CN106024340A - 具有屏蔽结构的变压器 - Google Patents

Abstract

一种变压器，包括：原边线圈、副边线圈和屏蔽结构。屏蔽结构由至少一层图形化的导电材料层组成，设置于原边线圈和副边线圈之间，与副边线圈交流共地。屏蔽结构为由主干和多个分支构成的片状结构，每个分支均与主干连接。变压器原边线圈和副边线圈之间的电压发生瞬态改变时，在寄生电容中产生的位移电流直接流入屏蔽结构，并通过屏蔽结构的接地而流入地电位。屏蔽结构有效防止了位移电流流入副边线圈而在副边线圈产生干扰信号；同时，主干‑分支结构有效抑制了涡流对变压器正常工作的影响。通过设置屏蔽结构不仅提高了变压器的共模瞬态抑制性能，而且避免了干扰信号随着变压器的缩小而增大的效应，从而使变压器可以更灵活的运用于各个电气技术领域。

Description

具有屏蔽结构的变压器

技术领域

本发明涉及电气装置领域，具体而言，涉及一种变压器。

背景技术

变压器是多种电子系统的核心元器件。目前，变压器大多将金属线缠绕在铁氧体磁芯或者陶瓷基座上形成绕组，从而造成体积较大和生产成本较高。在隔离信号传输系统或隔离功率传输系统中，变压器通常是体积最大、成本最高的部件。因此，使用微电子工艺制造的微型变压器，有助于降低系统成本，实现系统的小型化。变压器主副边电压瞬态变化时，会产生从原边线圈流向副边线圈的位移电流。现有技术中，该位移电流会在副边线圈产生干扰信号，影响变压器的正常工作。特别是随着微型变压器面积的减小，该干扰信号的幅度会增大，增加系统发生误操作的风险。因此，在变压器体积减小时，现有的变压器不能有效抑制共模干扰信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有屏蔽结构的变压器，其能够将变压器原边和副边之间产生的位移电流进行有效的屏蔽，从而解决变压器缩小，而干扰信号增大的问题。

本发明提供一种具有屏蔽结构的变压器，包括：纵向堆叠的副边线圈、屏蔽结构、和原边线圈；所述屏蔽结构由至少一层图形化的导电材料层组成，所述屏蔽结构设置于所述原边线圈和所述副边线圈之间，所述屏蔽结构为由主干和多个分支构成的片状结构，每个所述分支均与所述主干连接，所述屏蔽结构与所述副边线圈交流共地。

进一步的，所述主干包括至少一个片状线条，每条所述线条均为开环线段或曲线。即所述线条为不封闭线条，不形成闭合环(closedloop)。

可选的，所述主干的片状线条为放射状。主干包含一条或多条片状线条，所述线条的一端靠近屏蔽结构的中心，所述线条的另一端靠近屏蔽结构的边界。

可选的，所述主干的片状线条为具有开口的环形线条。主干包含一条或多条片状线条，所述线条为环形，但是具有至少一个开口使其不形成闭合环。

可选的，所述主干的片状线条为梳形线条。主干包含一条或多条穿过屏蔽结构的片状线条，所述线条的一端相连，所述线条的另一端穿过所述屏蔽结构的范围。所述的屏蔽结构的范围是指主副边线圈的纵向投影重叠的范围。

可选的，所述主干的片状线条为所述放射状线条、具有开口的环形线条、和梳形线条的组合。

进一步的，所述分支均为片状结构，且所述分支与所述主干有电连接。优选的，分支为条形的片状结构，所述条形的一端与主干有电连接。位于同一层的分支结构之间有一定的间隙。

可选的，所述屏蔽结构包含一层图形化的导电材料层，所述主干和所述分支均位于所述的一层图形化的导电材料层。

可选的，所述屏蔽结构包含两层图形化的导电材料层，即第一图形化的导电材料层和第二图形化的导电材料层。所述的主干完全位于第一图形化的导电材料层，所述的分支完全位于第二图形化的导电材料层。

可选的，所述屏蔽结构包含两层图形化的导电材料层，即第一图形化的导电材料层和第二图形化的导电材料层。所述的主干的至少一部分位于第一图形化的导电材料层，所述主干的至少一部分位于第二图形化的导电材料层。所述的分支的至少一部分位于所述的第一图形化的导电材料层，所述的分支的至少一部分位于所述的第二图形化的导电材料层。

可选的，所述的屏蔽结构包含至少三层图形化的导电材料层，主干和分支的片状结构分布在所述的至少三层图形化的导电材料层中。

进一步的，位于所有图形化的导电材料层内的主干和分支结构的纵向投影覆盖主副边线圈的轮廓范围。优选的，所述纵向投影的面积超过主副边线圈轮廓面积的50％。更好的，所述纵向投影的面积超过主副边线圈轮廓面积的75％。

本发明实施例的有益效果是：在具有屏蔽结构的变压器的主副边电压发生瞬态改变时，位移电流从原边线圈流向副边线圈。由于屏蔽结构为构设置于原边线圈和副边线圈之间，且屏蔽结构和副边线圈交流共地。所以位移电流首先达到屏蔽结构，并通过屏蔽够的接地而流入地电位，进而有效抑制了位移电流达到副边线圈而对副边线圈的正常工作产生的影响。通过屏蔽结构实现对干扰信号的屏蔽，提高了具有屏蔽结构的变压器的共模瞬态抑制(common-mode transientimmunity)性能；而且位移电流在副边线圈产生的干扰信号也不再随着具有屏蔽结构的变压器体积的缩小而增大，从而使具有屏蔽结构的变压器可通过进一步小型化而灵活运用于各个电气技术领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的具有屏蔽结构的变压器的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有屏蔽结构的变压器的等效电路图；

图3为本发明第一实施例的第二实施方式中屏蔽结构的示意图；

图4为本发明第一实施例的第二实施方式中屏蔽结构的结构图；

图5为本发明第一实施例提供的具有屏蔽结构的变压器的立体结构图；

图6为本发明第一实施例的第二实施方式中屏蔽结构的示意图；

图7为本发明第一实施例的第二实施方式中屏蔽结构的结构图；

图8为本发明第一实施例的第三实施方式中屏蔽结构的示意图；

图9为本发明第一实施例的第三实施方式中屏蔽结构的结构图；

图10为本发明第二实施例提供具有屏蔽结构的变压器的立体结构图；

图11为本发明第二实施例中屏蔽结构的结构图；

图12为本发明第三实施例提供的具有屏蔽结构的变压器的立体结构图；

图13为本发明第三实施例中屏蔽结构的结构图。

图中：具有屏蔽结构的变压器100、原边线圈110、副边线圈120、屏蔽层130、主干131、分支132、间隙1321、第一图形化的导电材料层层150、空隙158、第二图形化的导电材料层160、微通孔161、分支结构168。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”、“平行”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“平行”、“垂直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参阅图1，本发明的实施例提供一种具有屏蔽结构的变压器100，具有屏蔽结构的变压器100包括：原边线圈110、副边线圈120和屏蔽结构130。

具有屏蔽结构的变压器100为使用微电子工艺制造的微型具有屏蔽结构的变压器。制造工艺包括集成电路后道工艺(back-end-of-line)的金属互联工艺，或封装级的金属互联工艺，或者印刷电路板/基板制造工艺。具有屏蔽结构的变压器制造于硅衬底、玻璃衬底、或者有机基板衬底上。具有屏蔽结构的变压器线圈和屏蔽结构使用导电材料包括金属(例如，铜、铝、金)或者半导体(例如，高参杂硅)。具有屏蔽结构的变压器的主边线圈和副边线圈之间使用介电材料隔离。常用的电介质材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、聚酰亚胺、苯并环丁烯等。

图1中原边线圈和副边线圈的相对位置仅为举例，实际实施时主边线圈可以位于下方，副边线圈可以位于上方。

原边线圈110为螺旋形金属导线。原边线圈110的匝数和口径大小可根据实际的实施需要的电感和电阻值确定，在本实施例不做限定。原边线圈110的两端分别和发射电路连接，发射电路在原边线圈110中产生变化的电流以产生交变的磁通。

副边线圈120为螺旋形金属导线。为使具有屏蔽结构的变压器100能够具有较高的磁场耦合，副边线圈120可设置与原边线圈110纵向对齐。优选的，原边线圈110在纵向的投影与副边线圈120在纵向的投影大致重合。而副边线圈120的匝数和副边线圈120导线的口径可根据实际的实施需求而确定，在本实施例不做限定。副边线圈120的两端分别连接接收电路。副边线圈120的一端与接收电路交流共地。

原边线圈110和副边线圈120之间填充有电介质(介电材料)，从而在原边线圈110和副边线圈120之间存在寄生电容。在原边线圈110相对于副边线圈120的电压发生瞬态改变时，会导致寄生电容中产生位移电流。如果该位移电流流入副边线圈120，会在副边线圈产生干扰信号，影响变压器的正常工作。

屏蔽结构130设置在原边线圈110和副边线圈120之间，屏蔽结构130为至少一层金属层组成的片状结构。屏蔽结构130的和副边线圈120交流共地。所述位移电流首先到达屏蔽层130并流入地电位，从而防止位移电流流入副边线圈120。其具体的工作原理将在图2中说明。

屏蔽结构130的屏蔽范围为屏蔽结构130在垂直方向上的投影。当屏蔽结构130包含多层金属层时，屏蔽范围为所述金属层的图形纵向投影的叠加(合集)。优选的，屏蔽结构130的范围与主边线圈110和副边线圈120的轮廓大致相同。优选的，位于所有导电层内的主干和分支结构的纵向投影覆盖所述主边线圈纵向投影和所述副边线圈纵向投影的重叠范围。

请参阅图2，图为本发明的实施例提供一种具有屏蔽结构的变压器100的等效电路图。

如图2所示，原边线圈110具有自感L₁和电阻R₁，副边线圈120也具有自感L₂和电阻R₂。原边线圈和发射电路111相连，副边线圈120和接收电路121相连。屏蔽结构130设置于原边线圈110和副边线圈120之间，因此屏蔽结构130和原边线圈110之间存在寄生电容C₁，屏蔽结构130和副边线圈120之间存在寄生电容C₂。屏蔽结构接地(即与副边交流共地)，屏蔽结构中的金属层具有等效的接地电阻R₄。当发射电路的电位112相对于接收电路发生瞬态改变时，位移电流通过C₁首先到达屏蔽结构130，随后经过接地电阻R₄流入地电位。因此，只要R₄足够小，屏蔽结构就能够有效保持地电位。那么，位移电流几乎不会通过C₂流入副边线圈120，从而有效减小副边线圈中的干扰信号。

由于屏蔽结构130位于主副边线圈产生的交变磁场中，屏蔽结构具有涡流等效电阻R₃和等效电感L₃。其中等效电阻R₃代表了交变磁场在屏蔽结构中产生涡流的难易程度，自感L₃代表了所述涡流对原磁场的抵消作用。

根据图2的等效电路可以总结，有效的屏蔽结构必须具增大涡流等效电阻R₃，减小接地等效电阻R₄。从而在有效屏蔽的条件下抑制涡流的副作用。在本申请中，这两个技术效果是通过“主干-分支”结构来实现的。

图3为本实施例屏蔽结构的示意图，图中屏蔽结构的主干包含四条放射状线段1311、1312、1313、1314。这些线段从屏蔽结构的中心延伸到屏蔽结构的边界。这四条线段均为直线段，形成开环结构，即主干的图形不包含闭环。细线132所示的分支结构和主干相连。

图4为本实施例屏蔽结构的结构图，即使用具有一定宽度的片状导体实现图3中的主干和分支。优选的，主干的片状结构具有比分支结构更大的宽度，从而减小接地等效电阻R₄。分支的片状结构之间具有一定的间隙1321。这些间隙通过破坏涡流的路径达到抑制涡流的效果，从而增大涡流等效电阻R₃。

图5展示了屏蔽结构和具有屏蔽结构的变压器线圈的关系。屏蔽结构130位于主边线圈110和副边线圈120之间，形成纵向堆叠。屏蔽结构130中，主干131和分支132的纵向投影大致覆盖了主副边线圈重叠的范围，从而达到有效屏蔽主副边线圈之间电场的技术效果。优选的，屏蔽结构中分支132的投影面积显著大于主干131的投影面积。也就是说，主副边之间的电场绝大部分被分支132结构所阻断。实际使用时，主干131由至少一条放射状的线条组成，而不限制于本例中的4条。

图6展示了另一种主干和分支结构的示意图，图7展示了一种主干和分支结构的结构图。图中主干结构131为具有开口的环形，为开环结构，即主干的图形不包含闭合环。分支132结构与主干131结构相连。使用具有一定宽度的片状导电材料实现主干和分支，分支结构之间具有一定的间隙。优选的，屏蔽结构130中主干131和分支132的纵向投影大致覆盖了主副边线圈重叠的范围。主副边的螺旋形线圈小于内径的范围内是没有线圈的(非主副边线圈重叠的范围)，因此，可选的，屏蔽结构中对应于小于线圈内径的区域1301可以不放置分支结构进行屏蔽。

图8展示了另一种主干和分支结构的示意图，图9示出了另一种主干和分支结构的结构图。图中主干131结构为具有梳形线条，所述线条穿过屏蔽范围并在一侧相连。主干为开环结构，即主干的图形不包含闭环。分支结构与主干结构相连。使用具有一定宽度的片状导电材料实现主干和分支，分支结构之间具有一定的间隙。优选的，屏蔽结构130中主干131和分支132的纵向投影大致覆盖了主副边线圈重叠的范围。

主干和分支的结构也可以是上述三种结构的组合。在前述的三个例子的结构图中，屏蔽结构都只包含一层图形化的导电材料层，屏蔽结构的主干和分支均位于所述的一层图形化的导电材料层。在下面的实施例中，将会说明，屏蔽结构可以包含两层或两层以上的图形化的导电材料层。屏蔽结构的主干和分支可以分布在不同的图形化的导电材料层，并具有相应的技术效果。

需要说明的是，图形化的导电材料层是指该层导电材料层具有一定图形，例如具有宽度的直线、曲线、空隙、或多边形等。图形化是本实施例中，优选地对导电材料层形状特征的描述。

第二实施例

请参阅图10，本发明的实施例提供一种具有屏蔽结构的变压器100，具有屏蔽结构的变压器100包括：原边线圈110、副边线圈120和屏蔽层130。在本实施中，原边线圈110和副边线圈120的结构与第一实施例相同，在此就不再做过多累述。

本实施例中屏蔽结构130包括两层图形化的导电材料层：第一图形化的导电材料层层150和第二图形化的导电材料层160。屏蔽结构的“主干-分支”与图3所示相同。与实施例一的区别在于，在本实施例中，所述主干完全属于第一图形化的导电材料层150，所述分支完全属于第二图形化的导电材料层160。

屏蔽结构130具有屏蔽范围。第一图形化的导电材料层150和第二图形化的导电材料层160在垂直方向的投影的叠加(即投影图形的合集)为屏蔽结构130的屏蔽范围。

如图11所示，屏蔽结构的主干131包含四条从靠近屏蔽结构的中心的位置延伸到靠近屏蔽结构边界位置的片状导电材料。屏蔽结构的分支132为多组片状结构，且片状结构之间具有一定的间隙。第一图形化的导电材料层150和第二图形化的导电材料层160通过微通孔161实现电连接。在微电子制造工艺中，通过微通孔连接相邻的导电材料层是已知的成熟技术。

主干可以位于靠近主边线圈的第二金属层，也可以位于靠近副边线圈的第一金属层(如图10所示)。由于屏蔽结构通常更接近副边线圈，所以优选的采用图10所示的结构。即主干位于分支结构和副边线圈之间，使分支结构距离副边线圈更远，从而减小副边线圈的寄生电容C₂。

前述不同形状的“主干-分支”结构也可以用类似的方式，使用两层图形化的导电材料层实现，在此不再累述。

第三实施例

请参阅图12，图12为本发明的实施例提供一种具有屏蔽结构的变压器100，具有屏蔽结构的变压器100包括：原边线圈110、副边线圈120和屏蔽结构130。屏蔽结构130包括：第一图形化的导电材料层150和第二图形化的导电材料层160。在本实施中，原边线圈110和副边线圈120的结构与第一实施例和第二实施例相同，在此就不再做过多累述。

如图13所示，屏蔽结构的“主干-分支”与图3所示相同。与实施例一的区别在于，在本实施例中，所述主干的至少一部分156位于第一图形化的导电材料层150，所述分支的至少一部分157位于第一图形化的导电材料层150；所述主干的至少一部分166位于第二图形化的导电材料层160，所述分支的至少一部分167位于第二图形化的导电材料层160。第一导电层与第二导电层通过微通孔相连。

由于需要抑制涡流，所以位于同一层内的分支结构之间具有一定的间隙。电场可以穿过这些间隙的而减弱屏蔽结构的屏蔽效果。优选的，如图11所示，位于不同图形化的导电材料层的分支结构互相交错。例如，位于第一图形化的导电材料层的空隙158被位于第二图形化的导电材料层的分支结构168所覆盖。如前所述，屏蔽结构的屏蔽范围是位于不同导体层的主干和分支结构的纵向投影，所以当两层导体层内的图形互相交错时，可以实现更完整的电场屏蔽效果。

需要说明的是，屏蔽结构能够包含至少三层图形化的导电材料层，主干和分支的片状结构能够分布在至少三层图形化的导电材料层中。其中，优选地，可以是第一层和第三层均为分支，而第二层为主干。上述说明仅为其中一个方案，具体结构并不仅限于此。

综上所述，本发明的屏蔽结构130由图形化的导电材料层组成，屏蔽层130设置于原边线圈110和副边线圈120之间，并和副边线圈120交流共地。在原边线圈110相对副边线圈120有瞬态电压变化时，原边线圈110和副边线圈120之间的寄生电容被导通而产生位移电流，但产生的位移电流直接流入屏蔽结构130，并通过屏蔽结构130的接地而流入地电位。进而有效防止了位移电流入副边线圈120产生干扰信号而对具有屏蔽结构的变压器的正常工作产生的影响。通过设置屏蔽层130以实现对位移电流的屏蔽，不仅提高了具有屏蔽结构的变压器100的共模瞬态抑制性能，而且也可以避免现有技术的变压器中副边线圈的干扰信号随着变压器体积的减小而增大。从而使具有屏蔽结构的变压器100可通过进一步的小型化而灵活运用于各个电气技术领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，包括：副边线圈、屏蔽结构、和原边线圈；所述屏蔽结构位于所述原边线圈和所述副边线圈之间，所述屏蔽结构由至少一层图形化的导电材料层组成；所述屏蔽结构为具有电连接的主干和多个分支构成的片状结构，所述屏蔽结构与所述副边线圈交流共地。

2.根据权利要求1所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述主干包括至少一个片状的线条，所述线条均为开环线段或曲线。

3.根据权利要求2所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述主干为一条或多条放射状的线条，所述线条的一端靠近所述屏蔽结构的中心，所述线条的另一端靠近所述屏蔽结构的边界。

4.根据权利要求2所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述主干为具有开口的环形线条，所述主干包含一条或多条环形线条，所述线条具有至少一个开口。

5.根据权利要求2所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述主干为梳形线条。所述梳形线条一端相互连接，所述梳形线条的另一端穿过所述屏蔽结构的范围。

6.根据权利要求1所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述屏蔽结构包含一层图形化的导电材料层，所述主干和所述分支均位于所述的一层图形化的导电材料层。

7.根据权利要求1所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述屏蔽结构包含两层图形化的导电材料层，即第一图形化的导电材料层和第二导图形化的电材料层，所述主干均位于所述第一图形化的导电材料层，所述分支均位于所述第二图形化的导电材料层。

8.根据权利要求1所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述屏蔽结构包含两层图形化的导电材料层，即第一图形化的导电材料层和第二图形化的导电材料层，所述主干的至少一部分位于所述第一图形化的导电材料层，所述主干的至少一部分位于所述的第二图形化的导电材料层；所述分支的至少一部分位于所述的第一图形化的导电材料层，所述分支的至少一部分位于所述的第二图形化的导电材料层。

9.根据权利要求1所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述屏蔽结构包含至少三层图形化的导电材料层，所述主干和所述分支的片状结构分布在所述的至少三层图形化的导电材料层中。

10.根据权利要求1所述具有屏蔽结构的变压器，其特征在于，所述分支均为片状结构且与主干电连接。位于同一图形化的导电材料层内的分支结构之间具有一定的间隙，且位于所有图形化的导电材料层内的主干和分支结构的纵向投影覆盖所述主边线圈纵向投影和所述副边线圈纵向投影的重叠范围。