CN111883345B - 平面变压器、电源转换器及电路板 - Google Patents

平面变压器、电源转换器及电路板 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种平面变压器、电源转换器及电路板，平面变压器包括位于PCB板上的次级线圈层、屏蔽层一、屏蔽层二和初级线圈层，所述次级线圈层包括至少部分次级线圈，次级线圈设置有次级静点端；屏蔽层一包括N1圈的第一屏蔽线圈段，第一屏蔽线圈段包括第一屏蔽静点端和第一屏蔽自由端；屏蔽层二包括N2圈的第二屏蔽线圈段，第二屏蔽线圈段包括第二屏蔽静点端和第二屏蔽自由端；第一屏蔽线圈段的绕制方向与次级线圈的绕制方向相同，第一屏蔽线圈段的绕制方向与第二屏蔽线圈段的绕制方向相反。本发明屏蔽线圈的N1圈的第一屏蔽线圈段和N2圈的第二屏蔽线圈段，使两者共同发挥抑制共模电流的作用，最终协同配合使得共模电流总和很小。

Description

平面变压器、电源转换器及电路板
技术领域
本发明涉及平面变压器领域，具体涉及平面变压器、电源转换器及电路板。
背景技术
变压器的共模电流对EMI的影响很大，要尽可能降低初级线圈引起的共模电流，通常，在传统的变压器中，是通过调整变压器屏蔽绕组的圈数来调整共模电流，以降低EMI共模噪声的干扰。
平面变压器体积小，在开关电源中应用越来越广泛。然而，现有的平面变压器往往难以获得很好的共模电流抑制效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种平面变压器及电源转换器，以减小初级线圈和次级线圈之间的共模电流，从而降低EMI共模噪声的干扰。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种平面变压器，包括位于PCB板上的次级线圈层、屏蔽层一、屏蔽层二和初级线圈层，所述次级线圈层包括至少部分次级线圈，所述次级线圈设置有次级静点端，所述屏蔽层一和屏蔽层二设置在所述次级线圈层和初级线圈层之间；所述屏蔽层一包括N1圈的第一屏蔽线圈段，所述第一屏蔽线圈段包括第一屏蔽静点端和第一屏蔽自由端；所述屏蔽层二包括N2圈的第二屏蔽线圈段，所述第二屏蔽线圈段包括第二屏蔽静点端和第二屏蔽自由端；所述第一屏蔽线圈段的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同，所述第一屏蔽线圈段的绕制方向与所述第二屏蔽线圈段的绕制方向相反；所述次级线圈的绕制方向指：以所述次级静点端为起始端所述次级线圈的环绕方向；所述第一屏蔽线圈段的绕制方向指：以所述第一屏蔽静点端为起始端所述第一屏蔽线圈段的环绕方向；所述第二屏蔽线圈段的绕制方向指：以所述第二屏蔽静点端为起始端所述第二屏蔽线圈段的环绕方向。
优选的，当所述次级线圈层上的部分次级线圈的圈数为1圈时，N1+N2≤1；当所述次级线圈层上的部分次级线圈的圈数为2圈时，N1＞1，且1.8≤N1+N2＜2。
优选的，N1＞N2。
优选的，还包括屏蔽层三；所述次级线圈层包括第一次级线圈层和第二次级线圈层；所述第一次级线圈层和第二次级线圈层分别包括作为所述次级线圈一部分的第一次级线圈和第二次级线圈；所述第一次级线圈和第二次级线圈均不大于1圈；所述第一次级线圈的圈数与所述第二次级线圈的圈数相当；所述屏蔽层一和屏蔽层二位于所述第一次级线圈层和所述初级线圈层之间，所述屏蔽层三位于所述第二次级线圈层和所述初级线圈层之间；所述屏蔽层三包括第三屏蔽线圈，所述屏蔽线圈包括第三屏蔽静点端和第三屏蔽自由端，所述屏蔽线圈的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同；所述屏蔽线圈的圈数与所述第二次级线圈的圈数相当；所述屏蔽线圈的绕制方向指：以所述第三屏蔽静点端为起始端所述屏蔽线圈的环绕方向。
优选的，所述屏蔽层一还包括第一辅助线圈，所述第一辅助线圈上设有第一辅助静点端和第一辅助动点端，所述第一辅助线圈位于所述第一屏蔽线圈段的径向内侧；所述第一辅助线圈的圈数与所述次级线圈的圈数相当；所述第一辅助线圈的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同，所述第一辅助线圈的绕制方向指：以所述第一辅助静点端为起始端所述第一辅助线圈的环绕方向；或者，
所述屏蔽层二还包括第二辅助线圈，所述第二辅助线圈上设有第二辅助静点端和第二辅助动点端，所述第二辅助线圈位于所述第二屏蔽线圈段的径向内侧；所述第二辅助线圈的圈数与所述次级线圈的圈数相当；所述第二辅助线圈的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同，所述第二辅助线圈的绕制方向指：以所述第二辅助静点端为起始端所述第二辅助线圈的环绕方向。
优选的，所述屏蔽层三还包括第三辅助线圈，所述第三辅助线圈上设有辅助静点端和辅助动点端，所述第三辅助线圈位于所述第三屏蔽线圈的径向内侧；所述第三辅助线圈的圈数与所述次级线圈的圈数相当；所述第三辅助线圈的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同，所述第三辅助线圈的绕制方向指：以第三辅助静点端为起始端所述第三辅助线圈的环绕方向。
优选的，所述第一屏蔽线圈段的宽度、第二屏蔽线圈段的宽度分别和次级线圈的宽度相当，且在水平投影方向上所述第一屏蔽线圈段和第二屏蔽线圈段在同一个环绕环上，0.8≤N1+N2＜1。
本发明还提供了一种电源转换器，包括任意一项所述的平面变压器，所述电源转换器输出电压在5v～24v之间时，所述平面变压器的PCB板层数为6～14层。
本发明还提供了一种带有电源转换功能的电路板，包括任一所述的平面变压器。
优选的，所述平面变压器通过电路板制作工艺形成在所述电路板上；或者，所述平面变压器电连接安装在所述电路板上。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
通过采用本实施例的上述方案，即在两个屏蔽线层中分别设置N1圈的第一屏蔽线圈段和N2圈的第二屏蔽线圈段，使两者共同发挥抑制共模电流的作用，最终协同配合使得共模电流总和很小。
本发明设计的平面变压器适用于输出电压为5V-24V的适配器或充电器，或输出在此电压范围内的一个固定电压(5V/12V/15V/19V/20V/24V)，或可变电压(5V-9V/5V-11V/5V-12V/5V-15V/5V-20V)的电源转换器，适配器或充电器。
根据电源转换电路的电压输出范围不同，而灵活设计屏蔽层顺时针线圈/逆时针线圈的比值，可在0.1/0.9～0.9/0.1之间变化。屏蔽层与辅助绕组顺时针/逆时针线圈的比值在0.1～1.5/1变化，通过选择合适的比值组合达到最佳EMI性能，同时可以减小平面变压器PCB板层数。有利于降低平面变压器成本。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
以下将参照附图对根据本发明的优选实施方式进行描述。图中：
图1为本发明实施例一提供的一种平面变压器的多层线圈的剖面示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种平面变压器的各层线圈绕制图；
图3为本发明实施例变压器应用一示意图；
图4为本发明实施例变压器应用二示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1和2所示，本发明平面变压器的一种实施例，其为次级初级次级结构，从下往上依次包括均位于PCB板上的次级线圈层1、屏蔽层2、多个初级线圈层3、屏蔽层6、屏蔽层4和次级线圈层5，平面变压器还设置有次级静点端12和次级动点端52，屏蔽层4和屏蔽层6设置在次级线圈层5和初级线圈层3之间，屏蔽层2设置在次级线圈层1和初级线圈层3之间。
次级线圈层1包括次级线圈11，次级线圈层5包括次级线圈51，屏蔽层2包括屏蔽线圈21，屏蔽层4包括N1圈的第一屏蔽线圈段411，屏蔽层6包括N2圈的第二屏蔽线圈段412，初级线圈层3包括初级线圈31。从图2可以看出，在俯视次级线圈11表面的方向观察，次级线圈11以次级静点端12为起始端顺时针环绕磁芯至端点13，然后与次级线圈51的端点53连接，次级线圈51从该端点53继续按照顺时针环绕磁芯至次级动点端52，换言之，次级线圈的绕制方向指：以次级静点端12为起始端次级线圈环绕平面变压器的磁芯(组装后，该磁芯位于位置14)的方向。在本实施例中，次级线圈11和次级线圈51串联构成了整个次级线圈。次级线圈11和次级线圈51的圈数相当，即相同或接近相同，例如两者的圈数差值不超过0.2圈。在本实施例中，次级线圈11和次级线圈51的圈数均为1圈或接近1圈，这样本平面变压器应用于高功率密度的电源转换器(例如适配器或充电器)时，次级线圈的电流较大，次级线圈的宽度也较大，能够满足要求。
对于屏蔽层4和屏蔽层6中的N1圈的第一屏蔽线圈段411和N2圈的第二屏蔽线圈段412，当次级线圈51的圈数为1时，0＜N1＜1，0＜N2＜1，N1+N2≤1；第一屏蔽线圈段411包括第一屏蔽静点端413和第一屏蔽自由端416(该自由端不与任何电路连接)，第二屏蔽线圈段412包括第二屏蔽静点端414和第二屏蔽自由端415(该自由端不与任何电路连接)。从同样的方向俯视第一屏蔽线圈段411、第二屏蔽线圈段412和次级线圈，第一屏蔽线圈段411的绕制方向与次级线圈的绕制方向相同，第一屏蔽线圈段411的绕制方向与第二屏蔽线圈段412的绕制方向相反；第一屏蔽线圈段411的绕制方向指：以第一屏蔽静点端413为起始端至第一屏蔽自由端416，第一屏蔽线圈段411环绕平面变压器的磁芯的方向；第二屏蔽线圈段412的绕制方向指：以第二屏蔽静点端414为起始端至第二屏蔽自由端415，第二屏蔽线圈段412环绕磁芯的方向。第一屏蔽静点端413和第二屏蔽静点端414用于连接至初级线圈侧的同一个或不同的静点端(初级线圈侧的静点端包括初级线圈与电容的公共端、以及初级侧地端，如图3或4所示初级线圈侧的两个
Figure GDA0003371274290000061
所在位置)，优选的，第一屏蔽静点端413和第二屏蔽静点端414可以连接初级线圈侧的同一个静点端。
初级线圈层包括多个子初级线圈层3，每个子初级线圈层包括子初级线圈31，所有子初级线圈31串联后构成初级线圈。
理论上，若不存在屏蔽层6，且屏蔽层4中的第一屏蔽线圈段411采用屏蔽层2中的屏蔽线圈21，即屏蔽层4中的屏蔽线圈21、屏蔽层2中的屏蔽线圈21、次级线圈51和次级线圈11这四者各自的圈数均相当，即相同或接近相同(例如屏蔽线圈21的圈数与次级线圈11的圈数之差不超过0.2圈)，且四者各自的绕制方向相同，那么屏蔽层4和屏蔽层2的屏蔽线圈的组合即可以使整个平面变压器中初级线圈与次级线圈之间的共模电流总和为0，即对外不存在共模电流传导干扰。但是，由于在实际制造平面变压器过程中，上述屏蔽线圈的组合无法使共模电流总和降低到一个较小值。经过研究发现，通过采用本实施例的上述方案，即在屏蔽层4中设置N1圈的第一屏蔽线圈段411、以及在屏蔽层6中设置N2圈的第二屏蔽线圈段412，使两者共同发挥抑制共模电流的作用，最终协同配合使得共模电流总和很小，例如为0或接近0。
经过更进一步的研究发现，在大多数情况下制造得到的平面变压器中，往往需要设置第二屏蔽线圈段412的圈数N2小于第一屏蔽线圈段411的圈数N1，即N2＜N1，才可以使整个平面变压器的共模电流总和很小。因此，为了达到这一目的，在更优的实施例中，将第二屏蔽线圈段412的圈数N2设置为小于第一屏蔽线圈段411的圈数N1。例如，N1：N2＝0.7/0.3或0.6/0.4。
在更优的实施例中，第一屏蔽线圈段411的宽度、第二屏蔽线圈段412的宽度分别和次级线圈的宽度相当(即两者的宽度之差的百分比不超过10％)，且在水平投影方向上，第一屏蔽线圈段411和第二屏蔽线圈段412在同一个环绕环上，这样可以在保证抑制共模电流的效果上，使得屏蔽层的面积较小，进而使得平面变压器的面积较小。假设第一屏蔽线圈段411和第二屏蔽线圈段412分别位于在水平投影方向上两个不同的环绕环上(例如第二屏蔽线圈段412在第一屏蔽线圈段411外侧)，在第一屏蔽线圈段411和第二屏蔽线圈段412的宽度需要大于一定宽度的情况下，屏蔽层4需要更大的面积来容纳第一屏蔽线圈段411和第二屏蔽线圈段412。在更优的实施例中，N1+N2接近1，例如0.8≤N1+N2＜1，即在水平投影方向上第一屏蔽线圈段411的自由端416和第二屏蔽线圈段412的自由端415靠近，这样屏蔽层的缺口较小，更利于抑制共模电流。
当次级线圈51的圈数为2圈时，则1＜N1＜2(即第一屏蔽线圈段411的圈数大于1圈且小于2圈)，0＜N2＜1(即第二屏蔽线圈段412的圈数大于0且小于1圈)，N1+N2≤2；其中，第二屏蔽线圈段412可以设置在第一屏蔽线圈段411靠近内侧的环绕环上(水平投影方向上)，或者设置在第一屏蔽线圈段411靠近外侧的环绕环上(水平投影方向上)。优选的，1.8≤N1+N2＜2，即第一屏蔽线圈段411的自由端416和第二屏蔽线圈段412的自由端415靠近(水平投影方向上)，这样屏蔽层的缺口较小，更利于抑制共模电流。
在其他实施例中，次级线圈51和次级线圈11也可以并联，从而构成整个次级线圈。
在更优的实施例中，如图2所示，屏蔽层4还包括辅助线圈42，辅助线圈42上设有辅助静点端和辅助动点端，辅助线圈42位于第一屏蔽线圈段411的径向内侧；辅助线圈42的圈数与次级线圈的圈数相当，例如两者之间的差值不超过0.2圈，其中，在次级线圈11与次级线圈51串联的情况下，次级线圈的圈数是次级线圈11与次级线圈51的圈数之和(如在本实施例中，辅助线圈42的圈数是2，次级线圈的总圈数也是2)；辅助线圈42的绕制方向与次级线圈的绕制方向相同，辅助线圈42的绕制方向指：以辅助静点端为起始端辅助线圈42的环绕方向。通过将辅助线圈42放置在屏蔽层4内，可以省略专门为放置辅助线圈42的层，从而可以达到降低平面变压器的层数的目的。在另一个实施例中，上述辅助线圈42不是设置在屏蔽层4上，而是设置在屏蔽层6，辅助线圈42位于第一屏蔽线圈段412的径向内侧，辅助线圈42的绕制方向与次级线圈的绕制方向相同。在另一个实施例中，也可以在屏蔽层4和6上均设有该辅助线圈。
当然，本平面变压器也可以采用初级次级初级结构，即下往上依次包括初级线圈层、屏蔽层、次级线圈层、屏蔽层和初级线圈层，同样也可以实现本发明的目的。
实施例二
本发明平面变压器的另一优选实施例，其与图2的实施例大体相同，主要的区别包括：屏蔽层2的位置放置在次级线圈层5和初级线圈层3之间，而屏蔽层4和屏蔽层6放置在次级线圈层1和初级线圈层3之间。
另外，本实施例的屏蔽层4和屏蔽层6不具有辅助线圈，而屏蔽层2具有辅助线圈。
本发明设计的平面变压器适用于输出电压为5V～24V的适配器或充电器，或输出在此电压范围内的一个固定电压(5V/12V/15V/19V/20V/24V)，或可变电压(5V-9V/5V-11V/5V-12V/5V-15V/5V-20V)的电源转换器，适配器或充电器。
本发明还提供了带有电源转换功能的电路板，该电路板包括了前述任一实施例的平面变压器。作为非限制性举例，本发明的电路板既可以是电源适配器的主板，也可以是其他电气电子产品中的电路板，只要该电路板上带有本发明的平面变压器即可。平面变压器通过电路板制作工艺形成在电路板上；或者，平面变压器电连接安装在电路板上，例如通过平面变压器通过引脚焊接或插接在电路板上。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种平面变压器，其特征在于：包括位于PCB板上的次级线圈层、屏蔽层一、屏蔽层二和初级线圈层，所述次级线圈层包括至少部分次级线圈，所述次级线圈设置有次级静点端，所述屏蔽层一和屏蔽层二设置在所述次级线圈层和初级线圈层之间；
所述屏蔽层一包括N1圈的第一屏蔽线圈段，所述第一屏蔽线圈段包括第一屏蔽静点端和第一屏蔽自由端；所述屏蔽层二包括N2圈的第二屏蔽线圈段，所述第二屏蔽线圈段包括第二屏蔽静点端和第二屏蔽自由端；在水平投影方向上，所述第一屏蔽线圈段和所述第二屏蔽线圈段在同一个环绕环上，以使所述屏蔽层一中的线圈和所述屏蔽层二中的线圈共同发挥抑制共模电流的作用；
所述第一屏蔽线圈段的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同，所述第一屏蔽线圈段的绕制方向与所述第二屏蔽线圈段的绕制方向相反；
所述次级线圈的绕制方向指：以所述次级静点端为起始端所述次级线圈的环绕方向；所述第一屏蔽线圈段的绕制方向指：以所述第一屏蔽静点端为起始端所述第一屏蔽线圈段的环绕方向；所述第二屏蔽线圈段的绕制方向指：以所述第二屏蔽静点端为起始端所述第二屏蔽线圈段的环绕方向。
2.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征是：
当所述次级线圈层上的部分次级线圈的圈数为1圈时，N1+N2≤1；
当所述次级线圈层上的部分次级线圈的圈数为2圈时，N1＞1，且N1+N2≤2。
3.根据权利要求2所述的平面变压器，其特征是：N1＞N2。
4.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征是：还包括屏蔽层三；
所述次级线圈层包括第一次级线圈层和第二次级线圈层；所述第一次级线圈层和第二次级线圈层分别包括作为所述次级线圈一部分的第一次级线圈和第二次级线圈；所述第一次级线圈和第二次级线圈均不大于1圈；所述第一次级线圈的圈数与所述第二次级线圈的圈数相当；
所述屏蔽层一和屏蔽层二位于所述第一次级线圈层和所述初级线圈层之间，所述屏蔽层三位于所述第二次级线圈层和所述初级线圈层之间；
所述屏蔽层三包括第三屏蔽线圈，所述屏蔽线圈包括第三屏蔽静点端和第三屏蔽自由端，所述屏蔽线圈的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同；所述屏蔽线圈的圈数与所述第二次级线圈的圈数相当；
所述屏蔽线圈的绕制方向指：以所述第三屏蔽静点端为起始端所述屏蔽线圈的环绕方向。
5.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征是：
所述屏蔽层一还包括第一辅助线圈，所述第一辅助线圈上设有第一辅助静点端和第一辅助动点端，所述第一辅助线圈位于所述第一屏蔽线圈段的径向内侧；所述第一辅助线圈的圈数与所述次级线圈的圈数相当；所述第一辅助线圈的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同，所述第一辅助线圈的绕制方向指：以所述第一辅助静点端为起始端所述第一辅助线圈的环绕方向；或者，
所述屏蔽层二还包括第二辅助线圈，所述第二辅助线圈上设有第二辅助静点端和第二辅助动点端，所述第二辅助线圈位于所述第二屏蔽线圈段的径向内侧；所述第二辅助线圈的圈数与所述次级线圈的圈数相当；所述第二辅助线圈的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同，所述第二辅助线圈的绕制方向指：以所述第二辅助静点端为起始端所述第二辅助线圈的环绕方向。
6.根据权利要求4所述的平面变压器，其特征是：
所述屏蔽层三还包括第三辅助线圈，所述第三辅助线圈上设有辅助静点端和辅助动点端，所述第三辅助线圈位于所述第三屏蔽线圈的径向内侧；所述第三辅助线圈的圈数与所述次级线圈的圈数相当；
所述第三辅助线圈的绕制方向与所述次级线圈的绕制方向相同，所述第三辅助线圈的绕制方向指：以第三辅助静点端为起始端所述第三辅助线圈的环绕方向。
7.根据权利要求5或6所述的平面变压器，其特征是：
所述第一屏蔽线圈段的宽度、第二屏蔽线圈段的宽度分别和次级线圈的宽度相当，且在水平投影方向上所述第一屏蔽线圈段和第二屏蔽线圈段在同一个环绕环上；
当所述次级线圈层上的部分次级线圈的圈数为1圈时，0.8≤N1+N2＜1；
当所述次级线圈层上的部分次级线圈的圈数为2圈时，N1＞1，且1.8≤N1+N2＜2。
8.一种电源转换器，其特征在于：包括权利要求1～7任意一项所述的平面变压器，所述电源转换器输出电压在5v～24v之间时，所述平面变压器的PCB板层数为6～14层。
9.一种带有电源转换功能的电路板，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的平面变压器。
10.如权利要求9所述的电路板，其特征在于，
所述平面变压器通过电路板制作工艺形成在所述电路板上；或者，
所述平面变压器电连接安装在所述电路板上。
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Assignee: HEYUAN YONGJIA INDUSTRY CO.,LTD.

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Denomination of invention: Flat transformer, power converter, and circuit board

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Denomination of invention: Flat transformer, power converter, and circuit board

Granted publication date: 20220401

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