CN107834856B - Dc-dc转换器设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及DC‑DC转换器，包括：绝缘基板；嵌入到所述绝缘基板中的磁芯，所述磁芯具有小于或等于5.4mm×5.4mm×1.8mm的非零x、y和z尺寸；分离的初级变压器绕组和次级变压器绕组，围绕所述磁芯的第一区域和第二区域；以及控制电路，包括：振荡器；耦接至所述振荡器的驱动电路；以及耦接至所述驱动电路的一个或多个开关；所述驱动电路向所述一个或多个开关提供开关信号，并且使所述一个或多个开关通电以向所述初级变压器绕组提供驱动电压；以及其中所述一个或多个开关是在绝缘体上硅结构中实现的场效应晶体管或者实现为蓝宝石上硅结构的场效应晶体管。

Description

DC-DC转换器设备
技术领域
本申请涉及嵌入式DC-DC转换器设备，并且具体地涉及一种具有改进的功率效率的DC-DC转换器设备。
背景技术
已知例如US2011/0108317A1中提供了一种小轮廓(low profile)变压器和电感器，其中磁性组件嵌入在树脂基板中的空腔内，并且变压器或电感器必要输入和输出电连接形成在基板表面上。然后，通过在基板顶部和/或底部表面上增加阻焊层和镀铜层，可以形成用于电源设备的印刷电路板(PCB)。然后，该转换器设备的必要电子组件可以表面安装在PCB上。
相比常规转换器，嵌入式设计允许构建显著更轻薄和更紧凑的设备。通常来说，用于将转换器设备安装在PCB(例如电子设备的主板)上的可用空间将非常有限，所以这么做是期望的。因此，包括具有较小占用空间的变压器组件在内的转换器设备能够实现在PCB上安装更多的组件，或者能够使PCB的总尺寸、继而整个转换器设备的总尺寸减小。
嵌入式DC-DC转换器设备可以配置为推挽式转换器。以本申请人的名义的US2016/111965中讨论了一个这种设备，将其合并在此作为参考。将这种类型的转换器合并到本申请人的NXE1生产线中。US2016/111965的设备描述用于带式电路结构(称作自振荡推挽式电路)，其依赖于磁芯的饱和度来操作。下面结合图5更详细地描述这种设备。
然而对于可以减小典型的变压器的尺寸存在实际的限制。例如，减小变压器的磁芯的尺寸导致了芯区更快饱和，导致了从初级绕组到次级绕组的电功率传递时的操作损耗。
增加芯区的操作频率减小了芯区处于饱和状态的时间。然而，由于涡流损耗和磁滞损耗，增加变压器的操作频率导致了明显的损耗。此外，由于其组件的电阻，诸如US2016/111965之类的现有技术转换器具有有限的操作频率。
因此，我们希望能够提供一种小型化的DC-DC转换器设备，所述DC-DC转换器设备通过在高操作频率下减小的损耗而要求较少的输入功率，并且提供一种制造这种设备的方法。
发明内容
现在应当参考的独立权利要求限定了本申请。从属权利要求阐述了有利特征。
在本发明的第一方面，提供了一种DC-DC转换器，包括：绝缘基板；嵌入到所述绝缘基板中的磁芯，所述磁芯具有小于5.4mm×5.4mm×1.8mm的非零尺寸；分离的初级变压器绕组和次级变压器绕组，围绕所述磁芯的第一区域和第二区域；控制电路，包括：振荡器；耦接至所述振荡器的驱动电路；耦接至所述驱动电路的一个或多个开关；所述驱动电路提供开关信号以控制所述一个或多个开关，并且使所述一个或多个开关通电以向所述初级变压器绕组提供驱动电压；其中所述一个或多个开关可以是在绝缘体上硅结构中实现的场效应晶体管或者实现为蓝宝石上硅结构的晶体管。
驱动所述开关的开关信号可以具有至少1MHz的频率，并且优选地在1MHz和10MHz之间。
向所述控制电路和变压器供电的电源单元可以具有额定在1.5W或以下的满负荷处的功耗。
所述初级变压器绕组和所述次级变压器绕组中的每一个包括围绕所述磁芯的区域的嵌入式导电线圈，其中所述导电线圈包括穿过与所述磁芯相邻的绝缘基板的多个导电过孔以及连接相邻的导电过孔的多个导电迹线，所述导电过孔和所述导电迹线从而形成线圈结构。
所述绝缘基板可以具有彼此相对的第一主表面和第二主表面，并且所述多个导电迹线分别设置在所述第一主表面和所述第二主表面上。
连接在所述振荡器的接地端和输入端之间的电容器可以根据所述电容器的电容来调谐所述振荡器的振荡频率。
所述电容器可以连接至所述振荡器的输入端，而不可以连接其他电学组件。
所述初级变压器绕组可以包括小于五个绕组。
附图说明
现在仅以说明方式参考附图对本发明的实施例进行描述，其中：
图1A至图1G示出了根据示例实施例的制造DC-DC转换器设备的嵌入式磁芯的示例技术；
图2在形成绕组结构的导电过孔的顶视图中示出了本发明的第一实施例；
图3示出了用于图2中的导电过孔的布置的迹线图案以形成所述绕组：
图4示出了转换器设备形成开关控制的推挽式转换器电路的一部分的实施例；以及
图5示出了转换器设备形成自振荡推挽式转换器电路的一部分的比较示例。
具体实施方式
本发明的示例实施例采取嵌入式转换器设备的形式，具有设置在基板中嵌入的磁芯周围的第一变压器绕组和第二变压器绕组。转换器设备可以有利地用作开关功率电子设备的一部分。在下面将详细讨论的图2至图4中示出所述设备的实施例。
为了便于理解，现在将参考图1A至图1F来描述制造转换器设备的示例方法。本申请人提交的US2016/049235(A1)和US2016/049236(A1)中描述了一种用于制造转换器设备的技术，通过引用将其并入本文。
在所述方法的第一步骤中，如图1A所示，在绝缘基板101中路由用于包封磁芯的圆环或腔102。在本示例中，绝缘基板由诸如FR4之类的树脂材料形成。FR4是由浸渍有环氧树脂粘合剂的编织玻璃纤维布组成的复合“预浸”材料。树脂被预干燥但未硬化，使得当它被加热时，它流动并用作玻璃纤维材料的粘合剂。已经发现FR4具有良好的热和绝缘性质。
如图1B所示，然后将圆形磁芯103安装在腔体102中。腔体102可以略微大于磁芯103，使得可以在磁芯103周围存在空气隙。可以手动地或者通过诸如拾取和放置机器之类的表面安装设备将磁芯103安装在腔体中。
在下一个步骤中，如图1C所示，将第一绝缘层104或盖层固定或层压在绝缘基板101上以覆盖腔体102和磁芯103。优选地，所述盖层104由与绝缘基板101相同的材料形成，因为这有助于绝缘基板101的上表面和盖层104的下表面之间的接合。因此，盖层104也可以由层压在绝缘基板101上诸如FR4之类的材料形成。层压可以是预浸渍材料层之间的过孔粘合或者过孔热激活接合。在其他实施例中，其他材料可以用于层104。
在图1D所示的下一个步骤中，穿过绝缘基板101和盖层104形成通孔105。通孔105形成在合适的位置以形成嵌入式变压器的第一和第二线圈导体绕组。随后将描述通孔的实际布置，但是在图1D中示出了包括与腔体102的内部和外部圆形周界相对应的两个弧形在内的通孔普通图案。如在现有技术中已知的，可以通过钻孔或任意其他合适的技术形成通孔105。
如图1E所示，然后对通孔105进行电镀以形成从盖层的上表面延伸至基板101的下表面的导电过孔106。向盖层104的上表面添加导电或金属迹线107以形成连接相应的导电过孔106的上部绕组层以及形成所述变压器的绕组的部分。在图1E的右手侧作为示例图示了上部绕组层。金属迹线107和用于导电过孔的电镀通常由铜形成，并且可以按照任意合适的方式形成，例如通过向层104的外表面添加铜导体层、然后对铜导体层进行刻蚀以形成必需的图案，将铜沉积到表面上等等。
金属迹线107也形成在绝缘基板101的下表面上以形成下部绕组层，所述下部绕组层也连接相应的导电过孔106以部分形成变压器绕组。上部和下部绕组层和过孔106一起形成了变压器的绕组。在该图示中，只示出了第一侧和第二侧绕组。
如图1F和图1G所示，可选的第二和第三另外的绝缘层108可以形成在图1E所示的结构的上表面和小表面上，以形成第一隔离屏障和第二隔离屏障。可以通过层压或任意其他合适的技术将所述层固定在适当的位置。
在图1F中，第一绝缘层的下表面或第一隔离屏障108a粘附至盖层104的上表面，并且覆盖上部绕组层的端子线107。另一方面，第三绝缘层的上表面或第二隔离屏障108b粘附至基板101的下表面，并且因此覆盖下部绕组层的端子线107。有利地，第二层和第三层也可以由FR4形成，并且因此使用与针对盖层104的相同工艺层压到绝缘基板101和盖层104上。
通孔和过孔导体形成为穿过第二和第三绝缘层，以便连接至第一和第二变压器绕组的输入端子和输出端子(未示出)。在穿过第二和第三绝缘层的过孔位置远离穿过基板和盖层104的过孔的情况下，将需要金属迹线在上部绕组层上，用于将输入和输出过孔连接至第一和第二绕组中的每一个中的第一个过孔和最后一个过孔。在输入过孔和输出过孔形成在重叠位置的情况下，那么可以向第一绕组和第二绕组中的每一个中的第一个过孔和最后一个过孔添加导电或金属盖。
在图1F中，第一隔离屏障108a和第二隔离屏障108b形成了与层104或基板101的相邻层的固态接合接头，所述层上形成了变压器的上部或下部绕组层。因此，第一隔离屏障108a和第二隔离屏障108b沿转换器设备的表面提供固态绝缘的边界，极大地减小了弧光放电或击穿的机会，并且允许极大地减小第一侧绕组和第二侧绕组之间的隔离空间。
第一隔离屏障108a和第二隔离屏障108b形成在基板101和盖层104上，在所述层之间不存在任何空气隙。应该理解的是如果在设备中存在空气隙，例如绕组层上面或下面，那么将存在设备的弧光放电或故障的风险。因此，第一隔离屏障108a和第二隔离屏障108b、盖层104和基板101形成了绝缘材料的固体块。
在图1F中，将第一隔离屏障108a和第二隔离屏障108b示出为覆盖转换器设备100的盖层104和基板101的下表面的整体。然而在图1G的替代实施例中，如果将第一隔离屏障和第二隔离屏障应用至盖层104以及基板101的底部，使得它们至少只覆盖第一和第二绕组之间其中第一和第二绕组最接近的基板101表面和盖层104的表面的那部分，那么将是足够的。如所示的，然后可以将第一隔离屏障108a和第二隔离屏障108b设置为在与设备的短边平行的表面上放置并且至少覆盖第一侧绕组和第二侧绕组之间的隔离区域的绝缘材料的长条。在替代实施例中，当第一侧绕组和第二侧绕组遵循它们所缠绕的磁芯103的弧形时，将隔离屏障108a和108b只放置在第一侧绕组和第二侧绕组最接近的地方可能是足够的，在这种情况下所述位置是在12点钟位置和6点钟位置。然而如上所述，108a和108b的整个层覆盖嵌入式组件设备的整个表面可以是有利的，因为这可以提供用于将组件进一步安装到设备表面上的位置。
现在将参考图2描述根据本发明的转换器设备的第一示例实施例。可以根据与图1A至图1F相关地描述的步骤来构建这种转换器设备。
如图2所示，转换器设备包括第一绕组210和第二绕组220。这些绕组设置在腔体102中提供的公共磁变压器芯103的周围。如图2所示，绕组210和220彼此分离，并占据基板的分立区域。因此，变压器绕组彼此不重叠。由腔体102形成的中央岛可被称为隔离区，因为其设计用于提供变压器的第一侧和第二侧之间的一些隔离。
变压器的第一和第二绕组由位于树脂基板(在图2中不可见)的顶部和底部上形成的上部导电迹线和下部导电迹线形成，并通过从基板一侧穿过至另一侧的多个相应导电连接器来连接。导电连接器可以由如上所述的电镀过孔形成，或者可以是导电管脚或丝线。在图2和图3中，将导电连接器示出为电镀的过孔。
构成第一和第二绕组的过孔的布置是重要的，因为过孔本身之间的空间和过孔与磁芯之间的空间一起影响变压器绕组之间可获得的电学隔离以及变压器绕组之间的耦合程度。
实际上，转换器设备的尺寸限制了过孔之间的可用空间的程度。尽管如此，通常需要将过孔之间的空间最大化，因为这产生更好的隔离性能。较大的空间也倾向于增加变压器的泄露电感，从而将绕组较弱地耦合在一起。由于下面解释的原因，这通常是需要的。因此，根据本发明的过孔空间在绕组的隔离特性和泄漏电感方面提供了改进，同时仍然允许实现紧凑的转换器设备。
现在将更加详细地描述分离绕组的结构。
变压器210的第一绕组包括第一外部导电过孔211、第一内部导电过孔212以及链接导电过孔213的上部和下部导电迹线。第一外部导电过孔211沿腔体102的外边缘的圆形部分沿一行形成。第一内部导电过孔212也沿腔体102的内边缘沿一行212形成。
本领域技术人员将理解，第一变压器绕组可以具有与形成整个第一绕组的内部和外部导电过孔相同的数目。这确保了第一绕组的任一端处的端子位于同一侧，例如在盖层104的顶部上或者在绝缘层的底部上。备选地，还可以形成具有内导电过孔比外导电过孔多一个或者内导电过孔比外导电过孔少一个的布置的第一绕组。这种布置意味着第一绕组的任一端处的端子位于相对的侧上，其中一个在盖层104的顶部上以及一个在绝缘层的底部上。根据与端子相连的输入电路和输出电路的位置，可以期望端子在相同或相对侧上这两个备选例。可以类似地布置第二绕组。
如图2所示，上部绕组层中的每一个外部导电过孔211通过金属迹线213连接至单个内部导电过孔212。金属迹线213形成在盖层104的表面上，并且因此不能彼此重叠。尽管内部导电过孔212不需要严格地排列成行，这样做是由有益的，因为内部导电过孔212的有序排列有助于布置金属迹线213，使得金属迹线将外部导电过孔211连接至内部导电过孔212。
变压器220的第二绕组包括第二外部导电过孔221、第二内部导电过孔222以及链接导电过孔的导电迹线223。第二外部导电过孔221沿腔体102的圆形部分沿单个行形成。第二内部导电过孔222也沿单个行形成。
本领域技术人员将认识到，当变压器工作时，第一和第二和绕组两端提供的电压的比率与每个相应绕组的匝数成正比。因此，通过添加或去除导电过孔和导电迹线，可以选择每个绕组的匝数，以便获得所期望的绕组间电压比。这在例如通常需要满足对输出电压的严格要求的隔离式DC-DC变换器中尤为重要。
也示出了在转换器设备的基板中形成的可选端接装置240。这些端接装置可以采取边缘堡的形式，提供从转换器设备到上面可以安装转换器设备的印刷电路板的表面安装应用(SMA)连接。盖层104被布置为不会覆盖这些端接装置，以允许端接装置连接至其他电学组件。
如上所述，相邻导电过孔之间的空间以及过孔和磁芯之间的空间与变压器绕组之间的电学隔离以及在转换器设备中存在的泄露电感的量有关。与此同时，期望向转换器设备提供较小的占用空间，从而限制了可以增加这些空间的程度。在图2中，基板的中心区域、由腔体102的内壁限定的区域形成了初级绕组和次级绕组之间的隔离区域230。初级绕组210和次级绕组220的内部导电过孔212和222之间的最小距离是所述隔离距离，并且在图2中如箭头231所示。
图3示出了通过导电迹线213和223将导电过孔链接在一起而形成的整个第一绕组210和第二绕组220。用实线轮廓示出的导电迹线213和223是上部导电迹线并且设置在绝缘基板的第一侧上，而用虚线轮廓示出的导电迹线213和223是下部导电迹线并且设置在绝缘基板的第二侧上。因此，第一绕组210由通过导电迹线213链接至第一内部导电过孔212的第一外部导电过孔211组成。类似地，第二绕组220由通过导电迹线223链接至第二内部导电过孔222的第二外部导电过孔221组成。
在图3中，可以通过连接至相应过孔的基板(未示出)顶部和底部上的迹线来实现分别与第一绕组210和第二绕组220的连接。另外的导电过孔可以设置为穿过绝缘基板以将这些导电区域从绝缘基板的一侧链接到另一侧。注意：为了改进图2和图3的清楚程度，并没有标出所有的导电过孔。
在替代实施例中，绝缘基板的形状可以改变。然而，绝缘材料的形状不会显著地影响变压器的性能，由每一个变压器绕组中的导电过孔的位置和个数来确定所述性能。
图4示出了使用图2和图3的转换器设备作为其变压器元件TX1的推挽式转换器的电路图。所述电路采用+V输入端子和GND输入端子之间的DC输入，所述GND端子保持在接地电势。电容器C1串联连接在输入端子+V和GND过孔节点301和302之间。
形成为如图2和图3中所述的嵌入式变压器的变压器TX1包括在节点310和314之间限定的第一绕组以及在节点320和324之间限定的第二绕组。节点312在沿第一绕组的中部连接，节点322在沿第二绕组的中部连接。在一个示例中，在沿绕组的中部连接的节点312、322连接至相应绕组的中点。因而，第一绕组被分为两个绕组311和313，并且第二绕组被分为两个绕组321和323。
控制电路330设置为交替地向第一绕组的两个部分311和313供电。控制电路330分别通过节点303和304连接至输入端子+V和GND。控制电路330包括两个开关SW1和SW2，以分别接入和断开第一绕组的两个部分313和311上的供电电压。在一个实施例中，并且如图4所示，开关SW1、SW2每一个均包括晶体管，优选地在绝缘体上硅(SOI)或蓝宝石上硅(SOS)技术中实现的FET。
绝缘体上硅技术和蓝宝石上硅技术是已知的并且在美国专利US4,177,084、US4,509,990和US4,659,392以及G.A Garcia等人的题为“High-Quality CMOS in Thin(100nm)Silicon on Sapphire”的文章中更详细描述，将其合并在此作为参考。
在实施例中，SOI-或SOS-实现的FET形成在控制电路330中，然后将其安装到PCB基板上。
FET开关SW1的漏极在节点310处连接至第一绕组的第一端，而FET开关SW2的漏极在节点314处连接至第一绕组的第二端。FET开关SW1的源极和FET开关SW2的源极在节点305处耦接并且连接至保持在接地电势的节点304。节点312直接连接至高电压输入+V。
控制电路330还包括振荡器电路340、电源单位350和驱动/控制电路360。电容器Ctuning连接在振荡器电路340的输入341和接地之间，以便根据其电容来调谐振荡器的操作频率。如图4所示，将调谐电容器安装在控制电路330的外部。这是为了确保具有较大电容的较大调谐电容器不会限制将控制电路最小化。在替代实施例中，可以通过普通的阻抗Z1来代替电容器Ctuning。
振荡器输出342连接至驱动/控制电路360的输入361。电源单元(PSU)350的输出353在输入343处向振荡器提供电源电压。PSU具有经由节点303连接至输入端子+V的输入351。PSU的输出352向控制/驱动电路360的输入362提供电源电压。驱动/控制电路360使用来自PSU和振荡器电路的输出来创建控制信号。将第一开关控制信号从输出363发送至FET开关SW1的栅极，并且将第二开关控制信号从输出364发送至FET开关SW2的栅极。驱动/控制电路360具有经由节点304连接至地的端口365。
另外的已知控制电路可以向驱动/控制电路和PSU提供输入，例如过流保护电路和过温保护电路。在其他实施例中，驱动/控制电路可以能够向振荡器电路提供控制信号。
由驱动/控制电路产生的开关控制信号可以是方波会正弦波，以允许FET开关SW1和SW2每一个均在50％的占空比下操作。将开关控制信号以180°相差提供给FET开关SW1和SW2，允许在SW1关断时SW2接通，并且反之亦然。这使得FET开关SW1和SW2在向绕组311供电和向绕组313供电之间交替。
当对绕组供电时，增加穿过变压器TX1的芯的磁通量感应出第二绕组220两端的电压。感应的电流将流过第二绕组，直到变压器芯饱和为止。这时，变压器芯内部的磁通量变化率下降为零。第一绕组210两端的电压也下降为零，继而其中流过的电流也下降为零。
在变压器TX1的输出侧上，二极管D1的一个端子连接至节点320，另一个端子连接至节点306，并且在朝向节点306的方向上进行偏置。也提供了二极管D2，一个端子连接至节点324，另一个端子连接至节点306，并且再次在朝向节点306的方向上进行偏置。节点322直接连接到节点308，并且节点306直接连接到节点307。电容器C2设置在节点307和308之间。节点307连接至第一输出端子370，而节点308连接至第二输出端子371。
如上所述，第二绕组321和323具有根据变压器芯内的磁通量变化率而在其两端感应的电压。因此，通过组合的绕组311和313的交变电流建立了通过组合的绕组321和323的感应交变电流。当该电流在第一方向上流通时，将二极管D1正向偏置，并且电流通过绕组321流到节点322中以及流出节点320，在输出端子370和371两端建立了电压。将二极管D2反向偏置，因此没有电流能够流过绕组323。当所述交变电流在第二方向上流通时，将二极管D2正向偏置，并且电流通过绕组323流到节点322中以及流出节点324，从而再次在输出端子370和371两端施加相同极性的电压。二极管D1和D2从而对交变电流进行整流，并且电容器C2对输出进行平滑以在输出端子370和371之间提供近似恒定的直流电流。因此，图4中示出的电路是一种隔离式DC-DC转换器，其取得+V和GND端子两端的DC输入，并生成端子370和371两端的DC输出。本领域技术人员将认识到，通过改变第一绕组311、313和第二绕组321、323上的匝数，可以调整相对于DC输入电压的DC输出电压。
图5示出了结合所述的US2016/111965(A1)如上所述的设备的比较示例。如上所述，图5的比较示例与罗耶(Royer)电路结构的推挽式转换器相对应，使用本申请人的NXE1生产线可以实现所述罗耶电路结构的推挽式转换器。
图5中所示的也包括在图4中的特征已经赋予如前所述相同的编号。变压器TX1由嵌入式变压器形成，并且还包括在节点380和384之间限定的辅助绕组。辅助绕组的每一端连接至晶体管的基极之一。因而，节点380连接至晶体管TR1的基极，节点384连接至晶体管TR2的基极。晶体管TR1和TR2可以是npn类型，但其他类型也可以。
节点382连接至电阻器R2的第一端子，电阻器R2的第二端子连接至节点391。晶体管TR1的集电极在节点310处连接至第一绕组的第一端，晶体管TR2的集电极在节点314处连接至第一绕组的第二端。晶体管TR1的发射极连接至电感器L2的一个端子，而电感器L2的另一个端子连接至节点392。晶体管TR2的发射极连接至电感器L1的一个端子，而电感器L1的另一个端子连接至节点392。节点392连接至保持在接地电势的节点393。电容器C2的第一端子连接至节点393，另一个端子连接至直接连接至高电压输入+V的节点394。节点394和节点312之间设置电阻器R3。
当对绕组部313供电时，增加穿过变压器TX1的芯的磁通量感应出辅助绕组381和383两端的电压。辅助绕组381两端的感应电压具有对晶体管TR1的基极端子施加电压的合适极性，以便将晶体管TR1保持接通。因而实现了TR1接通而TR2关断的正反馈布置。最终，芯中的磁场饱和，并且其中磁通量的变化率下降为零。第一绕组313两端的电压也下降为零，继而其中流过的电流也下降为零。辅助绕组381和383响应该变化，其两端建立具有相反极性的感应电压。由此，这具有接通晶体管TR2并关断晶体管TR1的效果，从而对绕组311供电。再一次地，建立正反馈，使得由辅助绕组383施加于晶体管TR2的基极的电压将晶体管TR2维持在接通状态，同时将晶体管TR1保持在关断状态。然后，芯内的磁场饱和，并且电路返回到对绕组313供电。只要提供输入功率，这种交替对第一绕组311和313供电的振荡行为将无限继续下去。
图5的比较示例依赖于磁芯在其操作周期的一部分内变饱和，以使辅助绕组能够在变压器TR1和TR2之间切换。在此期间，在输入侧提供的能量由于没有被传输至输出370和371而浪费掉。在本发明中通过使用图4所示的控制电路330来驱动FET SW1和SW2的操作而不依赖于芯区饱和来解决这种低效率。在最佳的频率范围处，控制电路330防止芯区在操作周期的主要部分内变得饱和，同时仍允许将能量传输至第二绕组。
通过提供图2至图4的实施例中的控制电路330，也不再需要提供辅助绕组381和383来向晶体管TR1和TR2反馈控制信号。结果，在磁芯周围需要较少的绕组，并且因此可以使设备明显更小。在具体的实施例中，减小尺寸的变压器可以在初级绕组上具有小于五个匝数。
如上所述，在图2至图4的实施例中，SW1和SW2优选地包括在绝缘衬底上设置的薄硅层(绝缘体上硅技术)或者更优选地在蓝宝石的绝缘衬底上设置的薄硅层(蓝宝石上硅技术)中形成的相应场效应晶体管(FET)。
由于涡流损耗和磁滞损耗增加的影响以及晶体管中的开关损耗，在较高频率下操作通常导致磁芯中增加的损耗。在本实施例中，提供使用绝缘体上硅技术实现的FET SW1和SW2意味着开关SW1和SW2可以在比由其他制造技术实现的开关高得多的频率下操作。
例如，图1至图4的实施例能够在比图5中所示的比较示例的操作频率范围高得多的频率下操作。因此，现在容易实现最高至1MHz的开关频率，并且在具体实施例中，提供了1MHz至10MHz的开关频率。
在如上所述的实施例中，磁芯可以用铁氧体制造。然而在较高的频率下，可以为磁芯使用不同的材料以便提供合适的电感特性。例如，包括镍-铁磁性合金的坡莫合金材料提供比标准铁氧体高得多的导磁率。可以在MHz范围的频率下使用的其他材料是例如包括NiFe、NiZn铁氧体、CoNiFe、MnZn铁氧体在内的那些合金、诸如CoZrO之类的颗粒结构薄膜材料、诸如Fe/SiO2复合物之类的复合磁性材料。
适当的考虑用于磁芯的材料，最高至100MHz的开关频率是可能的。
能够在较高的频率下操作意味着可以减小磁芯的尺寸。例如，可以采用图5的比较示例中的磁芯的尺寸为8.5mm×5.4mm×1.8mm，假设磁芯形状是拉长的环形体形状。在这种情况下，可以将8.5mm限定为与拉长的环形体的较长尺寸相对应的x轴尺寸，5.4mm是与拉长的环形体的较短尺寸相对应的y轴尺寸，而1.8mm是拉长的环形体的z轴方向，即环形体的高度或厚度。控制电路的使用以及通过开关SW1和SW2实现的高开关频率意味着可以使得图1至图4的实施例中的磁芯的尺寸小于8.5mm×5.4mm×1.8mm。这进而允许减小包封变压器的电子设备的总体尺寸。
自然地，所述实施例不局限于这种形状的磁芯，可以使用其他的形状。假设圆形磁芯，那么小于5.4mm×5.4mm×1.8mm的尺寸也是可能的。在实施例中，优选地，磁芯的尺寸在3.8mm×3.8mm×0.9mm和5.4mm×5.4mm×1.8mm的范围内。
假设磁芯的其他形状，限定磁芯周围的理想边界形状是有用的，其中所述边界形状的平面近似限定了用于规范磁芯尺寸的x、y和z方向。例如，磁芯103和其中包封磁芯的腔体可以是圆形、椭圆形、拉长的环形形状、具有间隙的环形形状、或者甚至EE、EI、I、EFD、EP、UI和UR芯区形状。对于EE、EI、I、EFD、EP、UI和UR芯区形状，由边界形状限定的理想盒体应该包括磁芯形状的所有元件。在该讨论中，应该理解的是x和y方向在变压器磁芯具有宽度和深度的平面中，而z方向沿变压器磁芯的高度维度。
如上所述，能够在高频率下操作意味着变压器可以更加高效地操作，并且导致转换器设备中更小的开关损耗。减小损耗也使得能够减小微型化转换器设备的功耗。因此，对于给定的输入功率增加了输出功率，或者相反地对于要求的输出功率可以减小输入功率的量。
因此，可以在低功率设备中实现图2至图4中所示的实施例。例如，可以将图5的比较设备中在全负荷下的功耗取为1.5W。然而，可以将图1至图4的设备实现为在全负荷功率下具有小于1.5W的功耗。
尽管贯穿本申请参考了导电过孔，但是应当注意，可以完全等同地使用任意导电连接装置(例如导电引脚)来替换导电过孔中的任意一个或多个。此外，第一绕组和第二绕组均可以是与变压器的输入电源相连接的初级变压器绕组，或者是与变压器的输出相连接的次级变压器绕组。转换器设备可以包括步进增加或步进减小的变压器，并且可以替代地是标准有线变压器。
磁芯103上可以涂覆绝缘材料以降低导电磁芯和导电过孔或金属迹线之间出现击穿的可能性。磁芯还可以具有提供倒圆的剖面或横截面的倒角边。
在以上描述中，已经将转换器描述为在初级侧绕组具有与次级侧绕组相同数量的匝数。在其他实施例中，可以使用初级侧和次级侧上的不同数量的匝数。
尽管以上在实施例中已经描述了单个推挽式结构，其他拓扑结构可以受益于本发明申请的教导，例如拉推式结构。同样在实施例中，可以使用利用了全桥式输出开关结构的单个初级变压器绕组。
在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将能够对上述示例性实施例做出各种修改。

Claims (14)

1.一种DC-DC转换器，包括：
绝缘基板；
嵌入到所述绝缘基板中的磁芯，所述磁芯具有小于或等于5.4mm×5.4mm×1.8mm的非零x轴方向、y轴方向和z轴方向上的尺寸；
分离的初级变压器绕组和次级变压器绕组，围绕所述磁芯的第一区域和第二区域，使得当从上向下看时，在所述初级变压器绕组周围的第一边界与在所述次级变压器绕组周围的第二边界不重叠；以及
控制电路，包括：
振荡器；
耦接至所述振荡器的驱动电路；以及
耦接至所述驱动电路的一个或多个开关；
所述驱动电路向所述一个或多个开关提供开关信号，并且使所述一个或多个开关通电以向所述初级变压器绕组提供驱动电压；
以及，其中所述一个或多个开关是在绝缘体上硅结构中实现的场效应晶体管或者实现为蓝宝石上硅结构的场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中驱动所述开关的开关信号具有至少1MHz的频率。
3.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其中驱动所述开关的开关信号具有在1MHz至10MHz的范围内的频率。
4.根据权利要求1、2或3所述的DC-DC转换器，包括向所述控制电路和变压器供电的电源单元，所述电源单元具有额定在1.5W或以下的满负荷处的功耗。
5.根据权利要求1、2或3所述的DC-DC转换器，其中所述初级变压器绕组和所述次级变压器绕组中的每一个包括围绕所述磁芯的区域的嵌入式导电线圈，其中所述导电线圈包括穿过与所述磁芯相邻的绝缘基板的多个导电过孔以及连接相邻的导电过孔的多个导电迹线，所述导电过孔和所述导电迹线从而形成线圈结构。
6.根据权利要求5所述的DC-DC转换器，其中所述绝缘基板具有彼此相对的第一主表面和第二主表面，并且所述多个导电迹线分别设置在所述第一主表面和所述第二主表面上。
7.根据权利要求6所述的DC-DC转换器，其中所述控制电路嵌入到所述绝缘基板的第一主表面上。
8.根据权利要求1、2或3所述的DC-DC转换器，包括连接在所述振荡器的接地端和输入端之间的电容器，其中所述振荡器的振荡频率根据所述电容器的电容可调谐。
9.根据权利要求8所述的DC-DC转换器，其中只有所述电容器而没有其他电子组件连接至所述振荡器的输入端。
10.根据权利要求8所述的DC-DC转换器，其中所述电容器安装在所述控制电路的外部。
11.根据权利要求1、2或3所述的DC-DC转换器，其中所述初级变压器绕组包括小于五的匝数。
12.根据权利要求1、2或3所述的DC-DC转换器，其中所述绝缘基板是树脂基板。
13.根据权利要求1、2或3所述的DC-DC转换器，其中所述转换器是推挽式转换器或者拉推式转换器。
14.根据权利要求13所述的DC-DC转换器，其中所述一个或多个开关包括耦接至所述驱动电路的第一开关和第二开关；以及其中所述驱动电路提供开关信号以控制所述第一开关和所述第二开关，所述开关信号交替地使所述第一开关和第二开关通电以向所述初级变压器绕组提供交变驱动电压。
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