CN1331170C - 多层和可按用户构形的微型印刷电路板 - Google Patents
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Abstract
公开了一种多层微型印刷电路板(PCB)，其使用平面技术限定磁性构件，例如变压器。本发明不使用包括有初级绕组和次级绕组的传统十二层PCB，而是叠置多个PCB，每一个PCB具有四个或六个层并且每一个PCB包括单个绕组(或者是初级绕组或者是次级绕组)。这些PCB以偏置布置形式叠置，从而引线穿过包括一个或多个初级绕组的一个或多个PCB，而不穿过包括一个或多个次级绕组的一个或多个PCB。另外，这种偏置布置形式防止穿过次级PCB的引线以相同方式穿过初级PCB。从而这种偏置布置形式避免了与当前平面构件相随的严重的飞弧问题。另外，本发明说明了一种布置形式，其中可以使用跳线或其它连接件来以串联或并联结构连接绕组，以允许用户根据用户要求的参数来构形该构件。
Description
技术领域
本发明整体涉及一种用于微电应用的微型印刷电路板。更为具体地说，本发明涉及用于静态电磁构件，例如变压器的多层的、可按使用者构形的和可堆叠的微型印刷电路板。
背景技术
众所周知变压器是应用于电气装置和供电单元中的电磁构件。通常而言，静态磁性构件，例如变压器传统上是用具有圆形横截面的普通导电线的绕组构造而成。传统变压器在初级绕圈和次级线圈之间包括绝缘间隙，在次级线圈中产生的电压由施加到初级绕圈上的电压决定，即由初级线圈和次级线圈之间的卷绕比加倍。这些传统结构的制造包括围绕铁心或线轴结构缠绕金属线，这样的过程经常卷入大量的昂贵的手工劳动。另外，高功率应用经常需要具有大体积铁心的磁性构件和用于绕组的大的金属线尺寸。即使变压器经常是电气设备的重要构件，但这一直是最难微型化的。
关于电路尺寸和功率密度的新的操作需要以及增加的降低电路制造成本的必要性已经使传统静态磁性构件作为电路构件是非常不具吸引力的。新设计的电路，例如需要低的轮廓以适应减小的向电路供电所允许的空间。为达到这些目的，需要以实现低的轮廓和低成本构件组装的磁性构件设计。
用挠性电路制造的平面磁性构件和多层印刷电路板(PCB)技术为致力于新的操作和成本要求提供了可选择性。已经利用平面技术由单层或多层印刷电路板制成变压器。图1A示出了一种由印刷电路板构成的典型平面变压器的示例。具体而言，图1A示出了连接到电气装置的主板110的构件100的侧视图。构件100包括具有多个内层的PCB 130。PCB 130的绕组通过连接引线140连接到主板上。图1B示出了组装构件100的方式，图2简要示出了PCB 130的各个层。
构件100的基本结构包括在PCB 130的每一层上的螺旋导体，该导体形成一个或多个感应“线圈匝”。如图1B所示，铁心120可以包括两个分开并相同的E形部件122和124。每一个E形部件122、124包括一个中间支腿126和两个外部支腿128。在PCB 130的中心钻制一个孔132。E形部件122、124的中间支腿126可以被支撑在孔132内，以形成铁心120的一部分。中间支腿126具有圆形横截面，每一个外部支腿128具有圆形的或矩形的横截面。E形部件122、124的剩余部分由粘结到支腿126、128上的铁氧体棒制成。以使每一个E形部件的支腿126、128被粘结到一起的形式组装E形部分122、124。分别连接初级绕组和次级绕组的初级引线和次级引线可以通过在靠近PCB的外边缘钻制的终端孔134而穿过PCB，这将在下文解释。
螺旋导体的宽度取决于载流需要。即，载流需要越大，导体的宽度就越大。典型而言，为电感保留一预定的面积，根据众所周知的印刷电路板技术在每一层上印制一个或多个线圈匝。(例如参见美国专利No.5,521,573。)在这样印制每一层之后，用环氧玻璃将这些层粘结在一起，以形成多层PCB，用通孔式“通路”或盲式“通路”相互连接不同层的线圈匝。
这样制成一个通孔式“通路”，即通过在一个位置钻通上述层并相交于螺旋导体中的两个导体的端部，然后用水溶性粘结剂对孔的内表面“引晶”。接下来，无电地将铜镀到粘结剂上，使导体相连。接下来，在无电的铜镀层上电镀附加的铜到所需的厚度。最后，用焊料填充这些孔，以保护铜镀层。在相邻层上的每对螺旋导体需要单独的通路，以顺序连接所有线圈匝数。每个这种通孔式“通路”设置成不与其它的导体相交。
在将这些层粘结到一起之前在所选择的层中钻制孔以形成“盲式”通路。然后，在暴露的情况下将这些层顺序粘结在一起，用镍对孔的内表面引晶，用铜进行无电镀，然后再填充以焊料。所形成的通路在两个将被电连接的层之间延伸。因此，该孔不穿过其它层，并且在这些其它层上不需要面积来清除该通路。然而，盲式通路的制造过程比通孔式通路的制造过程要昂贵得多。如图1A所示，连接初级绕组的初级引线140和连接次级绕组的次级引线150然后设置成穿过多层PCB 130。
图2示出了用传统平面技术在PCB中加工印刷线圈的过程。在图2的PCB的层中，初级绕组和次级绕组可以通过连接五个层200、220、240、260和280的多线圈迹线来形成。例如初级绕组可以具有连接到层200上的线圈迹线204的外端子202。线圈迹线204的内端子可以通过内周端子208穿过一个通路连接到层240上的连接迹线242的内端子。连接迹线242的外端子通过初级端子210穿过一个通路连接到层280上的线圈迹线284的外端子282。线圈迹线284的内端子通过圆周端子286穿过一个通路连接到层240上的连接迹线244的内端子。连接迹线244连接到外端子246，从而在分别从层200和280上的线圈迹线204和284而来的外端子202和246之间形成一个初级绕组。
次级绕组可以通过以类似方式连接层220上的线圈迹线224和层260上的线圈迹线264而形成。线圈迹线264的外端子262可以通过初级端子266穿过通路连接到相应的线圈迹线224的外端子222。线圈迹线224的内端子通过圆周端子226穿过通路连接到线圈迹线284的内端子。因为每个线圈迹线224和264的内端子被连接，而且每个线圈迹线224和264的外端子被连接，所以线圈迹线224和线圈迹线264是并联的。
图3示出了典型的十二层布局，其中每个单个的层被单独示出。可以以类似于上面参考图2所述的方式连接这些层，以形成具有初级绕组和次级绕组的PCB。在这种传统布局中，十二层PCB包括初级绕组和次级绕组二者的迹线，类似于参考图2说明的那样。然而，其结果是，初级绕组和次级绕组彼此靠近地物理设置，这产生了出现电飞弧的重大危险。
图4简要示出了如何将PCB的初级绕组和次级绕组布置成变压器。再次参见图2，在PCB的层上绘出的绕组可以形成具有外端子202和282的初级绕组和具有外端子226和262的次级绕组。如图4所示，初级绕组420可以通过引线430和440在端子202和282处与主板110连接。次级绕组460可以通过引线470和480在端子226和262处与主板1-10连接。初级绕组420构形成在次级绕组460对面，以铁心120的介电材料位于它们之间并用线490表示。
尽管磁性构件的传统结构已有了显著的改进，这些布置仍不能满足当前电路设计的性能和成本目标。特别是，这种传统的平面布置造成明显的设计、成本和操作缺点。
如上所述，当今的应用对其设计的空间限制性的要求日益增加。因此，一直在努力进一步减小电构件的尺寸。在过去的几年中，例如电能供给在尺寸上已经显著减小了。所以，用于平面磁性构件的可用空间受到很大程度的限制。因此，以传统平面技术制成的当前的十二层布置形式为使电路设计的微型化设置了障碍。
与当前的和正在进行的尺寸局限性紧密相依的是日益增加的对更为廉价且更为可靠的应用的需求。传统十二层平面构件也被证明是特别费钱的。传统平面磁性构件必须根据所需的参数(例如匝数比)对每一个电路设计用户化。如果参数改变，那么新的平面磁性构件必须适应用户的制造。因此，使用传统平面技术进行的磁性构件的制造需要与每一个新的PCB构形相关联的大量的成本，该新的PCB构形是为每一个电路参数改变而构造的。
另外，当前的平面技术出现了与高电压(HIPOT)应用等相关联的严重的操作问题。传统电路板中的引线在各个位置穿过PCB层，并通常扩散穿过大部分或所有层的厚度；然而，只有某些引线是电连接到某些层上的。由于这一方法，即传统平面构件中的引线在各个位置完全穿过电路板且只有某些引线是电连接到某些层上，所以存在由于电飞弧而导致失效的重大危险。最后，这种多层的电路板需要很大的压力来将它们层压到一起，从而通常在加工过程中在这些层上产生更高的剪切力。所导致的每个单独的层相对于其上面的和下面的层的横向运动可以对构件的操作导致明显的缺陷，并且特别是，可能破坏在初级绕组和次级绕组之间所需的最小空间。
因此，存在对静态电磁构件的需要，其不仅满足当前电技术的操作要求和尺寸需要，还避免飞弧问题和当前平面技术的高成本。此外，存在对电装置的需要，其具有提供可构形的和适应用户的可用户化的能力的更多的益处，以改变构件参数来适应特殊应用的需要。
发明内容
下文说明的本发明的实施例提供了一种多层的并可按用户构形的PCB装置，该装置可以用作为变压器。本发明的新型布置形式连同其可用户化的构形克服了上文讨论的与现有技术相关的缺点和问题。
本发明整体包括数个独立可叠置的具有预定迹线布局的PCB，例如那些用于圆柱形变压器铁心的PCB。这些预定的电路板可以标准化，从而免去了设计者的布设过程。使用者可以使用各个位置的通路(引线)和跳线来构成该电路板，从而这些通路不穿过它们不电连接的电路板。
本发明的一个实施例包括数个铁心件和数个在该铁心件之间叠置成多层结构的印刷电路板。第一印刷电路板构形成限定变压器的初级绕组。第二组印刷电路板构形成限定变压器的绕组。连接件构形成根据使用者的要求可选择地将绕组或者以并联结构次级或者以串联结构连接次级绕组的印刷电路板。连接器引线构形成将数个印刷电路板电连接到主电路板上。每个连接器引线只穿过包含有初级绕组的印刷电路板或包含有次级绕组的印刷电路板。
在另一个实施例中，本发明包括制造一种电装置的方法，该方法包括：在数个印刷电路板中的每一个上印制至少一个线圈；在上述数个印刷电路板上构形出电连接，使在每一个印刷电路板上都包括至少一个线圈，从而限定初级绕组和复卷绕组。按叠置布置形式叠置上述数个印刷电路板，并以这样的方式用连接引线将印刷电路板上的初级绕组和印刷电路板上的复卷绕组连接到主电路板上，从而使连接初级绕组的连接引线只穿过包含有所述初级绕组的印刷电路板，连接复卷绕组的连接引线只穿过包含有所述复卷绕组的印刷电路板。
附图说明
图1A是使用传统平面技术制成的磁性构件的侧剖视图。
图1B是图1A的磁性构件的分解透视图。
图2是用于磁性构件中的PCB的层的分解透视图。
图3是图1A的磁性构件的多层的俯视图。
图4是图1A的磁性构件的等价电路的简示图。
图5是磁性构件的分解透视图，示出将上铁心部件拆下。
图6是包括初级绕组的初级PCB和包括次级绕组的次级PCB的分解透视图。
图7是位于两个次级PCB之间的图5的初级PCB的透视图。
图8是图6的PCB的初级绕组和次级绕组的等价电路的简示图。
图9A是构形成串联的图5的磁性构件的等价电路的简示图。
图9B是构形成并联的图5的磁性构件的等价电路的简示图。
具体实施方式
结合附图可更好地理解本发明，其中通篇相同的部分用相同的附图标记表示。
图5是磁性构件500的分解透视图，其具有与下铁心部件540分开的上铁心部件510。磁性构件500构成为变压器。一个初级PCB 525和两个次级PCB 530和535平放在下铁心部件540上。三个PCB 525、530和535每一个都具有中空的中心，以容纳上铁心部件510的圆柱件(未示出)和下铁心部件540的圆柱件(未示出)。由于PCB 525、530和535被放置在下铁心部件540上，所以下铁心部件540的圆柱件便装配入PCB 525、530和535的中空的中心。类似的，由于上铁心部件510被放置在下铁心部件540的顶部，所以上铁心部件510的圆柱件便穿过PCB 525、530和535的中空的中心。在一个实施例中，铁心部件510和540以及穿过PCB 525、530和535的中空的中心的圆柱件由铁氧体材料制成。作为选择方案，铁心部件510和540可以由其它合适的材料制成。
上铁心部件510构形成具有平的外表面512。与平的外表面512相对的表面构形成在上铁心部件510的相对两端具有两个支撑件514，从而在其间形成间隙516。支撑件514延伸上铁心部分510的宽度，所以间隙516也延伸上铁心部件510的宽度。上铁心部件的圆柱件(未示出)在与平的外表面512相对的表面上的间隙516中居中。这种结构类似于上述并在图1B中示出的传统平面技术中使用的“E形”铁心。上铁心部件510的边缘518和下铁心部件540构形成具有带角的凹槽520(在下铁心部件540中未示出)，用以容纳下述的连接引线。
下铁心部件540构形成大体限定上铁心部件510的镜像。然后可通过位于下铁心部件540的支撑件的表面542上的粘结剂将上铁心部件510固定到下铁心部件540上。当铁心部件510和540的支撑件514在表面542处相互接合时，上铁心部件的圆柱件(未示出)便穿过PCB 525、530和535的中空的中心。
如图6所示，初级PCB 525和次级PCB 530每一个都整体形成为平板。PCB 525和PCB 530每一个都具有一个圆形部分615，该部分大体为圆形并具有一个中空的中心610。如上所述，PCB 525和PCB 530的中空的中心610的直径大体相等，并且可以适应上铁心部件510的圆柱件的直径。PCB 525和PCB 530每一个都具有矩形部分620，该部分大体为矩形并具有平行于圆形形状的外边缘的切线的前缘625。矩形部分620具有与PCB 525和PCB 530的圆形部分的圆环大体相同的宽度。PCB 525和PCB 530每一个的矩形部分620同样优选包括数个用于容纳连接引线的孔630。另外，每一个矩形部分620都设置有导电表面，通过该表面可以安装连接PCB 525、PCB 530的引线，以连接绕组迹线。
参见图7，六个导电引线501、502、503、503a、504和504a可以穿过叠置的PCB层525、530和535。作为可选方案，可以使用更多或更少的引线。用501和502表示的引线穿过初级PCB 525；引线503、503a、504和504a穿过次级PCB 530和535。初级PCB 525如此就位，从而初级PCB 525的矩形部分620直接与次级PCB 530和535的矩形部分620相对置。由于这种构形，引线501和502只穿过初级PCB 525，引线503、503a、504和504a只穿过次级PCB 530和535。因此，在初级绕组和次级绕组之间不存在物理或电连接。所以，由于电飞弧导致失效的重大危险可被最小化。引线501、502、503、503a、504和504a的作用是使嵌置在每一个PCB中的绕组的各个外端子与主电路板590连接。
在图8中示出了图5的磁性构件的结构的电路图。特别是，引线501和502连接初级PCB 525的绕组，在该简图中该绕组由六个线圈匝构成。引线503和503a连接次级绕组530的绕组，在该简图中该绕组由三个线圈匝构成。最后，引线504和504a连接次级PCB 535的绕组，在该简图中该绕组也由三个线圈匝构成。铁心部件510、540的电介质由通过初级PCB 525和次级PCB 530和535之间的线820表示。使用者可以容易地通过用其它卷绕有不同匝数的PCB替换这些PCB中的任何一个来重新构形该布局，从而容易调节匝数比。
图5的磁性构件可以构形成限定用于变压器的各种匝数比。例如，图9A和9B示出了次级PCB 530和535的串联结构和并联结构。
每一个PCB可以包括单个或多个层，例如四个或六个层。每一个PCB包括一个具有预定匝数的单独的绕组(或者是初级绕组或者是次级绕组)。这些绕组形成在这些层上，并可以使用上文结合图2说明的传统技术来制成。因此，可以在短时间内通过简单地用其它具有不同匝数比的PCB替换特别是四层的或六层的PCB来形成具有不同匝数比的新的设计。作为可选方案，通过在主板590上刻蚀附加的迹线，次级绕组可以如下文所述的那样被串联或并联，以根据使用者限定的需要进一步构形匝数比。这种允许用更少层数的PCB按使用者构形的灵活性有助于降低构件的整体成本。
如图9 A和9B所示，可以使用数个端子来连接次级PCB 530和535的引线。具体而言，例如引线503可以用于将端子903连接到主板590，引线503a可以用于将端子903a连接到主板590，引线504可以用于将端子904连接到主板590，引线504a可以用于端子904a连接到主板590。端子903、903a、904和904a可以连接到嵌置在次级PCB 530和535中的绕组的各个外端子。在主板590上蚀刻附加的迹线910、912、914和916，将引线503、503a、504和504a连接到输出端子918和919如图9A和9B所示。
在图9A中示出了串联结构，其中跳线920形式的连接件通过连接端子903a和904a连接次级PCB 530的绕组和次级PCB 535的绕组。引线503和504(分别是次级PCB的530和535的)将端子903和904连接到主板590(在该结构中引线503a和504不连接)。由于跳线920连接件，次级绕组530和535串联地电连接，并且向变压器提供双倍的匝数比。在图9B中，跳线920断开连接。引线503a和504a(分别是次级PCB的530和535的)将端子903a和904a连接到主板590。结果次级绕组是电并联的。
作为可选方案，跳线920可以用主板上的硬件或软件结构来替换或加强。例如，可以构形电子开关来控制跳线920连接件，或者用主板110上的硬件实现的跳线替换跳线920。
请回想传统的平面技术在单个的十二层PCB中同时包括初级绕组和次级绕组。另外，传统绕组(例如或者是串联的或者是并联的)的结构是通过用于迹线的特殊连接预先确定的。因此，为了改变匝数比或传统磁性构件的参数，可能需要设计和加工新的PCB。上述实施例的可叠置的和可按用户构形的布局通过提供显著的优点克服了工业中长期存在的问题。例如，如上所述，该布置允许用户这样构形构件，从而改变它的匝数比，从而避免重新设计和重新加工新的构件的高成本。另外，该偏置结构有效地消除了当前平面技术中常见的飞弧的可能。此外，该布置通过使用三层、四层和六层板的组合取代了前述传统的十二层板，所述三层、四层和六层板与十二层板相比制造要容易并且成本低。该布置可以使用标准化的、图3中的传统设计来完成，因此，在不调用设计布局过程的情况下可以制造各种各样的结构。
现在参见图7、9a和9 b，在所示的一些实施例中，次级PCB 530、535装在主电路板(未示出)的所有四个引线503、503a、504、504a上，而每一个PCB 530、535的端子903、903a或904、904a只与主电路板的端子903、903a、904、904a中的两个端子电连接。每一个次级PCB 530、535上的端子903、903a、904、904a的这种不对称性允许一个次级PCB 530用作另一个次级PCB 535，并且反之可简单地通过翻转PCB 530实现。这样的不对称性也可以用于初级侧。另外，图9a示出了主板中的两个电连接件，其用于并联连接连接引线503与504a和503a与504，以散掉由连接引线503、503a、504、504a产生的热量并有助于散热。
尽管上述详细的说明已经示出、阐述和指出了本发明在应用于各种实施例时的新的特征，但是应该理解，本领域的技术人员在不脱离本发明精神的情况下可以对上述装置或过程的形式和细节进行各种各样的省略、替换和改变。例如，上述实施例包含具有三个PCB的装置，但具有更多或更少PCB的情况也可以预想在本发明范围内。
Claims (17)
1.一种电装置，其包括：
数个构形成多层结构的印刷电路板；
所述数个印刷电路板中的至少一个第一印刷电路板，其包括变压器的初级绕组；
所述数个印刷电路板中的至少一个第二印刷电路板，其包括变压器的次级绕组；和
数个连接引线，其构形成将该初级绕组和该次级绕组电连接到主电路板上，其中该第一和第二印刷电路板中的至少两个适于与至少一个外部跳线电连接，该外部跳线适于串联或并联地外部连接所述第一和第二印刷电路板。
2.如权利要求1所述的装置，其中，数个连接引线中的每一个引线只穿过该至少一个第一印刷电路板或该至少一个第二印刷电路板。
3.如权利要求2所述的装置，其中，该至少一个第一印刷电路板和该至少一个第二印刷电路板彼此是电分隔开的。
4.如权利要求1所述的装置，其还包括外部跳线，该外部跳线构形成以并联或者以串联结构连接该数个印刷电路板中的至少两个上的绕组。
5.如权利要求1所述的装置，其中，该数个印刷电路板中的每一个包括多层板。
6.如权利要求1所述的装置，其还包括主电路板，其中，该连接引线将数个印刷电路板上的绕组连接到主电路板上。
7.如权利要求6所述的装置，其中，在主电路板上的连接引线中的至少两个引线是并联连接。
8.如权利要求7所述的装置，其中，在主板的初级侧或次级侧上的每一个连接引线与相同侧上的至少另一个连接引线并联连接。
9.如权利要求1所述的装置，其还包括一个适于外部连接至少两个预制的印刷电路板的外部跳线，其中，初级绕组与次级绕组之比可以通过叠置适当数目绕组的附加印刷电路板和通过用该外部跳线电连接相邻印刷电路板来电连接相邻的初级绕组或次级绕组来改变。
10.如权利要求1所述的装置，其还包括上铁心部件(510)和下铁心部件(540)，其中，所述数个印刷电路板被放置在下铁心部件(540)和上铁心部件(510)之间。
11.如权利要求10所述的装置，其中，该数个印刷电路板中的每一个包括四个到六个层。
12.如权利要求7所述的装置，其还包括主印刷电路板，该主印刷电路板机械支撑并电连接到数个连接引线，其中，该连接引线中的至少两个引线是并联连接。
13.如权利要求10所述的装置，其中，所述装置构形成用作变压器。
14.制造一种电装置的方法，该方法包括：
在数个基片中的每一个上印制至少一个线圈，以提供数个初级和次级印刷电路板；
在该数个初级和次级印刷电路板上构形出电连接，使在每一个印刷电路板上都包括至少一个线圈，从而限定初级绕组和次级绕组，其中，该电连接被构造成与引线或外部跳线或这二者电连接；
按叠置布置形式叠置该数个印刷电路板；和
以这样的方式用连接引线将初级绕组组件和次级绕组组件连接到主电路板上，从而使连接初级绕组的连接引线只穿过初级印刷电路板，连接次级绕组的连接引线只穿过次级印刷电路板，其中，初级或次级印刷电路板中的至少两个由外部跳线连接。
15.如权利要求14所述的方法，其还包括以串联电结构的形式连接次级绕组或初级绕组，或者连接次级绕组和初级绕组。
16.如权利要求14所述的方法，其中，该印刷电路板每一个都包括四个到六个层。
17.如权利要求14所述的方法，其中，主电路板的连接引线中的至少两个引线是并联连接的。
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