它部分。

平面变压器印制电路板不同层之间的工艺结构图4所示。

工艺步骤一：在材料为TU752铜箔厚度为105um的芯板两面刻琢第三层铜箔绕组和第四层铜箔绕组。

工艺步骤二：在芯板两面各压合两片型号为1080的半固化片和一片厚度为105um铜箔，并刻琢第二层铜箔绕组和第五层铜箔绕组。

工艺步骤三：由第二层铜箔向第五层铜箔钻直径0.66mm埋孔，沉铜厚度2um，电镀铜塞孔，使埋孔实心化，增加走电流的能力。

工艺步骤四：在电路板两面各压合三片型号为1080的半固化片和一片厚度为105um铜箔，并刻琢第一层铜箔绕组和第六层铜箔绕组。

工艺步骤五：由第一层铜箔向第六层铜箔钻直径0.66mm通孔，沉铜厚度2um，电镀铜塞孔，使通孔实心化，增加走电流的能力。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该在涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种印制电路板平面变压器，其特征在于，所述变压器原边绕组采用4匝铜箔绕制，4匝铜箔绕组位于印制电路板不同的层数上，其中2匝铜箔绕组位于印制板第二层，另外2匝铜箔绕组位于印制板第五层，印制电路板第二层上的2匝铜箔绕组与印制电路板第五层上的2匝铜绕组箔通过4个直径0.66mm实心埋孔串联；副边绕组采用两个1匝铜箔绕组并联绕制，提高了变压器副边绕组的电流输出能力，副边绕组A的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第一层和印制板第六层，副边绕组B的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第三层和印制板第四层，两个1匝铜箔绕组通过10个直径0.66mm实心通孔并联。

2.根据权利要求1所述的印制电路板平面变压器，其特征在于，变压器副边绕组A的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第一层和印制板第六层，副边绕组B的两个1匝铜箔绕组分别位于印制板第三层和印制板第四层，原边绕组2匝铜箔绕组位于印制板第二层，2匝铜箔绕组位于印制板第五层。

3.根据权利要求2所述的印制电路板平面变压器，其特征在于，所述印制电路板的芯板采用TU752材质，铜箔的厚度为105um，不同层之间的压合材料为型号是1080的半固化片。