CN110556240A - 平面变压器和用于屏蔽平面变压器中的绕组的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面变压器，其包括第一绕组(201，413，514)和第二绕组(202，415，513)，以及布置在第一绕组(201，413，514)和第二绕组(202，415，513)之间的第三绕组(203，416，516)和第四绕组(204，417，517)。在平面变压器中，第三绕组(203，416，516)和第四绕组(204，417，517)中的每一个包括覆盖平面变压器的绕组窗口的至少30％的屏蔽匝(208，209，418，419，518，519)，多个所述屏蔽匝(208，209，418，419，518，519)布置成使得多个所述屏蔽匝(208，209，418，419，518，519)一起覆盖绕组窗口的至少50％。本发明还涉及一种用于屏蔽平面变压器中的绕组(201，202，413，415，513，514)的方法。

Description

平面变压器和用于屏蔽平面变压器中的绕组的方法

技术领域

本发明涉及平面变压器和用于屏蔽平面变压器中的绕组的方法。

背景技术

平面变压器由于其低轮廓和良好的热特性而在诸如开关式电源(SMPS)等众多小尺寸和低功率的应用中是优选的。已知的平面变压器的示例包括EI形芯和在印刷电路板(PCB)的层上相对于彼此同心布置的多个绕组。绕组具有螺旋图案，该螺旋图案布置成围绕设置在层中的孔缠绕。EI形芯的中心立柱(leg)布置成穿过孔，使得绕组围绕中心立柱。

平面变压器易于受初级绕组(primary winding)和次级绕组(secondarywinding)之间的大的电容耦合(capacitive coupling)值的影响。这是因为与平面结构相关的大的表面积和小的平面间距离。电容耦合允许电流在初级电路和次级电路之间流动。这通常是共模电流，在某种意义上，电流在一个方向上流过平面变压器并通过一些其他路径返回，通常是不限定(ill-defined)的接地路径。从安全问题以及电磁干扰(EMI)问题的观点来看，电容耦合及其相关的电流是不期望的。

减小电容耦合的已知技术是在初级绕组和次级绕组之间放置静电屏蔽。静电屏蔽可以是单匝绕组，形成在PCB的单层上，并且它基本上覆盖平面变压器的整个绕组窗口。静电屏蔽连接到某些参考电位，诸如接地，并且它通过用作初级绕组和次级绕组之间的电压屏障来减小电容耦合。实际上，静电屏蔽不会在任何地方都处于相同的电位，因此无法实现恒定的电压屏障。这是因为在缠绕方向上沿静电屏蔽会有感应电压。

减小平面变压器中的初级绕组和次级绕组之间的电容耦合的已知技术的问题在于，PCB的一层被分配为仅用于屏蔽目的。这增加了总层数，从而增加了平面变压器的成本。

发明目的

本发明的主要目的是减小或甚至消除上述现有技术问题。

本发明的一个目的是提供一种平面变压器，其中诸如初级绕组和次级绕组等绕组之间的电容耦合被最小化。本发明的另一个目的是提供一种平面变压器，其中绕组的屏蔽是在没有传统屏蔽层的情况下实施的。

本发明的另一个目的是提供一种屏蔽平面变压器中的绕组的方法，使得诸如初级绕组和次级绕组等绕组之间的电容耦合最小化。本发明的另一个目的是提供一种在不使用传统屏蔽层的平面变压器中屏蔽绕组的方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种平面变压器和屏蔽方法。

发明内容

根据本发明的平面变压器包括第一绕组和第二绕组，以及布置在第一绕组和第二绕组之间的第三绕组和第四绕组。在根据本发明的平面变压器中，第三绕组和第四绕组中的每一个包括屏蔽匝(shielding turn)，该屏蔽匝覆盖平面变压器的绕组窗口的至少30％，所述屏蔽匝以这样的方式布置：屏蔽匝一起覆盖绕组窗口的至少50％。

根据本发明的平面变压器的绕组布置在形成平面结构的层上。平面结构可以是例如多层的印刷电路板(PCB)。每个绕组形成在一层或多层上，并且在每层上，绕组包括基本上螺旋形的图案，该图案布置成围绕设置在层中的孔而缠绕。绕组优选地相对于彼此同心地布置。可以根据应用选择绕组方向、绕组匝数、绕组匝间距和每个绕组中的轨道宽度。在能够用于开关式电源的高频平面变压器中，绕组上的绕组匝数通常很小。

根据本发明的平面变压器可以包括变压器芯，该变压器芯布置成与平面结构连接。变压器芯的立柱可以布置成穿过设置在层中的孔，使得绕组围绕立柱。变压器芯可以是例如EI形芯，其中心立柱布置成穿过孔。

在根据本发明的平面变压器中，第三绕组和第四绕组布置在第一绕组和第二绕组之间。第一绕组和第二绕组中的每一个形成在一层或多层上。第三绕组和第四绕组中的每一个形成在单层上。

在根据本发明的平面变压器中，第三绕组和第四绕组的每个屏蔽匝覆盖平面变压器的绕组窗口的至少30％，多个屏蔽匝一起覆盖平面变压器的绕组窗口的至少50％。因此，多个屏蔽匝可以部分地彼此重叠。屏蔽匝的缠绕方向与绕组的其他绕组匝的缠绕方向相同。屏蔽匝的轨道宽度大于绕组的其他绕组匝的轨道宽度。优选地，第三绕组和第四绕组中的每一个仅包括一个屏蔽匝。每个屏蔽匝可以择一性地覆盖绕组窗口的例如至少40％、至少50％或至少60％。多个屏蔽匝一起可以择一性地覆盖绕组窗口的例如至少60％、至少70％或至少80％。绕组窗口是指层中的绕组匝的最大可用面积。例如，这可以是变压器芯的中心立柱和侧立柱之间的面积。

屏蔽匝的目的是用以减小第一绕组和第二绕组之间的电容耦合。屏蔽匝越多地覆盖绕组窗口，则第一绕组和第二绕组彼此屏蔽得越好。

第三绕组与第四绕组一起提供了第一绕组和第二绕组之间的静电屏蔽。第三绕组和第四绕组中的每一个在平面变压器中还具有另一功能，使得三个功能组合成两层。这些功能可以例如用作辅助绕组或补偿绕组。

根据本发明的平面变压器可以应用于各种电源应用中。优选的应用是开关式电源(SMPS)。

根据本发明的平面变压器的优点在于，通过为第三绕组和第四绕组设置屏蔽匝，在第一绕组和第二绕组之间不需要单独的屏蔽层。因此，减少了平面变压器中所需的层数。根据本发明的平面变压器的另一个优点是平面变压器的制造成本降低。

根据本发明的一个实施例，每个屏蔽匝覆盖平面变压器的绕组窗口的至少50％，多个屏蔽匝一起覆盖平面变压器的绕组窗口的至少90％。这使得能够有效地将第一绕组与第二绕组屏蔽开。

根据本发明的实施例，第三绕组和第四绕组中的每一个连接到恒定电位。因此，第三绕组和第四绕组用作第一绕组和第二绕组之间的电压屏障。优选地，第三绕组和第四绕组接地。

根据本发明的一个实施例，屏蔽匝的其中之一布置在绕组窗口的内半部上，另一屏蔽匝布置在绕组窗口的外半部上。这意味着屏蔽匝的其中之一是一个绕组的内绕组匝，另一屏蔽匝是另一绕组的外绕组匝。第三绕组的屏蔽匝可以覆盖绕组窗口的内半部，第四绕组的屏蔽匝可以覆盖绕组窗口的外半部，反之亦然。基本上覆盖平面变压器的整个绕组窗口的优点在于有效地减小了第一绕组和第二绕组之间的电容耦合。

根据本发明的一个实施例，屏蔽匝的轨道宽度为0.5mm至3mm。屏蔽匝的轨道宽度通常比绕组的其他绕组匝的轨道宽度大许多倍。优选地，屏蔽匝的轨道宽度基本相同。

根据本发明的一个实施例，第一绕组是初级绕组，第二绕组是次级绕组，第三绕组是辅助绕组，第四绕组是补偿绕组。优选地，绕组按以下顺序一个布置在另一个上：初级绕组、辅助绕组、补偿绕组和次级绕组。

辅助绕组布置在平面变压器的初级侧。辅助绕组连接到包含初级绕组的初级电路。辅助绕组向初级电路和/或输出电压感测电路提供工作电压。补偿绕组布置在平面变压器的初级侧或次级侧。补偿绕组连接到包含初级绕组的初级电路或包含次级绕组的次级电路。补偿绕组通过将共模电压调整为接近零来减小共模噪声。辅助绕组和补偿绕组具有相反的缠绕方向。

初级绕组中的绕组匝数可以是例如20-60。次级绕组中的绕组匝数可以是例如1-10。辅助绕组中的绕组匝数可以是例如2-15。补偿绕组中的绕组匝数可以是例如2-30。

根据该实施例的平面变压器可以采取这样的方式使用，即脉冲电流被提供给初级绕组。初级绕组在变压器芯内和周围产生周期性变化的磁场，能量从该磁场释放到次级绕组。能量还被释放到向初级电路和/或输出电压感测电路提供工作电压的辅助绕组，并且能量也被释放到减小共模噪声的补偿绕组。

根据本发明的一个实施例，平面变压器包括第五绕组和布置在第二绕组和第五绕组之间的静电屏蔽。第五绕组形成在一层或多层上。静电屏蔽可以是单匝绕组，形成在单层上。静电屏蔽基本上覆盖平面变压器的整个绕组窗口。静电屏蔽连接到恒定电位，该恒定电位优选地是接地电位。优选地，静电屏蔽连接到与第三绕组和第四绕组相同的电位。静电屏蔽的目的是减小第二绕组和第五绕组之间的电容耦合。

根据本发明的一个实施例，静电屏蔽基本上覆盖整个绕组窗口。这使得能够有效地将第二绕组与第五绕组屏蔽开。

根据本发明的一个实施例，第一绕组是初级绕组的第一绕组部分，第二绕组是次级绕组，第三绕组是辅助绕组，第四绕组是补偿绕组，第五绕组是初级绕组的第二绕组部分。在根据该实施例的平面变压器中，初级绕组被分成两个部分，每个部分可以形成在一层或多层上。辅助绕组布置在平面变压器的初级侧。辅助绕组连接到包含初级绕组的初级电路。补偿绕组布置在平面变压器的初级侧或次级侧。补偿绕组连接到包含初级绕组的初级电路或包含次级绕组的次级电路。辅助绕组和补偿绕组具有相反的缠绕方向。

根据本发明的一个实施例，第一绕组是次级绕组的第一绕组部分，第二绕组是初级绕组，第三绕组是辅助绕组，第四绕组是补偿绕组，第五绕组是次级绕组的第二绕组部分。在根据该实施例的平面变压器中，次级绕组被分成两个部分，每个部分可以形成在一层或多层上。辅助绕组布置在平面变压器的初级侧。辅助绕组连接到包含初级绕组的初级电路。补偿绕组布置在平面变压器的初级侧或次级侧。补偿绕组连接到包含初级绕组的初级电路或包含次级绕组的次级电路。辅助绕组和补偿绕组具有相反的缠绕方向。

根据本发明的一个实施例，辅助绕组连接到具有与初级绕组相同的极性的平面变压器的初级侧。可替代地，辅助绕组可以与相反的极性连接，但屏蔽匝应该处于GND/DC电位。

根据本发明的一个实施例，补偿绕组连接到与初级绕组相比具有相反的极性的平面变压器的初级侧，或者与次级绕组相比具有相反极性的平面变压器的次级侧。

本发明还涉及一种用于屏蔽平面变压器中的绕组的方法，该平面变压器包括第一绕组和第二绕组，以及布置在第一绕组和第二绕组之间的第三绕组和第四绕组。根据本发明的方法包括为第三绕组和第四绕组中的每一个提供屏蔽匝，该屏蔽匝覆盖平面变压器的绕组窗口的至少30％，多个该屏蔽匝一起覆盖绕组窗口的至少50％。

根据本发明的方法的优点在于，通过为第三绕组和第四绕组提供屏蔽匝，在第一绕组和第二绕组之间不需要单独的屏蔽层。因此，减少了平面变压器中所需的层数。根据本发明的方法的另一个优点是平面变压器的制造成本降低。

在本文中呈现的本发明的示例性实施例不应被理解为对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”在本文中用作开放式限制，不排除也存在未陈述的特征。除非另有明确说明，从属权利要求中陈述的特征可相互自由组合。

本文中呈现的示例性实施例及其优点涉及平面变压器的适用部件以及根据本发明的屏蔽方法，即使其并未总是被单独提及。

附图说明

图1示出了根据本发明第一实施例的平面变压器，

图2示出了根据图1的平面变压器的分解视图，

图3示出了根据图1的平面变压器中的辅助绕组和补偿绕组的重叠，

图4示出了根据本发明第二实施例的平面变压器的分解视图，以及

图5示出了根据本发明第三实施例的平面变压器的分解视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明第一实施例的平面变压器。平面变压器包括具有四层102、103、104和105的多层PCB 101，在四层上形成绕组(图1中未示出)。由E形芯106和I形芯107组成的变压器芯与多层PCB 101连接。

图2示出了根据图1的平面变压器的分解视图。在层102上形成初级绕组201，在层105上形成次级绕组202。在层102和层105之间是层103和层104，在其上分别形成辅助绕组203和补偿绕组204。辅助绕组203和补偿绕组204连接到包含初级绕组201的初级电路，而且接地。

层102、103、104和105具有孔205，E形芯106的中心立柱206准备穿过孔205。E形芯106的侧立柱207可以围绕多层PCB 101布置，使得层102、103、104和105位于侧立柱207之间。I形芯107用于将E形芯106的中心立柱206磁性耦合到E形芯106的侧立柱207。

绕组201、202、203和204中的每一个具有基本螺旋形图案的形式，其布置成围绕孔205缠绕。绕组201、202、203和204相对于彼此同心地布置。辅助绕组203和补偿绕组204具有相反的缠绕方向。

辅助绕组203包括屏蔽匝208，其布置在平面变压器的绕组窗口的外半部上。屏蔽匝208是辅助绕组203的外绕组匝，并且它覆盖绕组窗口的约50％。补偿绕组204包括屏蔽匝209，其布置在绕组窗口的内半部上。屏蔽匝209是补偿绕组204的内绕组匝，并且它覆盖绕组窗口的约50％。屏蔽匝208和209一起基本上覆盖整个绕组窗口，从而有效地减小了初级绕组201和次级绕组202之间的电容耦合。图3示出了根据图1的平面变压器中的辅助绕组203和补偿绕组204的重叠。

图4示出了根据本发明第二实施例的平面变压器的分解视图。平面变压器包括具有六层402、403、404、405、406和407的多层PCB 401。平面变压器还包括变压器芯，该变压器芯由E形芯408和I形芯409组成，变压器芯与多层PCB 401连接。E形芯408的中心立柱410准备穿过设置在层402、403、404、405、406和407中的孔411。E形芯408的侧立柱412是用来围绕多层PCB 401布置，使得层402、403、404、405、406和407位于侧立柱412之间。

图4的平面变压器包括分成绕组部分413和414的初级绕组、次级绕组415、辅助绕组416、补偿绕组417和静电屏蔽418。初级绕组部分413和414分别形成在层402和层407上。次级绕组415形成在层405上。辅助绕组416形成在层403上，补偿绕组417形成在层404上。静电屏蔽418形成在层406上。

辅助绕组416包括屏蔽匝419，其布置在平面变压器的绕组窗口的外半部分上。屏蔽匝419是辅助绕组416的外绕组匝，并且它覆盖绕组窗口的约50％。补偿绕组417包括屏蔽匝420，其布置在绕组窗口的内半部上。屏蔽匝420是补偿绕组417的内绕组匝，并且它覆盖绕组窗口的约50％。屏蔽匝419和420一起基本上覆盖整个绕组窗口，从而有效地减小了初级绕组部分413和次级绕组415之间的电容耦合。辅助绕组416和补偿绕组417具有相反的缠绕方向。

静电屏蔽418基本上覆盖平面变压器的整个绕组窗口。静电屏蔽418连接到与辅助绕组416和补偿绕组417相同的电位处。静电屏蔽418用于减小次级绕组415和初级绕组部分414之间的电容耦合。

图5示出了根据本发明第三实施例的平面变压器的分解视图。平面变压器包括具有六层502、503、504、505、506和507的多层PCB 501。平面变压器还包括由E形芯508和I形芯509组成的变压器芯，其与多层PCB 501连接。E形芯508的中心立柱510准备穿过设置在层502、503、504、505、506和507中的孔511。E形芯508的侧立柱512准备围绕多层PCB 501布置，使得层502、503、504、505、506和507位于侧立柱512之间。

图5的平面变压器包括初级绕组513，分成绕组部分514和绕组部分515的次级绕组、辅助绕组516、补偿绕组517和静电屏蔽518。初级绕组513形成在层505上。次级绕组部分514和次级绕组部分515分别形成在层502和层507上。辅助绕组516形成在层503上，补偿绕组517形成在层504上。静电屏蔽518形成在层506上。

辅助绕组516包括屏蔽匝519，其布置在平面变压器的绕组窗口的外半部上。屏蔽匝519是辅助绕组516的外绕组匝，并且它覆盖绕组窗口的约50％。补偿绕组517包括屏蔽匝520，其布置在绕组窗口的内半部上。屏蔽匝520是补偿绕组517的内绕组匝，并且它覆盖绕组窗口的约50％。屏蔽匝519和屏蔽匝520一起基本上覆盖整个绕组窗口，从而有效地减小了初级绕组513和次级绕组部分514之间的电容耦合。辅助绕组516和补偿绕组517具有相反的缠绕方向。

静电屏蔽518基本上覆盖平面变压器的整个绕组窗口。静电屏蔽518连接到与辅助绕组516和补偿绕组517相同的电位处。静电屏蔽518用于减小初级绕组513和次级绕组部分515之间的电容耦合。

在附图中仅描述了本发明的有利示例性实施例。对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不仅仅限于上面给出的实施例，而是本发明可以在所提出的权利要求的范围内变化。在从属权利要求中描述了本发明的一些可能的实施例，并且不应认为它们严格地限制本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种平面变压器，包括：

-第一绕组和第二绕组，和

-布置在所述第一绕组和所述第二绕组之间的第三绕组和第四绕组，

其特征在于，所述第三绕组和所述第四绕组中的每一个均包括一屏蔽匝，该屏蔽匝覆盖所述平面变压器的绕组窗口的至少30％，多个所述屏蔽匝被布置成使得多个所述屏蔽匝一起覆盖所述绕组窗口的至少50％。

2.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，多个所述屏蔽匝的每一个覆盖所述平面变压器的绕组窗口的至少50％，并且多个所述屏蔽匝一起覆盖所述平面变压器的绕组窗口的至少90％。

3.根据权利要求1或2所述的平面变压器，其特征在于，所述第三绕组和所述第四绕组中的每一个连接到恒定电位。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的平面变压器，其特征在于，多个所述屏蔽匝中的一个布置在所述绕组窗口的内半部上，并且多个所述屏蔽匝中的另一个布置在所述绕组窗口的外半部上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的平面变压器，其特征在于，所述屏蔽匝的轨道宽度为0.5mm至3mm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的平面变压器，其特征在于，所述第一绕组和所述第二绕组中的每一个形成在一层或多层上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的平面变压器，其特征在于，所述第三绕组和所述第四绕组中的每一个形成在单层上。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的平面变压器，其特征在于，所述第一绕组是初级绕组，所述第二绕组是次级绕组，所述第三绕组是辅助绕组，所述第四绕组是补偿绕组。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的平面变压器，其特征在于，所述平面变压器包括：

-第五绕组，以及

-布置在所述第二绕组和所述第五绕组之间的静电屏蔽。

10.根据权利要求9所述的平面变压器，其特征在于，所述静电屏蔽基本上覆盖整个所述绕组窗口。

11.如权利要求9或10所述的平面变压器，其特征在于，所述第一绕组是初级绕组的第一绕组部分，所述第二绕组是次级绕组，所述第三绕组是辅助绕组，所述第四绕组是补偿绕组，以及所述第五绕组是所述初级绕组的第二绕组部分。

12.如权利要求9或10所述的平面变压器，其特征在于，所述第一绕组是次级绕组的第一绕组部分，所述第二绕组是初级绕组，所述第三绕组是辅助绕组，所述第四绕组是补偿绕组，以及所述第五绕组是所述次级绕组的第二绕组部分。

13.根据权利要求8、11或12中任一项所述的平面变压器，其特征在于，所述辅助绕组连接到具有与所述初级绕组相同极性的所述平面变压器的初级侧。

14.根据权利要求8或11至13中任一项所述的平面变压器，其特征在于，所述补偿绕组连接到具有与所述初级绕组相反极性的所述平面变压器的初级侧，或连接到具有与所述次级绕组相反极性的所述平面变压器的次级侧。

15.一种用于屏蔽平面变压器中的绕组的方法，所述平面变压器包括第一绕组和第二绕组，以及布置在所述第一绕组和所述第二绕组之间的第三绕组和第四绕组，其特征在于，所述方法包括：

为所述第三绕组和所述第四绕组中的每一个设置屏蔽匝，该屏蔽匝覆盖所述平面变压器的绕组窗口的至少30％，并且多个所述屏蔽匝一起覆盖所述绕组窗口的至少50％。