CN110211780B - 一种基于柔性电路板的电容型网络变压器及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变压器领域。本发明为一种基于柔性电路板的电容型网络变压器及其测量方法，所述变压器包括发射端柔性电路板和接收端柔性电路板，通过可拆卸方式上下正对组合为一体；所述发射端柔性电路板封装发射柔性电容板，所述接收端柔性电路板封装接收柔性电容板；所述发射柔性电容板包括被发射板隔离带隔开的发射正极板和发射负极板；所述接收柔性电容板包括被接收板隔离带隔开的接收正极板和接收负极板；两个正极板上下相对，两个负极板上下相对，正极板与负极板的面积相等，构成四平板电容系统，改善现有网络变压器厚度大，成本高，装卸复杂，无法多次更改外接电路的问题，实现装置的扁平化，更轻薄，降低制造成本，简化拆装焊接，便于外接电路。

Description

一种基于柔性电路板的电容型网络变压器及其测量方法
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种基于柔性电路板的电容型网络变压器及其测量方法。
背景技术
SPI通信电路中，需要用到小型高频变压器做电气隔离，传统用于SPI通信电路中的隔离网络变压器，体积大，满足不了现代电子电路的小型化的要求，且制造成本高、拆装焊接流程复杂。由此基于印刷电路板(PCB)的平面变压器得到广泛应用，但PCB板不能弯折，其制成的变压器外接电路后，由于PCB板的硬材料特性，使其不可充分利用空间，会增加装置体积。而柔性电路板(FPC)作为一种具有高度可靠性的可挠性印刷电路板，可以克服PCB板的这些缺点，且比PCB板厚度更薄、重量更轻、体积更小，更能满足现代电子电路的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种基于柔性电路板的电容型网络变压器及其测量方法，实现装置的扁平化，更轻薄，降低制造成本，简化拆装焊接，便于外接电路。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种基于柔性电路板的电容型网络变压器，其特征在于，所述变压器包括发射端柔性电路板和接收端柔性电路板，发射端柔性电路板和接收端柔性电路板上下正对，组合为一体；所述发射端柔性电路板封装发射柔性电容板，所述接收端柔性电路板封装接收柔性电容板；所述发射柔性电容板包括被发射板隔离带隔离开的发射正极板和发射负极板，分别接信号源的正极和负极；所述接收柔性电容板包括被接收板隔离带隔离开的接收正极板和接收负极板，分别接信号输出的正极和负极。
进一步的，发射正极板与接收正极板上下相对，发射负极板与接收负极板上下相对，发射正极板与发射负极板的面积相等，接收正极板与接收负极板的面积相等，构成四平板电容系统。
进一步的，所述发射正极板被发射板隔离带环绕，发射板隔离带被发射负极板环绕；所述接收正极板被接收板隔离带环绕，接收板隔离带被接收负极板环绕。
进一步的，所述发射正极板和接收正极板均为圆形，所述发射负极板和接收负极板均为圆环形，所述发射板隔离带和接收板隔离带均为圆环形。
进一步的，当增大发射正极板、发射负极板、接收正极板和接收负极板的面积，减小发射柔性电容板与接收柔性电容板的间距，增大发射板隔离带和接收板隔离带的宽度时，电压传输比增大。
进一步的，所述发射柔性电容板和接收柔性电容板的基板为柔性材料，发射正极板、发射负极板、接收正极板和接收负极板均为覆铜层。
进一步的，所述发射端柔性电路板和接收端柔性电路板通过胶粘、灌装或工艺压制的可拆卸方式组合为一体。
进一步的，所述发射端柔性电路板上存在至少两个焊盘分别连接到发射正极板、发射负极板，所述接收端柔性电路板上存在至少两个焊盘分别连接到接收端的接收正极板和接收负极板，用于连接前后级电路。
一种基于柔性电路板的电容型网络变压器的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、准备好LCR电桥测量装置，用LCR电桥测量装置如下测量7次：
发射正极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板、接收正极板、接收负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x1；
发射负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板、接收正极板、接收负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x2；
接收正极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板、发射负极板、接收负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x3；
接收负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板、发射负极板、接收正极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x4；
发射正极板、发射负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，接收正极板、接收负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x5；
发射正极板、接收正极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板、接收负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x6；
发射正极板、接收负极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板、接收正极板的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x7；
S2、得到各分布电容：
Figure BDA0002081168010000041
S3、由S2的计算结果计算出“Π”型等效模型的参数：
Figure BDA0002081168010000042
从而得到实际电压传输比
Figure BDA0002081168010000043
其中，C12为发射正极板与发射负极板之间的分布电容，C13为发射正极板与接收正极板之间的分布电容，C14为发射正极板与接收负极板之间的分布电容，C23为发射负极板与接收正极板之间的分布电容，C24为发射负极板与接收负极板之间的分布电容，C34为接收正极板与接收负极板之间的分布电容。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明实施例采用柔性电路板制作，所以具备柔性电路板的配线密度极高、重量极轻、厚度极薄、耐折、易于拆卸和组装等优点；
(2)本发明实施例的发射端柔性电路板和接收端柔性电路板通过胶粘、灌装或工艺压制的可拆卸的方式上下组合为一起，便于拆卸；
(3)本发明实施例预留有焊盘用于连接前后级电路，可无限次连接使用，节约了成本；
(4)本发明实施例适用于高频段，且在高频段有良好的特性；
(5)本发明相对于电感型变压器，在共模干扰较少的电路中，输出波形失真少，滤波效果更好，且设计更简单；
(6)本发明实施例的正极板为圆形，负极板为圆环形，被环形隔离带隔离，整体呈圆形，圆形和环绕结构使整体面积最小；
(7)本发明实施例的发射正极板和发射负极板在同一个平面内，接收正极板和接收负极板在同一个平面内，相对于四平板平行放置，存在3个介电常数的四平板电容系统，损耗小，电压传输比更高，传输特性更好。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例电容型变压器的柔性电容板示意图；
图2为本发明实施例四平板分布式电容模型；
图3为本发明实施例“Π”型集总参数模型；
图4为本发明实施例单片柔性电容板的尺寸结构图；
图5为本发明实施例LCR电桥测量示意图；
图中：1：发射正极板；2：发射负极板；3：接收正极板；4：接收负极板；5：发射板隔离带；6：接收板隔离带。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明为一种基于柔性电路板的电容型网络变压器，其特征在于，包括发射端柔性电路板和接收端柔性电路板，发射端柔性电路板和接收端柔性电路板上下正对，通过胶粘、灌装或工艺压制的可拆卸方式组合为一体；所述发射端柔性电路板封装发射柔性电容板，所述接收端柔性电路板封装接收柔性电容板。
如图1所示，所述发射柔性电容板的基板为柔性材料，发射板隔离带5分割覆铜层成两部分，分别接信号源的正极和负极，形成发射正极板1和发射负极板2，发射正极板1为圆，发射板隔离带5为环绕发射正极板1的圆环，发射负极板2为环绕发射板隔离带5的圆环；所述接收柔性电容板的基板为柔性材料，接收板隔离带6分割覆铜层成两部分，分别接信号输出的正极和负极，形成接收正极板3和接收负极板4，接收正极板3为圆，接收板隔离带6为环绕接收正极板3的圆环，接收负极板4为环绕接收板隔离带6的圆环；发射正极板1与接收正极板3上下相对，发射负极板2与接收负极板4上下相对，发射正极板1与发射负极板2的面积相等，接收正极板3与接收负极板4的面积相等，构成四平板电容系统。
所述发射端柔性电路板上存在至少两个焊盘分别连接到发射正极板1、发射负极板2，所述接收端柔性电路板上存在至少两个焊盘分别连接到接收端的接收正极板3和接收负极板4，可用于连接前后级电路。
四平板电容系统的电容板相互发生电场耦合，等效的分布式电容模型如图2所示，P1表示发射正极板1，电位值为VP1，P2表示发射负极板2，电位值为VP2，P3表示接收正极板3，电位值为VP3，P4表示接收负极板4，电位值为VP4，P1与P2之间存在分布电容C12，P1与P3之间存在分布电容C13，P1与P4之间存在分布电容C14，P2与P3之间存在分布电容C23，P2与P4之间存在分布电容C24，P3与P4之间存在分布电容C34。由图2可以看出，C13、C14、C23、C24形成电气隔离，将本发明电容型变压器分成初级侧和次级侧，VP1与VP2的电位差V1为等效初级侧电压，VP3与VP4的电位差V2为等效次级侧电压，I1为等效初级侧电流，I2为等效次级侧电流，Cin,pri为等效初级侧电容，Cin,sec为等效次级侧电容。
V1＝VP1-VP2，V2＝VP3-VP4
由基尔霍夫电流定理可得
I1＝jωC12(VP1-VP2)+jωC13(VP1-VP3)+jωC14(VP1-VP4)
-I1＝jωC12(VP2-VP1)+jωC23(VP2-VP3)+jωC24(VP2-VP4)
假设VP2＝0为参考地电位，写成矩阵的AX+BY＝Z形式为
Figure BDA0002081168010000081
对系数矩阵作变换，使得B矩阵为对角矩阵，且对角线上元素相等，变换结果为
Figure BDA0002081168010000082
这样做的目的是得到V1，V2和I1的关系，矩阵实际是表示的是一个方程组
[(C12+C13+C14)C24+C12C14+(C12+C13+C14)C23+C12C13]V1-(C13C24-C14C23)V2
＝[(C24+C14)+(C23+C13)](I1/jω)
上式化简得到
Figure BDA0002081168010000083
同理可以得到
Figure BDA0002081168010000084
所以
Figure BDA0002081168010000091
其中，
Figure BDA0002081168010000092
得到的等效电路图为如图3所示的“Π”型集总参数模型
Figure BDA0002081168010000093
本发明电容型变压器的电压传输比为
Figure BDA0002081168010000094
发射正极板1和接收正极板3之间通过电场耦合将正电荷从发射正极板1耦合到接收正极板3，发射负极板2和接收负极板4之间通过电场耦合将正电荷从接收负极板4耦合到发射负极板2，总体表现是使接收正极板3和接收负极板4之间的电荷量差值增大；而发射正极板1和接收负极板4之间通过电场耦合将正电荷从发射正极板1耦合到接收负极板4，发射负极板2和接收正极板3之间通过电场耦合将正电荷从接收正极板3耦合到发射负极板2，总体表现是使接收正极板3和接收负极板4之间的电荷量差值减小。由于接收正极板3和接收负极板4电荷量差值越大，接收正极板3和接收负极板4之间的电压就越高，从输入信号到输出信号的电压传输比就越高，因此，要增强发射正极板1和接收正极板3、发射负极板2和接收负极板4之间的电场耦合，减弱发射正极板1和接收负极板4、发射负极板2和接收正极板3之间的电场耦合，才能使本发明变压器的电压传输比提高。
本发明中，增大发射正极板1、发射负极板2、接收正极板3和接收负极板4的面积，减小发射柔性电容板与接收柔性电容板的间距，能够增强发射正极板1和接收正极板3、发射负极板2和接收负极板4之间的电场耦合；增大发射板隔离带5和接收板隔离带6的宽度可以减弱发射正极板1和接收负极板4、发射负极板2和接收正极板3之间的电场耦合。
如图4所示，单片柔性电容板的外环半径为rout，内环半径为rstrip，内圆半径为rin，根据内圆与外环的面积相等，得到内环半径
Figure BDA0002081168010000101
即隔离带宽度为
Figure BDA0002081168010000102
内圆半径rin的变化范围在0～0.707rout之间。在MAXWELL Q3D中搭建电容型变压器的仿真模型，将内环半径设为待优化的变量，步长设为0.2mm，根据“Π”型集总参数模型计算得到的电压传输比最大，确定最优的内圆半径，隔离带宽度，完成电容型变压器的设计。
设计好的电容型隔离网络变压器需要测量计算出实际的电压传输比，采用以下一种基于柔性电路板的电容型网络变压器的测量方法，包含以下步骤：
S1、准备好LCR电桥测量装置，为减小测量误差，用LCR电桥测量装置如下测量7次：
如图5所示，发射正极板1的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板2、接收正极板3、接收负极板4的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x1；
发射负极板2的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板1、接收正极板3、接收负极板4的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x2；
接收正极板3的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板1、发射负极板2、接收负极板4的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x3；
接收负极板4的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板1、发射负极板2、接收正极板3的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x4；
发射正极板1、发射负极板2的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，接收正极板3、接收负极板4的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x5；
发射正极板1、接收正极板3的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板2、接收负极板4的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x6；
发射正极板1、接收负极板4的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板2、接收正极板3的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x7；
S2、根据
Figure BDA0002081168010000121
得到各分布电容：
Figure BDA0002081168010000122
S3、由S2的计算结果计算出“Π”型等效模型的参数：
Figure BDA0002081168010000123
从而得到实际的电压传输比
Figure BDA0002081168010000124
本发明实施例的正极板为圆形，负极板为圆环形，且存在同心环绕的位置关系，但正极板为非圆形，隔离带同中心点环绕正极板，负极板同中心点环绕隔离带同样适用于本发明，或正极板、负极板、隔离带之间无环绕与被环绕的位置关系，也同样适用于本发明。
综上可知，通过上述的一种基于柔性电路板的电容型网络变压器及其测量方法，本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明实施例采用柔性电路板制作，所以具备柔性电路板的配线密度极高、重量极轻、厚度极薄、耐折、易于拆卸和组装等优点；
(2)本发明实施例的发射端柔性电路板和接收端柔性电路板通过胶粘、灌装或工艺压制的可拆卸的方式上下组合为一起，便于拆卸；
(3)本发明实施例预留有焊盘用于连接前后级电路，可无限次连接使用，节约了成本；
(4)本发明实施例适用于高频段，且在高频段有良好的特性；
(5)本发明相对于电感型变压器，在共模干扰较少的电路中，输出波形失真少，滤波效果更好，且设计更简单；
(6)本发明实施例的正极板为圆形，负极板为圆环形，被环形隔离带隔离，整体呈圆形，圆形和环绕结构使整体面积最小；
(7)本发明实施例的发射正极板和发射负极板在同一个平面内，接收正极板和接收负极板在同一个平面内，相对于四平板平行放置，存在3个介电常数的四平板电容系统，损耗小，电压传输比更高，传输特性更好。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于柔性电路板的电容型网络变压器，其特征在于，包括发射端柔性电路板和接收端柔性电路板，发射端柔性电路板和接收端柔性电路板上下正对，组合为一体；所述发射端柔性电路板封装发射柔性电容板，所述接收端柔性电路板封装接收柔性电容板；所述发射柔性电容板包括被发射板隔离带(5)隔离开的发射正极板(1)和发射负极板(2)，分别接信号源的正极和负极；所述接收柔性电容板包括被接收板隔离带(6)隔离开的接收正极板(3)和接收负极板(4)，分别接信号输出的正极和负极；所述发射柔性电容板和接收柔性电容板的基板为柔性材料，发射正极板(1)、发射负极板(2)、接收正极板(3)和接收负极板(4)均为覆铜层，所述发射端柔性电路板和接收端柔性电路板通过胶粘、灌装或工艺压制的可拆卸方式组合为一体；所述发射端柔性电路板上存在至少两个焊盘分别连接到发射正极板(1)、发射负极板(2)，所述接收端柔性电路板上存在至少两个焊盘分别连接到接收端的接收正极板(3)和接收负极板(4)，用于连接前后级电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性电路板的电容型网络变压器，其特征在于，发射正极板(1)与接收正极板(3)上下相对，发射负极板(2)与接收负极板(4)上下相对，发射正极板(1)与发射负极板(2)的面积相等，接收正极板(3)与接收负极板(4)的面积相等，构成四平板电容系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性电路板的电容型网络变压器，其特征在于，所述发射正极板(1)被发射板隔离带(5)环绕，发射板隔离带(5)被发射负极板(2)环绕；所述接收正极板(3)被接收板隔离带(6)环绕，接收板隔离带(6)被接收负极板(4)环绕。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于柔性电路板的电容型网络变压器，其特征在于，所述发射正极板(1)和接收正极板(3)均为圆形，所述发射负极板(2)和接收负极板(4)均为圆环形，所述发射板隔离带(5)和接收板隔离带(6)均为圆环形。
5.根据权利要求4所述的一种基于柔性电路板的电容型网络变压器，其特征在于，当增大发射正极板(1)、发射负极板(2)、接收正极板(3)和接收负极板(4)的面积，减小发射柔性电容板与接收柔性电容板的间距，增大发射板隔离带(5)和接收板隔离带(6)的宽度时，电压传输比增大。
6.一种根据权利要求1-5所述的基于柔性电路板的电容型网络变压器的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、准备好LCR电桥测量装置，用LCR电桥测量装置如下测量7次：
发射正极板(1)的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板(2)、接收正极板(3)、接收负极板(4)的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x1；
发射负极板(2)的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板(1)、接收正极板(3)、接收负极板(4)的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x2；
接收正极板(3)的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板(1)、发射负极板(2)、接收负极板(4)的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x3；
接收负极板(4)的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射正极板(1)、发射负极板(2)、接收正极板(3)的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x4；
发射正极板(1)、发射负极板(2)的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，接收正极板(3)、接收负极板(4)的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x5；
发射正极板(1)、接收正极板(3)的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板(2)、接收负极板(4)的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x6；
发射正极板(1)、接收负极板(4)的焊盘接LCR电桥测量装置的“+”测量端，发射负极板(2)、接收正极板(3)的焊盘接LCR电桥测量装置的“-”测量端，测量结果记为x7；
S2、得到各分布电容：
Figure FDA0003012583710000031
S3、由S2的计算结果计算出“Π”型等效模型的参数：
Figure FDA0003012583710000041
从而得到实际的电压传输比
Figure FDA0003012583710000042
其中，C12为发射正极板(1)与发射负极板(2)之间的分布电容，C13为发射正极板(1)与接收正极板(3)之间的分布电容，C14为发射正极板(1)与接收负极板(4)之间的分布电容，C23为发射负极板(2)与接收正极板(3)之间的分布电容，C24为发射负极板(2)与接收负极板(4)之间的分布电容，C34为接收正极板(3)与接收负极板(4)之间的分布电容。
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