CN113628851A - 绕组组件及磁性元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种绕组组件和磁性元件。绕组组件包括PCB板和设置于PCB板的多个布线层上的第一绕组，第一绕组环绕PCB板上一中心孔卷绕形成；第一绕组在多个布线层上总共绕制N匝线圈；其中，每一布线层上的每一匝线圈的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，使得第一匝线圈的第一端和最后一匝线圈的第二端分别作为第一绕组的起始端和结束端。其中，第一绕组在垂直于PCB板平面的方向上，上下对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后绕制形成，使得对应的两匝线圈不仅上下位置相邻，而且电气上也相邻连接。磁性元件包括磁芯和套设在磁柱上的绕组组件。该绕组组件和磁性元件能够降低寄生电容，提高变换效率。

Description

绕组组件及磁性元件
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种绕组组件及磁性元件。
背景技术
小型化以及高功率密度已成为开关电源的发展趋势。其中，开关电源中的磁性元件，例如电感或者变压器，是开关电源设计的核心。为了满足小型化要求，开关电源向高频化发展，而变压器的寄生参数对开关电源效率的影响也越来越大，由此限制了开关电源对高效率的追求。为了适应开关电源的发展，平面变压器得到越来越广泛的应用。开关频率越高，变压器的体积越小，平面变压器相对传统变压器而言在体积和灵活性上具有明显优势。但是现有的平面变压器中线圈之间产生的寄生电容较大，从而影响开关电源的效率以及高功率密度的提高。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种绕组组件及磁性元件，能够降低绕组组件的寄生电容。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一方面，提供一种绕组组件，包括PCB板和设置于PCB板中多个布线层上的第一绕组，第一绕组环绕PCB板上一中心孔卷绕形成；并且第一绕组在多个布线层上总共绕制N匝线圈；其中，每一布线层上的每一匝线圈的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，使得第一匝线圈的第一端和最后一匝线圈的第二端分别作为第一绕组的起始端和结束端。
根据本发明的一实施方式，第一绕组设置在PCB板中的两个布线层上，其中第一绕组的起始端和结束端接收的电压为Vp，在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻的两匝线圈之间的电压为Vp/N。
根据本发明的一实施方式，第一绕组在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻的两匝线圈通过过孔连接。
根据本发明的一实施方式，PCB板内还包括第二绕组，第二绕组包括至少一层线圈，第二绕组与第一绕组之间绝缘。
根据本发明的又一方面，提供一种绕组组件，包括PCB板和设置于PCB板中多个布线层上的第一绕组，第一绕组环绕PCB板上一中心孔卷绕形成；并且所述第一绕组在所述多个布线层上总共绕制N匝线圈；其中，至少存在部分线圈在垂直于PCB板平面的方向上，上下对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后绕制形成，使得对应的两匝线圈不仅上下位置相邻，而且电气上也相邻连接。
根据本发明的一实施方式，第一绕组设置在PCB板中的两个布线层上；其中，第一绕组的起始端和结束端接收的电压为Vp，在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻并且电气相邻的两匝线圈之间的电压为Vp/N。
根据本发明的一实施方式，第一绕组在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻的两匝线圈通过过孔连接。
根据本发明的一实施方式，PCB板内还设置第二绕组，第二绕组包括至少一线圈，第二绕组与第一绕组之间绝缘。
根据本发明的再一方面，提供一种磁性元件，包括磁芯和绕组组件，绕组组件套设在磁芯的磁柱上；绕组组件包括PCB板和设置于PCB板中的多个布线层上的第一绕组，第一绕组环绕PCB板上一中心孔卷绕形成；并且第一绕组在多个布线层上总共绕制N匝线圈；其中，每一布线层上的每一匝线圈的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，使得第一匝线圈的第一端和最后一匝线圈的第二端分别作为第一绕组的起始端和结束端。
根据本发明的再一方面，提供一种磁性元件，包括磁芯和绕组组件，绕组组件套设在磁芯的磁柱上；绕组组件包括PCB板和设置于PCB板中的多个布线层上的第一绕组，第一绕组环绕PCB板上一中心孔卷绕形成；其中，第一绕组在垂直于PCB板平面的方向上，上下对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后绕制形成，使得对应的两匝线圈不仅上下位置相邻，而且电气上也相邻连接
根据本发明的一实施方式，PCB板内还设置第二绕组，第二绕组包括至少一层线圈，第二绕组与第一绕组之间绝缘。
根据本发明的一实施方式，第二绕组包括两层线圈，两层线圈分别位于PCB板的第一布线层和最后一布线层，第一绕组位于PCB板的中间布线层。
根据本发明的一实施方式，磁性元件为变压器，第一绕组为变压器的原边绕组，第二绕组为变压器的副边绕组。
根据本发明的一实施方式，原边绕组上设置连接有原边开关，副边绕组上设置连接有副边开关。
在本发明的实施例中，布线层上的每一匝线圈的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，使得第一匝线圈的第一端和最后一匝线圈的第二端分别作为第一绕组的起始端和结束端；另一方面，在垂直于PCB板平面的方向上，上下对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后绕制形成，使得对应的两匝线圈不仅上下位置相邻，而且电气上也相邻连接，这种卷绕方式也可以降低绕组组件的寄生电容。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种绕组组件的结构示意图。
图2是根据一示例性实施方式示出的一种绕线的绕制示意图。
图3是根据一示例性实施方式示出的另一种绕组组件的结构示意图。
图4是根据一示例性实施方式示出的一种磁性元件的爆炸图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种绕组组件的结构示意图。
图2是根据一示例性实施方式示出的一种线圈的绕制示意图。
如图1及图2所示，绕组组件10包括PCB板(Printed Circuit Board)101和设置在PCB板101中的多个布线层上的第一绕组102，第一绕组102环绕PCB板上的中心孔103卷绕形成；第一绕组102在多个布线层上总共绕制N匝线圈；其中，每一布线层上的每一匝线圈的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，使得第一匝线圈的第一端和最后一匝线圈的第二端分别作为所述绕组的起始端和结束端。即第一绕组102在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后相邻绕制形成，使得上下位置相邻的两匝线圈也是电气上相邻连接的两匝线圈。
具体的，在图1及图2所示的绕组组件10中，第一绕组102在PCB板的每一布线层上绕制，以每层五匝线圈为例，总共绕组10匝为例，本发明不以此为限。如图1及图2所示，1代表第1匝线圈，2代表第2匝线圈，以此类推。1～10这十匝线圈按照1～10的顺序环绕中心孔103，1、4、5、8、9这五匝线圈为第一层线圈，2、3、6、7、10这五匝线圈为第二层线圈。其中，线圈1和线圈2为一组相对线圈，线圈3和线圈4为一组相对线圈，以此类推。其中，相对的两个线圈，例如线圈1和线圈2可以通过过孔连接。
在实际应用中，例如以图2的10匝线圈的绕组组件为例，线圈1的第一端为绕线的起始端，在PCB板的第一层绕完一圈后穿过绝缘层至PCB板的第二层，卷绕形成线圈2；即绕制在PCB板第一层上的线圈1的第二端与第二层上线圈2的第一端连接。因此，线圈1和线圈2不仅物理上相邻，即在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻，而且电气上也相邻连接，并且在绕制顺序上，一前一后先后绕制形成。进一步的，在PCB板第二层继续向外卷绕形成线圈3后，穿过绝缘层至PCB板的第一层，卷绕形成线圈4；即绕制在PCB板第二层上的线圈3的第二端与第一层上线圈4的第一端连接。因此，线圈3和线圈4在垂直于PCB板平面的方向上，不仅上下位置相邻，而且电气上也相邻连接，并且在绕制顺序上，线圈3和线圈4一前一后先后绕制形成。以此类推，直至形成线圈10绕制完成。从而使得线圈1的第一端和线圈10的第二端分别形成第一绕组102的起始端和结束端。
进一步的，线圈1的第一端和/或线圈10的第二端，即第一绕组起始端和/或结束端可以与外部电路或者器件连接。
进一步的，在一些实施例中，每组相对线圈的位置可以互换，例如，线圈1和线圈2的位置可以互换，线圈3和线圈4的位置可以互换，即绕制顺序可以互换。例如，在PCB板的第二层绕制完成线圈2后，可以穿过绝缘层至PCB板的第一层，卷绕形成线圈3，再穿过绝缘层至PCB板的第二层，卷绕形成线圈4，本发明不以此为限。
由于线圈在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻的两匝线圈也是电气上相邻连接的两匝线圈，因此所有上下相邻的两匝线圈之间的压差相等。假设第一绕组101的起始端和结束端接收的电压为Vp，则上下相邻的两匝线圈之间的电压均为Vp/10，是理论上可以做到的最小压差。
在一些实施例中，若第一绕组的起始端和结束端接收的电压为Vp，并且第一绕组绕制在所述PCB板中的两个布线层上，并且在两个布线层上总共绕制有N匝线圈，则垂直于PCB板平面的方向上，上下相邻的两匝线圈之间的电压为Vp/N。
具体的，PCB板中绕组组件的寄生电容可以通过以下公式确定：
Figure BDA0002480000350000061
其中，Cp为PCB板中两层线圈之间整体的寄生电容，
Figure BDA0002480000350000062
为相对线圈之间的寄生电容，
Figure BDA0002480000350000063
为相对线圈之间的电压，Vp为PCB板中两层线圈起始端和结束端接收的电压，i为相对线圈的组数。
根据上述公式(1)，若绕组接收的电压为Vp，采用绕组组件10这种绕线方式，相比于现有技术中绕组的绕线方式，因本发明上下相对的两线圈之间的电压Vpx减小，以两层为例，所有上下相对线圈之间的电压为Vp/N，即Vpx＝Vp/N，是理论上的最小值，因此可以降低绕组组件10的寄生电容，提高变换效率。
需要说明的是，图1和图2中所示第一绕组102位于PCB板的两层布线层中，本发明不以此为限，绕组102可以设置于多个布线层中，例如可以在PCB板的第一层中绕制线圈1后，在第二层中绕制线圈2，接着在第三层中绕制线圈3；之后在第三层中向外绕制线圈4，在第二层中绕制线圈5，第一层中绕制线圈6。本发明对此不做限定。其同样可以实现每一布线层上的每一匝线圈的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，使得第一匝线圈的第一端和最后一匝线圈的第二端分别作为所述绕组的起始端和结束端。即第一绕组102在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后相邻绕制形成，使得上下位置相邻的两匝线圈也是电气上相邻连接的两匝线圈。
需要说明的是，在另一些实施例中，第一绕组102中可以只有部分线圈按照以上述的方式进行绕制。例如第一绕组包括12匝线圈，其中10匝线圈按照上述的绕法进行绕制，其中2匝线圈按照现有技术中的绕法进行绕制，本发明对此不做限定。其中，第一绕组102中存在部分线圈在一布线层上的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，即至少存在部分线圈在垂直于PCB板平面的方向上，上下对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后绕制形成，使得对应的两匝线圈不仅上下位置相邻，而且电气上也相邻连接。
进一步的，第一绕组102的两层线圈之间的PCB板材料可以起到绝缘的作用。在一些实施例中，可以在第一绕组的两层线圈之间设置绝缘材料，本发明对此不做限制。同样的，在一些实施例中，第一绕组可以由一绕线绕制形成，按照上述的绕制顺序绕制形成。
绕组组件10例如可以应用在磁芯元件中，例如电感、变压器中，变压器可以为任何已知的类型，例如PCB平面变压器。在一些实施例中，用户可以根据产品需求，将第一绕组102作为PCB平面变压器的原边绕组，或将第一绕组102作为PCB平面变压器的副边绕组。
进一步的，在一些实施例中，如图3所示，绕组组件30还可以包括第二绕组，第二绕组包括至少一层线圈104，图中仅为示意。其中，线圈104与第一绕组102之间绝缘。进一步的，第二绕组可以为一匝或者多匝。在一些实施例中，线圈104可以为扁铜线圈。
在另一些实施例中，第二绕组包括两层线圈，每层线圈的线圈匝数可以为一匝或者多匝。两层线圈可以位于PCB板的第一层和最后一层，第一绕组102可以位于PCB板的中间层。
在一些实施例中，用户可以根据产品需求，将第一绕组102作为PCB平面变压器的原边绕组，将第二绕组作为PCB平面变压器的副边绕组。当然，在一些实施例中，也可以将第一绕组102作为PCB平面变压器的副边绕组，将第二绕组作为PCB平面变压器的原边绕组。
在本发明的实施例中，绕组组件中的绕组在垂直PCB板平面的方向上，上下位置相邻的两匝线圈，也是电气上相邻连接的两匝线圈，这种卷绕方式可以降低绕组组件的寄生电容，提高变换效率。
图4是根据一示例性实施方式示出的一种磁性元件的爆炸图。
如图4所示，磁性元件40包括：包括绕组组件10和磁芯401，绕组组件10套设在磁芯401的一磁柱4011上；其中，绕组组件10的结构示意图如图1所示，在此不再赘述。绕组的具体绕线方式可以参考上述图2所示，在此不再赘述。在一些实施例中，磁芯401、PCB板101及第一绕组102同轴心装配成磁性元件40。
在一些实施例中，第一绕组的两层线圈之间通过PCB起到绝缘层的作用，或者可以另外设置绝缘层。
在一些实施例中，第一绕组的起始端和/或结束端可以与外部电路或者器件连接。
磁芯401例如可以由氧化铁混合物组成的磁性金属氧化物制成。例如，磁芯401可以采用锰-锌铁氧体和镍-锌铁氧体材料制作而成。磁芯401可以为任意合适的形状，例如，“E”型磁芯等等。
在一些实施例中，磁性元件40还可以采用如图3所示的绕组组件30。即磁性元件40还包括第二绕组，第二绕组包括至少一层线圈104，线圈104与第一绕组102之间绝缘。在一些实施例中，第二绕组包括两层线圈104，每层线圈104的线圈匝数可以为一匝或者多匝。其中，第二绕组中的两层线圈104分别位于PCB板101第一层和最后一层，第一绕组102位于PCB板的中间层。
在一些实施例中，磁性元件40可以为PCB平面变压器，用户可以根据产品需求，将第一绕组作为PCB平面变压器的原边绕组，第二绕组作为PCB平面变压器的副边绕组。或者将第一绕组作为PCB平面变压器的副边绕组，第二绕组作为PCB平面变压器的原边绕组。原边绕组连接有原边开关，副边绕组连接有副边开关。
在本发明的实施例中，对于一绕组组件，每一布线层上的每一匝线圈的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，使得第一匝线圈的第一端和最后一匝线圈的第二端分别作为第一绕组的起始端和结束端。其中，第一绕组在垂直于PCB板平面的方向上，上下对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后绕制形成，使得对应的两匝线圈不仅上下位置相邻，而且电气上也相邻连接。该绕组组件和磁性元件能够降低寄生电容，提高变换效率。
需要注意的是，上述附图中所示的框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (13)

1.一种绕组组件，其特征在于，包括PCB板和设置于所述PCB板中多个布线层上的第一绕组，所述第一绕组环绕所述PCB板上一中心孔卷绕形成；并且所述第一绕组在所述多个布线层上总共绕制N匝线圈；其中，每一布线层上的每一匝线圈的第二端与垂直方向上相邻的另一布线层上对应位置的线圈的第一端连接，使得第一匝线圈的第一端和最后一匝线圈的第二端分别作为所述第一绕组的起始端和结束端。
2.根据权利要求1所述的绕组组件，其特征在于，所述第一绕组设置在所述PCB板中的两个布线层上，其中所述第一绕组的起始端和结束端接收的电压为Vp，在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻的两匝线圈之间的电压为Vp/N。
3.根据权利要求1所述的绕组组件，其特征在于，所述第一绕组在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻的两匝线圈通过过孔连接。
4.根据权利要求1所述的绕组组件，其特征在于，所述PCB板内还包括第二绕组，所述第二绕组包括至少一层线圈，所述第二绕组与所述第一绕组之间绝缘。
5.一种绕组组件，其特征在于，包括PCB板和设置于所述PCB板中多个布线层上的第一绕组，所述第一绕组环绕所述PCB板上一中心孔卷绕形成；并且所述第一绕组在所述多个布线层上总共绕制N匝线圈；其中，至少存在部分线圈在垂直于PCB板平面的方向上，上下对应的两匝线圈在绕制顺序上一前一后绕制形成，使得对应的两匝线圈不仅上下位置相邻，而且电气上也相邻连接。
6.根据权利要求5所述的绕组组件，其特征在于，所述第一绕组设置在所述PCB板中的两个布线层上；其中，所述第一绕组的起始端和结束端接收的电压为Vp，在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻并且电气相邻的两匝线圈之间的电压为Vp/N。
7.根据权利要求6所述的绕组组件，其特征在于，所述第一绕组在垂直于PCB板平面的方向上，上下位置相邻的两匝线圈通过过孔连接。
8.根据权利要求6所述的绕组组件，其特征在于，所述PCB板内还设置第二绕组，所述第二绕组包括至少一层线圈，所述第二绕组与所述第一绕组之间绝缘。
9.一种磁性元件，其特征在于，包括磁芯和如权利要求1-3、5-7任一项所述的绕组组件，所述绕组组件套设在所述磁芯的磁柱上。
10.根据权利要求9所述的磁性元件，其特征在于，所述PCB板内还设置第二绕组，所述第二绕组包括至少一层线圈，所述第二绕组与所述第一绕组之间绝缘。
11.根据权利要求10所述的磁性元件，其特征在于，所述第二绕组包括两层线圈，所述两层线圈分别位于所述PCB板的第一布线层和最后一布线层，所述第一绕组位于PCB板的中间布线层。
12.根据权利要求11所述的磁性元件，其特征在于，所述磁性元件为变压器，所述第一绕组为所述变压器的原边绕组，所述第二绕组为所述变压器的副边绕组。
13.根据权利要求12所述的磁性元件，其特征在于，所述原边绕组上设置连接有原边开关，所述副边绕组上设置连接有副边开关。
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