CN106971828B - 板式变压器及带有该变压器的适配器和充电器 - Google Patents

Abstract

一种体积小、成本低、效率高且符合国标GB4943要求的板式变压器及带有该变压器的适配器和充电器。板式变压器由分别设置在不同PCB板上的初级线圈、次级线圈和反馈线圈构成，所有PCB板上下叠置，相邻两层PCB板之间采用绝缘胶密封，次级线圈，采用三重绝缘线在顶层PCB板和底层PCB板上布设至少；初级线圈，在顶层PCB板之下的多层PCB板上刻蚀出多圈铜箔导线；反馈线圈，初级线圈之下的至少一层PCB板上刻蚀出多圈铜箔导线；在所有PCB板上开设一个环绕对应PCB板几何中心且内径小于对应PCB板上的线圈内径的中央孔，将E型磁芯的中柱穿置于该中央孔内。其体积小、成本低、生产效率高、抗EMI和共模干扰能力强。

Description

板式变压器及带有该变压器的适配器和充电器

技术领域

本发明涉及一种适用于小功率电源适配器和充电器的变压器，尤其涉及一种无传统型骨架的板式层叠变压器。

背景技术

由于需求的旺盛和人们对电子产品的期望越来越高，电子产品的小型化多功能化受到更多商家的重视，同样，对小功率电源适配器和充电器体积的小型化要求也越来越高。

现有技术中，研发人员的重点多放在如何减小所述适配器和充电器内部电子元件的尺寸上，到目前为止，该研发思路收效不佳。而影响小功率电源适配器和充电器的体积大小，最重要的因素是其中的变压器无法做小，现有的变压器由骨架，磁芯，线包组成，线包占据整个变压器体积的很大一部分，如果不使用线包，则整个体积会大大减小，变压器也可以做得更薄,整个充电器体积会得更小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、成本低、效率高且符合国标GB4943要求的板式变压器及带有该变压器的适配器和充电器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的板式变压器，其由分别设置在不同PCB板上的初级线圈、次级线圈和反馈线圈构成，所有PCB板上下叠置，相邻两层PCB板之间采用绝缘胶密封，其中，

次级线圈，采用三重绝缘线分别在顶层PCB板和底层PCB板上环绕对应PCB板的几何中心布设至少三圈绕线构成顶层次级线圈和底层次级线圈，将顶层次级线圈和底层次级线圈采用飞线并联且引出首端和尾端；

初级线圈，在顶层PCB板之下的多层PCB板上分别环绕对应PCB板的几何中心刻蚀出至少五圈铜箔导线，上一层中的铜箔导线的尾端通过设置在该PCB板上的导电通孔与下一层中的铜箔导线的首端相连接，依此类推将多层PCB板上的铜箔导线串联起来构成该初级线圈，初级线圈中第一层PCB板上的铜箔导线的首端和最后一层PCB板上的铜箔导线的尾端通过导线引出；

反馈线圈，初级线圈之下的至少一层PCB板上环绕该PCB板的几何中心刻蚀出至少六圈铜箔导线，通过导电连线将该铜箔导线的首端和尾端引出；

在所有PCB板上开设一个环绕对应PCB板几何中心且内径小于对应PCB板上的线圈内径的中央孔，将E型磁芯的中柱穿置于该中央孔内。

所述初级线圈所占PCB板的层数为六层。

在所述初级线圈的第一层PCB板与顶层PCB板之间还设有一层抗共模干扰的第一屏蔽层，在所述反馈线圈所在的PCB板与底层PCB板之间也设有一层抗共模干扰的第二屏蔽层；在第一屏蔽层与第二屏蔽层上分别环绕该PCB板的几何中心刻蚀出至少五圈铜箔导线，通过开设于对应PCB板上的导电通孔将对应铜箔导线的首端采用pin针引出。

在第一屏蔽层所在的PCB板与所述初级线圈的第一层PCB板之间还设有一层抗电磁干扰的全屏蔽层，该全屏蔽层上设有覆盖该PCB板全部表面的铜箔。

所述的三重绝缘线的直径为0.55mm。

所述初级线圈、反馈线圈和次级线圈所在PCB板上的绕线或铜箔导线的形状为圆形圈、矩形圈或椭圆形圈。

所述铜箔导线的宽度在0.4-0.6mm。

本发明的适用于小功率电源的适配器，其中将整流后直流电压转换为5V-20V直流电压所用的变压器为本发明的所述板式变压器。

本发明的适用于小功率电源的充电器，其中将整流后直流电压转换为5V-20V直流电压所用的变压器为本发明的所述板式变压器。

与现有技术相比，本发明采用由若干层PCB板7做为承载初级线圈、次级线圈、反馈线圈和抗共模信号干扰的支撑体，使得其具有如下优点。其一，EMI和共模干扰小，传统绕线变压器受绕线张力，线径，自动化设备或人工绕线等的影响，会导致分布不同的结电容，EMI和共模干扰的干扰信号一致性差，不易控制，本发明的结构，由于不采用漆包线绕制，相邻PCB板7上的铜箔导线之间结电容较小，因此，其受到的共模干扰和EMI干扰均小于传统绕线变压器。其二，变压器温度低，由于各PCB板7上的铜箔导线的宽度可以设计的宽些，相应的散热面积也增加，不会存在变压器线包温度过高的问题。其三，生产效率提高，本发明的变压器取消了原来绕线工艺，直接用多层PCB板7构成，磁芯采用快速装配式，因此，其生产效率远大于传统变压器的生产效率。本发明的体积可以做的很小，对充电器的小型化做出较大贡献。

附图说明

图1为本发明的板式变压器外形示意图。

图2为图1的爆炸示意图。

图3为将本发明的板式变压器应用于适配器和充电器中的电路原理图。

附图标记如下：

初级线圈1、反馈线圈11、顶层次级线圈21、底层次级线圈22、铜箔导线31、三重绝缘线32、飞线33、首端41、尾端42、第一屏蔽层51、第二屏蔽层52、全屏蔽层6、PCB板7、顶层PCB板71、底层PCB板72、中央孔73、磁芯8、板式变压器9。

具体实施方式

本发明的板式变压器适用于小功率电源适配器和充电器，主要用于整流后将较高的直流电压转变为低压直流电压，如直流5-20V等。

所述板式变压器由初级线圈1、次级线圈和反馈线圈11构成，在电路上，初级线圈1与反馈线圈11置于相同的一侧，而次级线圈置于另一侧。

如图1、2所示，初级线圈1、次级线圈和反馈线圈11分别为绕制在平面PCB板7上的多圈线圈，每片PCB板7上开设有中央孔73，在该中央孔73中设有贯穿初级线圈1、次级线圈和反馈线圈11的柱形磁芯8。

设置在单片PCB板7上的多圈线圈均是在同一平面内连续绕制(注：图2中看到的各PCB板上的多圈线圈意在表示采用铜箔或三重绝缘线绕制成圈形，所以单片PCB板上所示的线圈未画成连续的)，将每类线圈的输入脚(也称首端41)与输出脚(也称尾端42)抽头引出，之后再将若干块PCB板7叠置在一起，相邻两层PCB板7之间采用绝缘胶密封连接，其具体结构分别如下：

1、次级线圈，分别为设在顶层PCB板71上顶层次级线圈21和底层PCB板72上的底层次级线圈22。

1)顶层次级线圈21

采用三重绝缘线32在顶层PCB板71的上表面上(也可在下表面上)环绕对应的中央孔73至少绕制三圈并固定，绕制的线圈图案，可以是圆形、矩形或椭圆形。本发明选用的三重绝缘线32的规格为Ф0.55，线圈图案的具体形状、三重绝缘线32的粗细、相邻两圈之间的间隙以及绕制方向由所设计或需要的电感量和该次级线圈输出电流方向而定。之后，再将该线圈的端脚引出，即将该三重绝缘线32的首端41引出作为图3中次级线圈的“A”脚，尾端42引出作为图3中次级线圈的“B”脚。

2)底层次级线圈22

同理，按上述方法在底层PCB板72的上表面上环绕其上的中央孔73绕制与顶层PCB板71上的线圈形状、大小相同的线圈并引出该线圈的端脚。

3)采用电连接飞线33将顶层PCB板71和底层PCB板72上的两个线圈的首端41并接在一起，同样将该两个线圈的尾端42并接在一起，由此，构成本发明的次级线圈。

注释：

三重绝缘线32(也称三层绝缘线)，其是一种高性能绝缘导线，这种导线有三个绝缘层，中间是芯线，第一层是呈金黄色的聚胺薄膜，其厚度为几个微米，却可承受3KV的脉冲高压，第二层为高绝缘性的喷漆涂层，第三层是透明的玻璃纤维层，绝缘层的总厚度仅为20-100um,其优点是绝缘强度高，任意两层之间均可承受交流3000V的安全电压，电流密度大。

本发明中所述的“飞线33”是指排线由于受到空间限制，导致应该相接的两部分隔空设置，因此，采用较细的漆包线用烙铁将两部分隔空焊接相连。

2、初级线圈1，在顶层PCB板71之下的多层PCB板7上分别环绕对应板上的中央孔73刻蚀出至少五圈铜箔导线31，上一层中的铜箔导线31的尾端42通过设置在该PCB板7上的导电通孔与下一层中的铜箔导线31的首端41相连接，依此类推将多层PCB板7上的铜箔导线31串联起来构成该初级线圈1。该初级线圈1中第一层PCB板7上铜箔导线31的首端41和最后一层PCB板7上铜箔导线31的尾端42通过导线引出。

本发明的初级线圈1所占PCB板7的层数优选为六层，将该初级线圈1的首端41引出作为图3中初级线圈1的“1”脚，其尾端42引出作为图3中初级线圈1的“2”脚。

3、反馈线圈11，在初级线圈1之下的一层PCB板7上环绕该PCB板7上的中央孔73刻蚀出至少六圈铜箔导线31，通过导电连线将该铜箔导线31的首端41和尾端42引出。

该反馈线圈11的首端41和尾端42与初级线圈1的首端41和尾端42由同侧引出，其首端41引出作为图3中的“3”脚，尾端42引出作为图3中的“4”脚。

4、为了防止共模电压信号对该变压器的干扰，在所述初级线圈1的第一层PCB板7与次级线圈的顶层PCB板71之间一层PCB板7上，设有一层抗共模干扰的第一屏蔽层51，在所述反馈线圈11所在的PCB板7与次级线圈的底层PCB板72之间的一层PCB板7上，设有另一层抗共模干扰的第二屏蔽层52。

第一屏蔽层51与第二屏蔽层52分别为环绕对应的PCB板7上的中央孔73刻蚀出的至少五圈铜箔导线31，同样，通过开设于该PCB板7上的导电通孔使用pin针将对应铜箔导线31的首端41引出。该首端41引出后连接于图3中的第“4”脚，尾端42悬空。

5、为了防止其它电磁信号对该变压器的干扰，在所述第一屏蔽层51所在的PCB板7与所述初级线圈1的第一层PCB板7之间的一层PCB板7上，设有一层抗电磁干扰的全屏蔽层6，所述全屏蔽层6即是该全屏蔽层6所在的PCB板7的至少一个表面(即正面和/或背面上)上由铜箔全部覆盖。

所述第一屏蔽层51、第二屏蔽层52和全屏蔽层6介于初级和次级之间，主要起限制电磁干扰和共模电压的作用，由于工作在高频工作状态，初次级之间耦合产生较大的电压和电流尖峰，高频的电流电压尖峰会带来共模干扰以及电磁干扰，为抑制由开关状态产生的干扰，第一屏蔽层51隔离顶层次级线圈21与初级线圈1之间产生的干扰，第二屏蔽层52隔离底层次级线圈22与初级线圈1之间产生的干扰，通过调节第一屏蔽层51、第二屏蔽层52的圈数可以调节初级线圈1与次级线圈之间的耦合强度，从而起到降低共模干扰幅值和降低电磁干扰的作用。全屏蔽层6采用PCB铜箔是为了加强限制顶层次级线圈21与初级线圈1之间产生的电磁干扰。

上述的铜箔导线31的宽度根据该变压器的总体尺寸及输出功率而定，本发明优选为0.4-0.6mm。

将上述结构的各线圈和屏蔽层固接在一起后即构成本发明的板式变压器。本发明中的所述磁芯8为双E型磁芯8，也可以为E+I型磁芯8，型号为EED17.6，为提高能效和降低EMC，综合考量，将初级电感量设计为0.6mH。

本发明的板式变压器，通过使用三重绝缘线32接于电源PCB的次级侧，使初次级距离大于6.4mm(初次级之间由第一屏蔽层51、第二屏蔽层52、全屏蔽层6相隔),可以使初次级安全距离满足国标GB4943要求，。采用本发明的板式变压器的适配器和充电器的平均能量转换效率达到81％，满足COC、DOE能效六级标准79％的标准。

本发明的适配器和充电器中安装有本发明的板式变压器9，其电路原理图如图3。

图3为应用本发明板式变压器的电路原理图：

通过交流100-240V输入，经过F1保险电阻，并通过BD1桥式整流得到直流电压，并经过电容C1、电容C2、电感L1、电感L2进行抗电磁干扰(简称EMI)滤波，然后通过本发明的板式变压器实现功率转换，最后通过电容C7、电容C8和整流管D4的二次整流、滤波，得到较平滑的直流5V输出给手机或其它设备充电。

其中包含单片机U1通过控制Q1(MOS管)使初级能量传递到次级，并通过变压器反馈绕组和R13、R12连接至单片机U1的“2”脚随时监控输出电压，从而调整输出电压，使其始终保证5V输出。二极管D3、电阻R14和电容C4为U1提供工作电压，电阻R1、电阻R2通过连接高压，并降压后给单片机U1提供启动电压。电阻R3、电容C3、电阻R4和二极管D1可以减小初次级漏感导致的电压尖峰。

Claims (9)

1.一种板式变压器，其特征在于：其由分别设置在不同PCB板(7)上的初级线圈(1)、次级线圈和反馈线圈(11)构成，所有PCB板(7)上下叠置，相邻两层PCB板(7)之间采用绝缘胶密封，其中，

次级线圈，采用三重绝缘线(32)分别在顶层PCB板(71)和底层PCB板(72)上环绕对应PCB板(7)的几何中心布设至少三圈绕线构成顶层次级线圈和底层次级线圈(22)，将顶层次级线圈和底层次级线圈(22)采用飞线(33)并联且引出首端(41)和尾端(42)；

初级线圈(1)，在顶层PCB板(71)之下的多层PCB板(7)上分别环绕对应PCB板(7)的几何中心刻蚀出至少五圈铜箔导线(31)，上一层中的铜箔导线(31)的尾端(42)通过设置在该PCB板(7)上的导电通孔与下一层中的铜箔导线(31)的首端(41)相连接，依此类推将多层PCB板(7)上的铜箔导线(31)串联起来构成该初级线圈(1)，初级线圈(1)中第一层PCB板(7)上的铜箔导线(31)的首端(41)和最后一层PCB板(7)上的铜箔导线(31)的尾端(42)通过导线引出；

反馈线圈(11)，初级线圈(1)之下的至少一层PCB板(7)上环绕该PCB板(7)的几何中心刻蚀出至少六圈铜箔导线(31)，通过导电连线将该铜箔导线(31)的首端(41)和尾端(42)引出；

在所有PCB板(7)上开设一个环绕对应PCB板(7)几何中心且内径小于对应PCB板(7)上的线圈内径的中央孔(73)，将E型磁芯(8)的中柱穿置于该中央孔(73)内。

2.根据权利要求1所述的板式变压器，其特征在于：所述初级线圈(1)所占PCB板(7)的层数为六层。

3.根据权利要求1所述的板式变压器，其特征在于：在所述初级线圈(1)的第一层PCB板(7)与顶层PCB板(71)之间还设有一层抗共模干扰的第一屏蔽层(51)，在所述反馈线圈(11)所在的PCB板(7)与底层PCB板(72)之间也设有一层抗共模干扰的第二屏蔽层(52)；在第一屏蔽层(51)与第二屏蔽层(52)上分别环绕该PCB板(7)的几何中心刻蚀出至少五圈铜箔导线(31)，通过开设于对应PCB板(7)上的导电通孔将对应铜箔导线(31)的首端(41)采用pin针引出。

4.根据权利要求3所述的板式变压器，其特征在于：在第一屏蔽层(51)所在的PCB板(7)与所述初级线圈(1)的第一层PCB板(7)之间还设有一层抗电磁干扰的全屏蔽层(6)，该全屏蔽层上设有覆盖该PCB板(7)全部表面的铜箔。

5.根据权利要求1所述的板式变压器，其特征在于：所述的三重绝缘线(32)的直径为0.55mm。

6.根据权利要求1所述的板式变压器，其特征在于：所述初级线圈(1)、反馈线圈(11)和次级线圈所在PCB板(7)上的绕线或铜箔导线(31)的形状为圆形圈、矩形圈或椭圆形圈。

7.根据权利要求1或3所述的板式变压器，其特征在于：所述铜箔导线(31)的宽度在0.4-0.6mm。

8.一种适用于小功率电源的适配器，其特征在于：其中将整流后直流电压转换为5V-20V直流电压所用的变压器为权利要求1－7中任一项所述的板式变压器(9)。

9.一种适用于小功率电源的充电器，其特征在于：其中将整流后直流电压转换为5V-20V直流电压所用的变压器为权利要求1－7中任一项所述的板式变压器(9)。