CN108962560B - 片式绕线变压器及其制造方法和包含该变压器的微功率模块电源 - Google Patents
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Abstract
一种片式绕线变压器，整体呈π型结构，由磁体、磁片和线圈组成，磁体，为H型结构，包括中柱和自中柱两端面垂直向外延伸形成的叶片，叶片的两个底角电镀为两个引脚焊盘，在两个引脚焊盘之间开设有缺口，在引脚焊盘区凹设有线槽，线槽的槽深不大于槽宽，线槽外靠近中柱侧设有导线坡；磁片，为I型结构，呈扁平方形，其底面设有凹平面，用以在磁体组入时进行定位；端面外缘边上开设有露出磁体顶面的凹口，用以作为磁体与磁片的点胶位；磁片的长度长于磁体；线圈绕在磁体的中柱上，磁片盖于磁体上，由磁片的凹平面对磁体的装配位置进行定位，并在磁片的凹口处点胶进行磁片与磁体的粘接固定。
Description
技术领域
本发明涉及一种运用于微功率电源模块中的片式绕线变压器及其制造方法。
背景技术
随着电子技术的飞跃发展，主要用于工控、仪表、医疗、集成通讯信号处理接口等方面的微功率电源模块也不断朝着小、薄、轻的方向进行技术进化。变压器作为微功率电源模块中的核心功率磁元件，承担着电压隔离、能量传递的关键作用，其大小直接影响到微功率模块的小型化发展。目前行业中常用的一种片式绕线电感(如图1A)，将导线缠绕在H型贴片电感的中柱，导线的起收线分别焊接在电感边腿上，再经过粘接盖片、涂覆、灌封等工艺，形成SMT贴片器件，作为共、差模滤波电感广泛运用在各种高频电路中。(参考文件：《片式电感及其应用》，发表于《电源技术运用》，文章编号0219-2719(2009)08-0037-05)。片式电感由于其独特小型化结构，能够快速实现自动批量生产，运用领域也得到不断的开发和探索，行业内的技术人员不断尝试欲将片式绕线电感不局限于运用在高频电路中的共差模滤波器件，同样的期望能运用到高频微功率电源模块中作为功率变压器使用。片式电感作为共差模滤波电感，常见的封装结构如3225(其长*宽*高约为3.2*2.5*0.55mm)，主要承担的是小电流、微信号，对磁体本身的结构和线圈的线径、圈数、设计条件及制造工艺相对来讲并不苛刻。但是作为功率变压器，要承载着低压大电流、强信号、以及较高的绝缘隔离特性，现仍存在如下技术瓶颈和工艺难题：
1、现有的绕线贴片电感，通常为单绕组(如图1B)或者是双绕组(如图1C)，
2、盖片通常为同材质的铁氧体构成，与H磁芯粘接，一方面能够形成闭合回路，增加电感感量；另一方面形成一个可吸附平面方便后续的贴片安装。但是当灌封或是塑封的情况下，盖片与H磁芯的粘接受胶体的影响导致其电磁特性和变压器工作可靠性均发生较大的变化。
3、由于绕组引线直接焊接在H磁芯的边腿底面，该底面又为后续在PCB贴片的回流焊焊接功能面，引线焊接的质量及平整度会直接影响贴片安装的共面度，且如果引线焊接工艺不可靠时，在后续贴片回流焊时会发生引线松脱的质量隐患。
4、当线圈的引线焊接在边腿面(即底面的引脚焊盘)上，飞线焊接端因受边腿面的抬高会使绕组拉至焊接端的这段引线形成一个悬空状态，后续将此类电感运用在灌封或塑封产品当中时，存在引线断裂的风险。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的在于通过对现有片式绕线电感进行结构及工艺的改进，提供一种能运用于微型开关电源及模块电源中制造简单、小巧可靠的片式绕线变压器。
为实现上述发明目的，本发明提供一种片式绕线变压器，整体呈π型结构，由磁体、磁片和线圈组成，磁体，为H型结构，包括中柱和自中柱两端面垂直向外延伸形成的叶片，叶片的两个底角电镀为两个引脚焊盘，在两个引脚焊盘之间开设有缺口，在引脚焊盘区凹设有线槽，线槽的槽深不大于槽宽，线槽外靠近中柱侧设有导线坡；磁片，为I型结构，呈扁平方形，其底面设有凹平面，用以在磁体组入时进行定位；端面外缘边上开设有露出磁体顶面的凹口，用以作为磁体与磁片的点胶位；磁片的长度长于磁体；其中，线圈绕在磁体的中柱上，磁片盖于磁体上，由磁片的凹平面对磁体的装配位置进行定位，并在磁片的凹口处点胶进行磁片与磁体的粘接固定。
优选的，所述磁体，其中柱两端的叶片分别为第一叶片和第二叶片，第一叶片的引脚焊盘即为第一绕组的引出端子；第二叶片的引脚焊盘即为第二绕组的引出端子；两叶片之间的间隔空区为变压器初、次级间的绝缘隔离区。
优选的，所述磁体，其中柱两端的叶片分别为第一叶片和第二叶片，第一叶片和第二叶片同侧的两引脚焊盘为第一绕组的引出端子，第一叶片和第二叶片另一侧的两引脚焊盘为第二绕组的引出端子，各叶片的缺口为变压器初、次级间的绝缘隔离区；所述磁体的长宽比为1比1至1比1.2。
优选的，所述磁体的导线坡是连接线槽与中柱的倾斜坡面。
优选的，所述磁体的叶片顶面研磨为镜面平面。
优选的，所述磁体的中柱外壁增设有绝缘层。
优选的，所述凹口为半圆通孔，凹口的口径小于叶片的厚度。
优选的，所述的片式绕线变压器，在磁片与磁体的叶片外壁的结合处增设点胶位。
优选的，所述片式绕线变压器在靠近第一引脚处设置有第一引脚标识点。
本发明还提供一种微功率模块电源，包含上述的片式绕线变压器和PCB电路板，片式绕线变压器贴装于PCB电路板上。
本发明还提供一种微功率模块电源，包含上述的片式绕线变压器和PCB电路板，PCB电路板上开设凹槽，片式绕线变压器的磁体沉于凹槽中，并通过磁片长于磁体所向外伸出的两翼架于PCB电路板上。
本发明所提供的片式绕线变压器，由一“H”型磁体、一“I”型磁片和线圈组成，其特征在于：“H”型磁体为一中柱，中柱向两端衍生，沿中柱环周具有两个与中柱轴纵向的两侧片，两侧片所围成的磁体整体之长宽比为1:1～1.2，“I”型磁片长度大于“H”型磁体且覆盖接触于侧片的顶部，“I”型磁片上设置有半孔；两个及以上数量的线圈缠绕在“H”型磁体中柱上且线圈引线分别经由导线沟连接在“H”型磁体的底部至少两个以上的端部的线槽中。
“H”型磁体中柱为方型、圆形、椭圆形等均一状体；中柱向两端延伸并垂直于中柱轴线方向各有侧片，侧片的一端部有金属电镀层；侧片的端部平行于中柱设有缺口,缺口间距大于1.0mm；侧片设有线槽，线槽到中柱有斜向的导线沟。
优选的，“H”型磁体的侧片底部设置有线槽，线槽位于侧片的底面，线槽形状为半圆孔的卡位槽，线槽弧面及侧片端部的共面具有金属涂层，侧片端部的金属涂层又作为贴片功能面在回流焊时可与PCBA实现电气连接。侧片靠近中柱侧设有导线沟，导线沟呈倾斜状态由线槽的一端斜向连接至中柱，倾斜角度匹配于引线的绕制角度及侧片与中柱的垂直高度，其功能是能承托引导引线的，避免悬空。同时，导线沟可有效阻止卡线槽中线端加锡焊接时多余的锡从卡线槽中流出，从而实现卡线槽与中柱上所绕的绕组线包的隔离。侧片顶部为研磨的平面，特殊场合下研磨的平面可以为“镜面”研磨加工，利于降低与“I”型磁片组装后的接触间隙。
进一步的，“H”型磁体由具有高磁导率、高电阻率的软磁铁氧体加工而成，高磁导率能够保证变压器获得较大的电感量，高电阻率保证磁体本身的绝缘性能。当磁体的材质选用镍锌、锰锌、锰锌等铁氧体时，在特定的需满足安规要求的场合，对于中柱绕线部分可以增加包括但不限于额外的涂层、介质等方式进行磁体与线圈间的绝缘加强。
“I”型磁片由具有低磁导率、高电阻率的软磁铁氧体加工而成，磁片尺寸等宽于“H”型磁体但长于“H”型磁体。“I”型磁片设有凹槽，凹槽的长度“H”型磁体的侧片长度接近。“I”型磁片并设有两个及以上的开孔。优选的，当“I”型磁片与“H”型磁体进行组装时，所设凹槽起到限位作用，可防止粘接歪斜。
两线圈由两个独立的且相互间绝缘的电磁线绕制而成。线圈起收线放置于侧片的线槽，起收线引线经过导线沟各种缠绕在中柱上。优选地，两线圈为片式变压器的初、次级线圈，呈并列制或分列绕制状态，线圈圈数不定。
本发明再提供一种片式绕线变压器的制造方法，包括如下步骤，磁体成型步骤，铁氧体磁材的磁体与磁片通过烧制成型，其中，磁体为H型结构，包括中柱和自中柱两端面垂直向外延伸形成的叶片，叶片的两个底角电镀为两个引脚焊盘，在两个引脚焊盘之间开设有缺口，在引脚焊盘区凹设有线槽，线槽的槽深不大于槽宽，线槽外靠近中柱侧设有导线坡；磁片，为I型结构，呈扁平方形，其底面设有凹平面，以供磁体组入时进行定位；端面外缘边上开设有露出磁体顶面的凹口，用以作为磁体与磁片的点胶位；磁片的长度长于磁体；绕线步骤，在中柱上绕制变压器的多个线圈，线圈的各引线端分别经由导线坡卡入线槽中，再将引线端焊接在线槽中；组装成型步骤，磁片盖于磁体的顶部上，由磁片的凹平面对磁体的装配位置进行定位，并在磁片的凹口处点胶进行磁片与磁体的粘接固定。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、“H”型磁体的创新设计，线圈引线贴附在导线沟再固定在线槽，一方面可以有效避免现有技术中的引线悬空问题，另一方面可以保证贴片时的共面度。
2、“I”型磁片的创新设计，能够保证组装时的限位及固定，避免器件组装时的歪斜的同时，也有利于保证磁片与磁体的粘接强度。
3、片式变压器解决了现有片式绕线电感无法作为功率变压器的技术难题，能够广泛运用在模块电源中。
附图说明
图1A为现有片式绕线电感示意图；
图1B为现有单绕组的片式绕线电感的示意图；
图1C为现有双绕组的片式绕线电感的示意图；
图2A为本发明片式绕线变压器的立体图；
图2B为本发明片式绕线变压器的底部视角的立体图；
图2C为变压器的电路原理图；
图2D为本发明片式绕线变压器的第一种引脚接线图；
图2E为本发明片式绕线变压器的第二种引脚接线图；
图3为本发明片式绕线变压器的“H”型磁体的立体图；
图4为本发明片式绕线变压器的“I”型磁片的立体图；
图5为本发明片式绕线变压器的“H”型磁体卷线后的立体图；
图6为本发明片式绕线变压器的制造方法的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1—“H”型磁体；2—I”型磁片；3—线圈
100—中柱；110、120—叶片；111、121—缺口；1131、1132、1231、1232—线槽；1141、1142、1241、1242—导线沟；1121、1122、1221、1222—端部；201、202—半孔；210—凹槽；203—MARK点；3—线圈；311、312、321、322—引线；
具体实施方式
对于本行业的专业技术人员来讲，本发明所涉及到的组件，在不同的加工期间结构存在差异，制造加工过程中，依靠不同的机械设备和工夹具及工艺实施方法，能够在结构和加工方面上借鉴参考并衍生出各种变化，其皆不脱离本发明的范围。且其中的说明及图示在本质上是为了便于通俗理解而进行一般性阐述之用，而非是对本发明的限制。
如图2A、2B所示为本发明提供的一种片式绕线变压器的立体图，一种片式绕线变压器，整体呈π型结构，由磁体1、磁片2和线圈3组成。
磁体1，为H型结构，包括中柱100和自中柱两端面垂直向外延伸形成的叶片110、120，两叶片为对称结构，叶片110的两个底角电镀为两个引脚焊盘1121、1122，在两个引脚焊盘1121、1122之间开设有缺口111；叶片120的两个底角电镀为两个引脚焊盘1221、1222，在两个引脚焊盘1221、1222之间开设有缺口121。理论上依图2C所示变压器的电路原理图来看，变压器的初、次级线圈在磁体1的引脚焊盘上可形成两种绕线方式，其一如图2D所示，由叶片110和叶片120同侧的两引脚焊盘1121、1221作为变压器第一绕组的引出端子；叶片110和叶片120的另一侧的两个引脚焊盘1122、1222作为第二绕组的引出端子；各叶片的缺口111、121为变压器第一、第二绕组(即初、次级)间的绝缘隔离区。此种绕线方式，为了在保证满足初次级间引脚隔离距离要求的同时兼顾变压器体积的小型化，两叶片所围成的磁体整体的长宽比范围需在1:1～1:1.2之间。其二如图2E所示，由叶片110的引脚焊盘1121、1122即为第一绕组的引出端子；叶片120的引脚焊盘1221、1222即为第二绕组的引出端子；两叶片之间的间隔空区为变压器初、次级间的绝缘隔离区。此种绕线方式因间隔空区已自然满足初次级间引脚隔离距离的要求，因此两叶片所围成的磁体整体尺寸无需考虑隔离间距的限制问题，也无长宽比的受限设计条件。
以下以第一种绕线方式为例来结合附图对发明的原理和实施方式进行详细说明。
本发明提供的一种片式绕线变压器(以下可略称为片式变压器)如图2A所示，由“H”型磁体1、“I”型磁片2和线圈3组成。
如图3所示为本发明绕线变压器的“H”型磁体的立体图，“H”型磁体1，优选的采用高电阻率的镍锌铁氧体材质，其结构设计为一中柱100，中柱100向两端衍生，沿中柱100环周具有两个与中柱轴纵向的两叶片110、120(因其构成变压器的侧壁，以下也可形象的称为侧片)。为使变压器体积与隔离效果均更优化，侧片110、120之间的长宽比为1:1～1.2，或者说两侧片所围成的磁体整体的长宽比范围在1:1～1:1.2之间；中柱100为方型、圆形、椭圆形等均一状体；侧片110、120的四个端部(1121、1122、1221、1222)分别进行金属化处理，即将两个侧片的两个底角电镀为两个引脚焊盘；侧片110、120的端部平行于中柱设有缺口111、121，以形成变压器的初、次级的线圈引脚之间的电气隔离间距；缺口111、121的间距大于1.0mm，以形成满足对变压器的电气隔离间距的严格要求；侧片110设有线槽1131、1132，侧片120设有线槽1231、1232，线槽1131到中柱有斜向的导线沟1141，线槽1132到中柱有斜向的导线沟1142，线槽1231到中柱有斜向的导线沟1241，线槽1232到中柱有斜向的导线沟1242。各线槽凹设于“H”型磁体的侧片底部的引脚焊盘区内，线槽位于侧片的底面，线槽为卡位槽，线槽的形状为半圆孔，线槽的槽宽与绕线的线径相当，线槽的槽深小于线圈绕线的线径，即线槽的槽深不大于槽宽，以供容纳线圈的线端，并使线端卡于其内，而没有过多的活动空间，从而更好地保证变压器在PCB上进行贴片回流焊时不易因熔锡而跑位。线槽弧面及侧片端部均具有金属涂层，侧片端部的金属涂层又作为贴片功能面可与PCB空板及其他SMT元器件一起上件后通过回流焊工艺实现电气连接。侧片110靠近中柱侧设有导线沟1141、1142，侧片120靠近中柱侧设有导线沟1241、1242，导线沟呈倾斜状态由线槽的一端斜向连接至中柱，倾斜角度匹配于引线的绕制角度及侧片与中柱的垂直高度，其功能是能承托引导引线的避免悬空；导线沟还形成线槽的焊锡与中柱的线圈包之间的阻锡带。因导线沟的结构为倾斜坡面，也可形象的称为导线坡。侧片顶部为研磨的平面，特殊场合下研磨的平面可以为“镜面”研磨加工，利于降低与“I”型磁片组装后的接触间隙。
进一步的，“H”型磁体由具有高磁导率、高电阻率的软磁铁氧体加工而成，高磁导率能够保证变压器获得较大的电感量，高电阻率保证磁体本身的绝缘性能。当磁体的材质选用镍锌、锰锌、锰锌等铁氧体时，在特定的需满足安规要求的场合，对于中柱绕线部分可以增加包括但不限于额外的涂层、介质等方式进行磁体与线圈间的绝缘加强。
如图4所示为本发明片式绕线变压器的“I”型磁片的立体图，“I”型磁片2，由具有低磁导率、高电阻率的软磁铁氧体加工而成，磁片尺寸等宽于“H”型磁体但长于“H”型磁体，“I”型磁片2长于“H”型磁体所向外伸出的部分为两翼205。“I”型磁片2设有凹槽210，凹槽210的长度与“H”型磁体的侧片长度接近，使凹槽210在磁片2的底面形成一个凹平面。优选的，当“I”型磁片与“H”型磁体进行组装时，所设凹槽作为磁体与磁片的装配定位基准，对磁体与磁片的装配位置进行定位，起到定位限位作用，并可防止粘接歪斜。“I”型磁片2的端面外缘边上开设有露出磁体顶面的半孔201、202，与单个的邮票孔结构相似，以形成磁体与磁片的点胶位，供磁体组入磁片后两者的粘接固定，如此通过减小两者之间的胶粘接面积，尽可能减小非磁材料对磁闭合回路的电磁特性的影响，以保障变压器工作的可靠性。半孔201、202是磁片2的端面外缘边上的小凹口，孔径小于叶片的厚度，可是半圆通孔，还可是横截面形状由端面的外缘边与非封装曲线围成的其他形状，如圆弧形通孔。并且半孔可设有两个及以上的开孔数量。“I”型磁片2的顶面在靠近第一引脚处可设置有第一引脚标识点，用于辨别变压器的第一引脚。
如图5所示为本发明片式绕线变压器的“H”型磁体卷线后的立体图，线圈3由两个独立的且相互间绝缘的电磁线绕制而成。线圈起收线放置于侧片的线槽内，起收线引线经过导线沟以各种缠绕方式绕制在中柱上。优选地，两线圈为片式变压器的初、次级线圈，呈并列制或分列绕制状态，线圈圈数不定。
如图2A、2B所示为本发明片式绕线变压器的立体图，图4所示为本发明片式绕线变压器的“I”型磁片的立体图，在本发明片式绕线变压器贴装于PCB电路板上制成微功率模块电源时，PCB电路板上可开设凹槽，变压器的磁体1沉于凹槽中，并通过磁片2长于磁体1所向外伸出的两翼205架于PCB电路板上，从而可进一步降低微功能模块电源产品的整体高度尺寸。
如图6所示，为本发明的片式绕线变压器的制造方法的流程图，其工艺流程包括如下步骤：
1、磁体成型：作为片式变压器的主要材料，“H”型磁体、“I”型磁片由专业的磁性材料厂商根据设计需求，按照铁氧体磁材的加工工艺成型烧制。此发明对于磁材的加工工艺及过程不作过多赘述，但对于磁体的外形结构和磁材材质会根据具体的产品运用领域的研发需求进行选定。
2、“H”型磁体再加工：对于功率变压器而言，在默认的场合需要初次级间具有一定的绝缘隔离需求，“H”型磁体本身不仅仅承载线圈，侧片上的导电镀层也过渡实现线圈与PCBA(即PCB空板与SMT等元器件一起上件组装完成整个制程所得的半成品)之间的电气连接，因此实际运用时在“H”型磁体中柱及侧片局部通过一些绝缘介质的涂覆、包裹、粘贴等进行本体的绝缘处理来达到磁体与线圈之间的绝缘隔离。
3、绕线固定：通过绕线设备将电磁线(包括并不限于漆包线、绝缘线等金属导线)采用单饶、并绕或其他绕制方式，在中柱上绕制多个线圈。线圈的引线分别经由导线沟绑在线槽中，再通过融化焊、压力焊、钎焊等方式将引线端头、导线槽、金属涂层焊接一体。由于引线卡在导线槽中，在后续回流焊贴片时焊接后多个侧片的金属涂层共面会满足较精准的共面度。
4、“I”型磁片粘接：将“I”型磁片与“H”型磁体配合组装，“H”型磁体的两侧片嵌入“I”型磁片的凹槽之中，“I”型磁片上的两开孔分别与“H”型磁体的两侧片对齐，在开孔与侧片的相结合处401、402使用胶体进行粘接，进一步的可在“I”型磁片与两侧片的外壁结合处增加胶体，从而增加“I”型磁片与“H”型磁体在一些灌封、塑封等特殊的运用环境中的粘接强度。粘接好后进行高温烘烤，胶体固化后形成片式变压器。
5、特性检测：对制作好的片式电感器进行电感、漏感、品质因数、绝缘耐压值等特性进行测试评估。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种微功率模块电源，其特征在于：包括：
片式绕线变压器，整体呈π型结构，由磁体、磁片和线圈组成，
磁体，为H型结构，包括中柱和自中柱两端面垂直向外延伸形成的叶片，叶片的两个底角电镀为两个引脚焊盘，在两个引脚焊盘之间开设有缺口，在引脚焊盘区凹设有线槽，线槽的槽深不大于槽宽，线槽外靠近中柱侧设有导线坡；
磁片，为I型结构，呈扁平方形，其底面设有凹平面，用以在磁体组入时进行定位；端面外缘边上开设有露出磁体顶面的凹口，用以作为磁体与磁片的点胶位；磁片的长度长于磁体；其中，
线圈绕在磁体的中柱上，磁片盖于磁体上，由磁片的凹平面对磁体的装配位置进行定位，并在磁片的凹口处点胶进行磁片与磁体的粘接固定。
PCB电路板，PCB电路板上设有凹槽，片式绕线变压器的磁体沉于凹槽中，并通过磁片长于磁体所向外伸出的两翼架于PCB电路板上。
2.根据权利要求1所述的微功率模块电源，其特征在于：所述磁体，其中柱两端的叶片分别为第一叶片和第二叶片，第一叶片的两个引脚焊盘即为第一绕组的两个引出端子；第二叶片的两个引脚焊盘即为第二绕组的两个引出端子；两叶片之间的间隔空区为变压器初、次级间的绝缘隔离区。
3.根据权利要求1所述的微功率模块电源，其特征在于：所述磁体，其中柱两端的叶片分别为第一叶片和第二叶片，第一叶片和第二叶片同侧的两引脚焊盘为第一绕组的引出端子，第一叶片和第二叶片另一侧的两引脚焊盘为第二绕组的引出端子，各叶片的缺口为变压器初、次级间的绝缘隔离区；所述磁体的长宽比为1比1至1比1.2。
4.根据权利要求1所述的微功率模块电源，其特征在于：所述磁体的叶片顶面研磨为镜面平面。
5.根据权利要求1所述的微功率模块电源，其特征在于：所述磁体的中柱外壁增设有绝缘层。
6.根据权利要求1所述的微功率模块电源，其特征在于：所述凹口为半圆通孔，凹口的口径小于叶片的厚度。
7.根据权利要求1所述的微功率模块电源，其特征在于：在磁片与磁体的叶片外壁的结合处增设点胶位。
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