CN115295288B - 平面变压器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种平面变压器，包括：PCB绕组板，包括层叠设置的至多四层PCB板，每层PCB板上设置有通孔，PCB绕组板上设置有贯穿其的开口，开口用于容置磁芯的中柱；绕组单元，设置在PCB绕组板上，绕组单元包括初级绕组、次级绕组、辅助绕组和抗干扰绕组；丝印层，设置在PCB绕组板的顶面和底面上，丝印层覆盖绕组单元；补偿电容，设置在每层PCB板上，与绕组单元电性连接。本申请的平面变压器可以适应不同共模噪声的平衡需求，并具有较好的电磁干扰抑制效果，可降低外围EMI滤波器件的使用，从而降低生产成本，本申请平面变压器的PCB绕组板可以设置成具有四层及四层以下的PCB板的结构，采用通孔工艺使各个板层间进行连接导通，结构简单，进一步降低从成本。

Description

平面变压器
技术领域
本发明涉及高频变压器技术领域，具体涉及一种平面变压器。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，人们对于充电器的充电速度的提高及体积的减小提出了越来越高的要求，提高开关电源的工作频率是减小体积、提高效率的有效手段，但是会加剧开关电源的EMI问题。变压器是开关电源中不可或缺的基本组成器件，与将铜线作为绕组的传统变压器相比，平面变压器的绕组一般采用多层印刷电路板(PCB板)叠绕而成，具有一致性好、加工成本低的优势,这种设计在高度、体积上也有着显著的优势，平面变压器导体的薄型结构可以降低高频效应带来的影响，从而降低损耗，同时平面变压器结构中原边与副边耦合更为紧密，因此可以降低漏感，减少漏感带来的额外噪声，平面变压器绕组交错排列可以减小变压器的漏感，降低系统的损耗，但同时也会带来更大的层间电容，对EMI带来不利影响。
目前，平面变压器线圈结构优化电源的电磁兼容性方面一般采用传统变压器的思路，利用初次级之间的屏蔽层降低电磁干扰的影响，通常是通过调整屏蔽层上屏蔽绕组的圈数或在初次级设计屏蔽层来抑制EMI，但是，调整屏蔽绕组的圈数并不能很好的平衡传导发射与辐射发射的效果，无法获得理想的抑制电磁干扰的效果，同时，在初次级设计屏蔽层，需采用6层以上的PCB板，成本较高。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题为如何使平面变压器的EMI一致性好，具有较好的抑制电磁干扰的效果，同时降低平面变压器的成本。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种平面变压器，包括：
PCB绕组板，包括层叠设置的至多四层PCB板，每层所述PCB板上设置有通孔，所述PCB绕组板上设置有贯穿其的开口，所述开口用于容置磁芯的中柱；
绕组单元，设置在所述PCB绕组板上，所述绕组单元包括初级绕组、次级绕组、辅助绕组和抗干扰绕组；
丝印层，设置在所述PCB绕组板的顶面和底面上，所述丝印层覆盖所述绕组单元；及
补偿电容，设置在每层所述PCB板上，与所述绕组单元电性连接。
进一步地，所述抗干扰绕组的起始端与所述次级绕组的动点电性连接，所述抗干扰绕组的另一端与所述补偿电容的次级极板电性连接，所述补偿电容的初级极板与所述初级绕组或所述辅助绕组的静点电性连接。
进一步地，所述抗干扰绕组的起始端与所述初级绕组的静点电性连接，所述抗干扰绕组的另一端与所述补偿电容的初级极板电性连接，所述补偿电容的次级极板与所述次级绕组的动点电性连接。
进一步地，所述PCB板上的铜箔形成所述补偿电容的初级极板和次级极板。
进一步地，形成所述初级极板或次级极板的铜箔的面积根据公式S＝(n/2-0.5)×SCsp×2/(Ncomp+Ns)/t和公式SCsp＝(2×π×r+x×4)×nps×w计算得出；
其中，n为所述初级绕组与次级绕组的匝比，SCsp为所述初级绕组与次级绕组交叠部分的归一化面积，r为所述初级绕组归一化半径，w为所述初级绕组归一化线宽，x为所述初级绕组的归一化边长，nps为所述初级绕组与次级绕组交叠的线圈圈数，Ncomp为所述抗干扰绕组的线圈圈数，Ns为所述次级绕组的线圈圈数，t为设置有所述初级极板或次级极板的PCB板的层数。
进一步地，所述补偿电容包括两个并联设置的子电容。
进一步地，所述铜箔设置在所述PCB板的角落位置。
进一步地，所述铜箔呈圆形或者长条形。
进一步地，还包括线圈绕组，所述线圈绕组缠绕在所述磁芯的中柱上。
进一步地，所述PCB板采用玻璃纤维板或纸基材或陶瓷基板或柔性板材制成
本发明的有益效果在于：本申请的平面变压器通过设置补偿电容和抗干扰绕组配合，使得本申请的平面变压器可适应不同共模噪声的平衡需求，并具有较好的电磁干扰抑制效果，以降低外围EMI滤波器件的使用，从而降低生产成本，且可减小电路中的漏电流，由于本申请的平面变压器无单独的屏蔽或者平衡绕组，使得PCB绕组板可以设置成具有四层及四层以下的PCB板的结构，并采用通孔工艺使各个板层间进行连接导通，与现有技术相比，结构简单，成本更低，同时，PCB绕组板的顶层和底层均设置有丝印层覆盖绕组单元，以达到绝缘耐压效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一实施例的平面变压器的结构示意图；
图2为本发明一可选实施方案的平面变压器的电路结构示意图；
图3为本发明另一可选实施方案的平面变压器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本申请。
请参见图1，本实施例提供一种平面变压器，该平面变压器包括PCB绕组板、绕组单元、丝印层(未图示)及补偿电容2。本实施例中，PCB板10可以采用玻璃纤维板或纸基材或陶瓷基板或柔性板材制成，玻璃纤维板、纸基材、陶瓷基板和柔性板材均为现有技术中用于制作PCB板10的常规已知材料，可结合设计需求进行选择，本申请对此不做限定。
具体的，PCB绕组板包括层叠设置的至多四层PCB板10，每层PCB板10上设置有通孔(未标号)，该通孔用于相邻两层PCB板10上的铜箔线路的电性导通，为常规设置，在此不做赘述。PCB绕组板上设置有贯穿其的开口1，开口1用于容置磁芯(未图示)的中柱。补偿电容2设置在每层PCB板10上，与绕组单元电性连接。
上述磁芯包括顶部磁芯和底部磁芯，顶部磁芯与底部磁芯可设置为EE型磁芯，或者设置成EC型磁芯，或者设置成EI型磁芯，为常规设置，本申请对此不做具体限定。
本实施例中，以顶部磁芯与底部磁芯设置为EI型磁芯为例进行说明，具体的，顶部磁芯的中柱和侧柱呈E型结构，底部磁芯的侧柱呈I型结构。在安装时，使E型的顶部磁芯的中柱穿过PCB绕组板上的开口1，E型的顶部磁芯的侧柱围设在PCB绕组板的外周，将I型的底部磁芯与E型的顶部磁芯相接合，以形成一完整的磁芯。
呈上述，绕组单元设置在PCB绕组板上，绕组单元包括初级绕组Pri、次级绕组Sec、辅助绕组Aux和抗干扰绕组comp。丝印层设置在PCB绕组板的顶层和底层上，丝印层覆盖绕组单元。其中，初级绕组Pri、次级绕组Sec、辅助绕组Aux及抗干扰绕组comp均围设在开口1的外侧，以围设在磁芯的中柱外周上，本实施例中，绕组单元于PCB绕组板上的形状呈矩形或者大致呈矩形。
由前述可知，PCB绕组板包括至多四层PCB板10，PCB板10的层数数量可结合绕组单元的排布结构进行调整。如，初级绕组Pri、次级绕组Sec、辅助绕组Aux和抗干扰绕组comp均设置在一个PCB板10上，或者初级绕组Pri、次级绕组Sec和辅助绕组Aux设置在其中一个PCB板10上，抗干扰绕组comp设置在另一PCB板10上，或者初级绕组Pri、次级绕组Sec和辅助绕组Aux分别设置在三个PCB板10上，抗干扰绕组comp设置在赛格PCB板中的任意一个上。绕组单元的排布方式不限定于上述三种方式，可结合设计需求进行调整，在此不做赘述。
请参见图2，在一可选的实施方案中，抗干扰绕组comp的起始端与次级绕组Sec的动点电性连接，抗干扰绕组comp的另一端与补偿电容2的次级极板电性连接，补偿电容2的初级极板与初级绕组Pri或辅助绕组Aux的静点电性连接。
请参见图3，在另一可选的实施方案中，抗干扰绕组comp的起始端与初级绕组Pri的静点电性连接，抗干扰绕组comp的另一端与补偿电容2的初级极板电性连接，补偿电容2的次级极板与次级绕组Sec的动点电性连接。
上述抗干扰绕组comp的圈数可调，以适应在实际的应用中不同的共模噪声的平衡需求。该抗干扰绕组comp分布在次级绕组Sec的内边圈中，或者分布在初级绕组Pri的内边圈中，或者分布在次级绕组Sec和初级绕组Pri的内边圈中，在此不做限定。
需要说明的是，抗干扰绕组comp与补偿电容2串联设置，通过调节补偿电容2的大小，即可使初、次级绕组之间的高频共模信号电压达到相等，进而降低外围EMI滤波器件的使用，从而降低生产成本，并获得较理想的电磁干扰抑制效果。
呈上述，为了增加容值，以减小外围补偿电容2的选用，本实施例中，补偿电容2包括两个并联设置的子电容。在其他实施例中，也可将补偿电容2设置为一个电容，可结合设计需求进行选择。
习知的，PCB板10中文名称为印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。PCB板10由芯板和半固化片以及外层铜箔压合而成。其中，铜箔是一种阴质性电解材料，沉淀于PCB板10基底层上的一层薄的、连续的金属箔，它作为PCB板10的导电体，容易粘合于绝缘层，腐蚀后形成电路图样。
本实施例中，补偿电容2的初级极板和次级极板由PCB板10上的铜箔形成，利用各层PCB板10的铜箔形成补偿电容2，使得补偿电容2和PCB板10的生产一致性更好，同时可以充分利用PCB板10上的铜箔资源，进一步降低成本。
同时由前述可知，通过调节补偿电容2的大小，即可使初、次级绕组之间的高频共模信号电压达到相等，即在本实施例中，通过改变形成初级极板或次级极板的铜箔的面积，以使初、次级绕组之间的高频共模信号电压达到相等。
具体的，形成初级极板或次级极板的铜箔的面积根据公式S＝(n/2-0.5)×SCsp×2/(Nc+Ns)/t和公式SCsp＝(2×π×r+x×4)×nps×w计算得出。其中，n为初级绕组Pri与次级绕组Sec的匝比，SCsp为初级绕组Pri与次级绕组Sec交叠部分的归一化面积，r为初级绕组Pri归一化半径，w为初级绕组Pri归一化线宽，x为初级绕组Pri的归一化边长，nps为初级绕组与次级绕组交叠的线圈圈数，Nc为抗干扰绕组的线圈圈数，Ns为次级绕组的线圈圈数，t为设置有初级极板或次级极板的PCB板的层数。
需要说明的是，上述的归一化半径r、归一化面积SCsp、归一化线宽w以及归一化边长x均采用归一化计算方法计算得出，归一化计算方法有两种形式，一种是把数变为[0，1]之间的小数，一种是把有量纲表达式变为无量纲表达式。归一化的目的是让数据压缩在[0，1]范围内，包括两个边界数字0和数字1。归一化也是一种常见的量纲处理方式，可以让所有的数据均压缩在[0，1]范围内，让数据之间的数理单位保持一致。归一化计算方法为已经公开的现有技术，在此不详细展开。
为了便于PCB板10上的电路图样排布，初级极板和次级极板设置在PCB板10的角落位置。在其他实施例中，补偿电容2的排布位置和容值大小均可根据设计需求进行调整，在此不做限定。
具体的，补偿电容2的容值根据电容公式C＝εS/d、ε＝εrε0以及ε0＝1/4πk计算得出，其中，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离、εr为相对介电常数，ε0为真空介电常数，k为静电力常量。本发明中，介电常数ε和极板间的距离d都为定值，所以补偿电容2的容值C与极板面积S成正比。通过使用不同的有效面积来选择不同的补偿电容2的电容容值。不同的有效面积可以通过在对应的面积处引出连接焊点，在外部来确定选用的补偿电容2的容值。
在本实施例中，上述的初级极板和次级极板呈圆形或者长条形。诚然，在其他实施例中，该初级极板和次级极板还可以设置成其他形状，具体如矩形或椭圆形，在此不一一举例。
为了扩大本申请平面变压器的适用范围，该平面变压器还包括线圈绕组(未图示)，线圈绕组缠绕在磁芯的中柱上。以使本申请的平面变压器可以适用于大功率的工作环境，提高平面变压器的适用范围，该线圈绕组的圈数可结合设计需求进行调整，在此不做限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种平面变压器，其特征在于，包括：
PCB绕组板，包括层叠设置的至多四层PCB板，每层所述PCB板上设置有通孔，所述PCB绕组板上设置有贯穿其的开口，所述开口用于容置磁芯的中柱；
绕组单元，设置在所述PCB绕组板上，所述绕组单元包括初级绕组、次级绕组、辅助绕组和抗干扰绕组；
丝印层，设置在所述PCB绕组板的顶面和底面上，所述丝印层覆盖所述绕组单元；及
补偿电容，设置在每层所述PCB板上，与所述绕组单元电性连接；
所述PCB板上的铜箔形成所述补偿电容的初级极板和次级极板；形成所述初级极板或次级极板的铜箔的面积根据公式S＝(n/2-0.5)×SCsp×2/(Ncomp+Ns)/t和公式SCsp＝(2×π×r+x×4)×nps×w计算得出；
其中，n为所述初级绕组与次级绕组的匝比，SCsp为所述初级绕组与次级绕组交叠部分的归一化面积，r为所述初级绕组归一化半径，w为所述初级绕组归一化线宽，x为所述初级绕组的归一化边长，nps为所述初级绕组与次级绕组交叠的线圈圈数，Ncomp为所述抗干扰绕组的线圈圈数，Ns为所述次级绕组的线圈圈数，t为设置有所述初级极板或次级极板的PCB板的层数。
2.如权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述抗干扰绕组的起始端与所述次级绕组的动点电性连接，所述抗干扰绕组的另一端与所述补偿电容的次级极板电性连接，所述补偿电容的初级极板与所述初级绕组或所述辅助绕组的静点电性连接。
3.如权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述抗干扰绕组的起始端与所述初级绕组的静点电性连接，所述抗干扰绕组的另一端与所述补偿电容的初级极板电性连接，所述补偿电容的次级极板与所述次级绕组的动点电性连接。
4.如权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述补偿电容包括两个并联设置的子电容。
5.如权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述铜箔设置在所述PCB板的角落位置。
6.如权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述铜箔呈圆形或者长条形。
7.如权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，还包括线圈绕组，所述线圈绕组缠绕在所述磁芯的中柱上。
8.如权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述PCB板采用玻璃纤维板或纸基材或陶瓷基板或柔性板材制成。
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