CN1846287B - 具有铁氧体聚合物磁芯的分数匝变压器 - Google Patents

具有铁氧体聚合物磁芯的分数匝变压器 Download PDF

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Abstract

具有分数匝的常规变压器具有预先制造的磁芯，该磁芯通常具有复杂的结构。根据本发明，提供了一种制造平面变压器的方法，在该变压器中将铁氧体聚合混合物层压到PCB上形成变压器的磁芯。有利地是，这使得可以提供低廉和坚固的变压器。

Description

具有铁氧体聚合物磁芯的分数匝变压器
平面变压器及其制造方法。
本发明涉及变压器及其制造方法。尤其是，本发明涉及制造变压器的方法和变压器。
很多新产品，例如移动电话使用具有低电源的高级集成电路。为了提供具有低电源的这种电路，可能需要具有高匝数比的变压器。用常规的变压器，只能实现整数匝。因此，初级绕组需要大量的匝。而且，在很多情况中，不仅需要一个电源，而且需要更多的电源。而且绕组之间所需的匝数比不可能正巧是整数。因此，期望具有分数匝。
例如，从US6307458B1可知，在对应的印刷电路板(PCB)中分离电感器的每个绕组具有分数匝。根据US6307458B1的电感器结构具有电感器磁芯，该磁芯具有从基座件整体延伸的第一、第二和第三腿。第一腿和第二腿预先设置且隔开，并从基座件的第一表面基本垂直地延伸，以形成第一沟道区。同样，第二腿和第三腿预先设置且隔开，并从第二表面基本垂直地延伸，以形成由第二腿与第一沟道区隔开的第二沟道区。
S.Chandrasekarn等人的：用于低电压、大电流DC-DC转换器的新矩阵集成磁性元件(MIN)结构。在澳大利亚第10875次出版的，II II，2002年的Power Specialists Conference(TISC)的第33期学报的论文7-5-2第1230-1235页中提出了具有分数匝的平面元件。
然而，上面提出的这些元件使用具有特殊形状的预先制造的磁芯，该形状特别适用于相应的元件。这种特殊的形状不同于市场上可得到的大量生产的标准形状。这些磁芯的特殊制造是昂贵的，因此，对于大容量的电子设备没有吸引力。
本发明的目的是提供一种可以由具有简单布置的磁芯材料制造的变压器。
根据如权利要求1所述的本发明的示例性实施例，该目的可以通过制造变压器的方法解决，其中设置具有至少一个导电层的印刷电路板。通过构成印刷电路板的至少一个导电层，在印刷电路板上形成初级绕组和多个次级绕组。然后，铁氧体聚合混合物(FPC)层压到形成平面变压器的磁芯的印刷电路板的上面和下面。
有利地，根据本发明的这个示例性实施例，不需要预先制造示例性磁芯。鉴于此，可用降低的成本制造平面变压器。另外，由于铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板，使得FPC粘附到印刷电路板，所以可以制造坚固的和可靠的设备。
根据如权利要求2所述的本发明的另一示例性实施例，铁氧体聚合混合物是未成形的。因此，换句话说，可以以批量材料的形式使用铁氧体聚合混合物，没必要特殊处理或者成形。由于这种成形的铁氧体聚合混合物可以有多种用途，所以可以大量地制造，使得可以低成本制造。鉴于此，可用降低的成本制造平面变压器，使得这种平面变压器对大容量的电子设备具有吸引力，例如移动电话、PDA、数码相机或者摄像机。
根据如权利要求3所述的另一示例性实施例，在印刷电路板中形成第一凹槽，以及铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板，使得层压后，铁氧体聚合混合物填充这些凹槽并覆盖印刷电路板的上面和下面的至少一部分。
根据本发明的这个示例性实施例，例如，在层压中，通过控制层压工艺的温度或者施加的压力，控制层压工艺，使得铁氧体聚合混合物填充凹槽，例如，用来互连形成在印刷电路板的上面和下面的铁氧体聚合混合物。根据本发明的这个示例性实施例的一个方面，根据层压工艺，即层压过程中的温度和/或压力可以选择铁氧体聚合混合物。
根据如权利要求4所述的本发明的另一示例性实施例，初级绕组围绕着设置在初级绕组的区域中的多个次级绕组，使得形成分数绕组匝。
有利的是，根据本发明的这个示例性实施例制造的平面变压器允许高的匝数比。因此，可用低成本提供和制造具有子绕组输入电压和输出电压比的平面变压器。
根据如权利要求5所述的本发明的另一示例性实施例，制造这样的变压器，初级和次级绕组以及磁芯的布置是这样的，使得在平面变压器的运行过程中，穿过初级绕组的磁通量被分成多个路径。只感应初级电压的一半的次级绕组被供给每个路径的磁通量。可以并联连接次级绕组以获得大的输出电流，在初级和次级绕组之间实现良好耦合。
有利地是，根据本发明的这个示例性实施例，提供了一种简单的方法，允许以低成本制造坚固和可靠的具有分数匝的平面变压器。
根据如权利要求6所述的本发明的另一示例性实施例，提供包括印刷电路板的变压器，其中初级绕组和多个次级绕组形成在印刷电路板上。铁氧体聚合混合物(FPC)层压到印刷电路板的上面和下面，用于形成平面变压器的磁芯。
有利地是，由于铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板上，所以可以提供坚固和可靠的平面变压器。而且，不需要预先制造成形磁芯，其允许低成本地制造平面变压器。
权利要求7到11提供了变压器的示例性实施例。
可以看作是本发明的示例性实施例的要点的是，通过使用用于形成磁芯的未成形的铁氧体聚合混合物制造具有分数匝的变压器。铁氧体聚合混合物层压到具有凹槽和绕组轨迹的印刷电路板的侧面上，用于形成初级和次级绕组，以及用于当铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板时形成通过印刷电路板的多个磁通量路径。有利地是，不需要预先制造成形的磁芯。而且，由于铁氧体聚合混合物粘接到印刷电路板的事实，所以提供了坚固和可靠的平面变压器。
从参考下文中描述的实施例和解释，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。
参考下面的附图，在下面将描述本发明的示意性实施例。
图1示出了当应用到根据本发明的变压器中时用于表示解释将磁通分成几个路径的简化示意图。
图2示出了根据本发明的线性变压器的示例性实施例展示绕组轨迹和磁芯的横截面的顶视图。
图3示出了图2中描述的线性变压器的另一横截面顶视图展示绕组轨迹和印刷电路板。
图4示出了展示具有磁芯的印刷电路板的图2中描述的线性变压器的示例性实施例的另一横截面顶视图。
图5示出了制造根据本发明的变压器的方法的示例性实施例的第一个步骤。
图6示出了制造根据本发明的变压器的方法的示例性实施例的第二个步骤。
图7示出了制造根据本发明的变压器的方法的示例性实施例的第三个步骤。
图8示出了根据由根据本发明的方法制造的本发明的圆柱型变压器的示例性实施例。
图1示出了相对于半匝的基本分数匝。分数匝可以是1/4匝、1/8匝、1/16匝或者其它。从图1可以得到的是，来自初级绕组的磁通φ被分成两个路径，每个路径为φ/2。只感应初级电压一半的次级绕组被供入每个磁通φ/2。并联连接次级绕组，以得到大的输出电流以及初级绕组和次级绕组之间良好的耦合。优选地，为了避免可能导致不期望的损耗的磁通和电流的不平衡，磁通路径以及次级侧的绕组是均衡的。将该原理应用到在下面解释的变压器的示例性实施例中。
图2表示根据本发明的示意性实施例具有1∶1/3变比的线性变压器的横截面顶视图。图2的横截面顶视图表示初级绕组2和次级绕组3的多个匝。附图标记1指示由铁氧体聚合混合物(FPC)构成的软磁芯。
根据本发明的一个方面，聚合混合物可以包括聚合母体和由软磁微粒，例如铁氧体微粒或者铁粉构成的软磁粉。而且，还可以使用镍铁合金、μ金属、非晶铁、纳米晶铁或者铁纳米微粒。而且，对于粉末的应用，可以使用具有适度磁导率的粉末铁氧体。这可以降低损耗。
而且，对于电磁干扰(EMI)的器件，可以使用具有高磁导率的EMI铁氧体。有利地是，这可以允许在更大的频率范围中控制损耗。而且，对于HF应用，可以使用具有小损耗但是在相当大频率范围的HF铁氧体。在较低的频率范围中，可以使用MnZn铁氧体。对于较高的频率(低导磁率)，可以使用NiZn铁氧体，在高频率范围(GHz)中，可以使用Hexa铁氧体。
根据本发明的优选实施例，可以使用大约30重量百分比(wt-％)的镁-锌铁氧体和大约70wt-％的镍-锌铁氧体的组合作为铁氧体粉末微粒。然后这种复合材料可以包括大约75wt-％到98wt-％的铁氧体粉末。它还可以包括大约85wt-％和92wt-％之间的铁氧体粉末。尤其是，优选具有大约88wt-％的铁氧体粉末和12wt-％的环氧树脂。软磁粉末微粒的粒径可以从10μm到35μm延伸到80μm到110μm。微粒的形状可以是球形的或者不规则的。聚合母体(例如热固树脂的)的TG值可以大于120℃。在制造过程中可以选择这些参数以控制粘滞性，或者还可以考虑医学方面进行选择，以确保在医学上没有疑问的制造。
聚合母体可以是，例如环氧树脂，其可以和例如FR4印刷电路板兼容。然而，还可以使用或者应用其它材料，例如高温热塑性塑料，比如聚醚醚酮(PEEK)或者聚苯硫醚(PPS)。这种高温热塑性塑料和，例如可以被称为弯曲箔(flex foil)的柔性聚酰胺箔兼容。
从图2可以得到，初级绕组2是这样的，它围绕布置在初级绕组区中的次级绕组3。软磁芯1设置在初级绕组2的侧面上。磁芯1还通过次级绕组3的内区域中的凹槽延伸。优选地，如图2所示，在该变压器运行期间感应的磁通量具有通过次级绕组3的内部区域延伸到磁芯1的部分中的图像平面之外的方向。相反，设置在初级绕组2的侧面上的磁芯1的部分中的磁通方向进入到图2的图像平面中。流动方向还可以和描绘的方向相反。随着交变的磁场，流动方向周期变化。
如上所述，图2描述的线形变压器具有1∶1/3的变比。然而，图2中描绘的布置可以延伸到任何其它的变比。
图3示出了根据图2中描绘的本发明的示意性实施例的线形变压器的另一横截面顶视图。图3的横截面顶视图示出了具有用于形成初级和次级绕组的绕组轨迹的印刷电路板。从图3可以得到的是，在印刷电路板4中有5个凹槽。在印刷电路板4的中间部分设置三个较小凹槽和在印刷电路板4的上部和下部设置两个细长的凹槽。图2和图3的比较显示出，为通过次级绕组延伸的磁芯部分设置中间部分中的三个凹槽，然而为围绕初级绕组2的磁芯部分设置细长的凹槽。初级绕组2在细长凹槽之间延伸，并围绕中间部分的三个凹槽。次级绕组3分别围绕三个中间凹槽中的一个。
图4示出了根据图2描绘的本发明的示意性实施例的线形变压器的另一横截面顶视图。图4的横截面顶视图示出了具有软磁芯1的印刷电路板4。如上所述，软磁芯由铁氧体聚合混合物构成。从图4可以得到的是，在变压器的运行过程中，磁芯1中感应的磁通量的方向是这样的，使得它延伸到细长的凹槽中图4的图像平面中，然而它被引出到印刷电路板的中间部分中的三个凹槽中图4的图像平面之外。
在下文中，参考图5至7，描述了制造变压器的方法的示意性实施例，例如如图2至4所描绘的。图5示出了制造根据本发明的示意性实施例的变压器的方法的第一个步骤。特别地，图5示出了用于制造变压器的材料层的横截面图。
从图5可以得到的是，设置具有导电层10的印刷电路板6，例如设置在其上面和/或下面的铜层。而且，设置绝缘层7，其被夹在印刷电路板6的导电层10和铁氧体聚合混合物层11之间。
从图5可以得到的是，和上面描述的现有技术相反，不需要特殊形状的磁芯。相反，使用两层简单的未成形的铁氧体聚合混合物(FPC)。可以大批量生产那些未成形的铁氧体聚合混合物层，并且较低成本和较不复杂地生产。
图6示出了制造根据本发明的变压器的方法的示意性实施例的第二个步骤。图6示出了变压器的层的横截面图。从图6可以得到的是，构成印刷电路板的导电层10，例如，借助于照相平版印刷术工艺和随后的刻蚀形成初级和次级绕组12。然后，在印刷电路板6的上面和下面设置绝缘层7，用于绝缘绕组12。还在顶部和底部磁芯层应当互连的印刷电路板中形成孔或者凹槽13。设置凹槽13容纳磁芯部分。
图7示出了对应于制造根据本发明的变压器的方法的示意性实施例的第三个制造步骤的变压器的横截面图。
从图7可以得到的是，将铁氧体聚合混合物层11层压到印刷电路板6上。根据本发明的一个方面，选择铁氧体聚合混合物，使得在层压过程中铁氧体聚合混合物填充孔13形成聚合物铁氧体磁心的上层和下层之间的互连。还有，改变根据本发明的一个方面的层压工艺中的条件，使得层压后聚合混合物层11充满孔或者凹槽13。为此，可以由此控制层压工艺中的温度和压力。
有利的是，由于铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板，所以铁氧体聚合混合物粘接到允许形成坚固的和可靠的设备的印刷电路板。
另外，根据制造按照本发明的变压器的方法的示意性实施例，不需要成形的或者预先形成的磁芯，相反可以使用未成形的铁氧体聚合混合物层。
有利地是，根据本发明的方法可以应用为分批处理。
图8示出了根据本发明的变压器的另一示意性实施例。图8描绘的变压器是具有1∶1/6的变比的圆柱型变压器。图8示出了圆柱型变压器的顶视图。从图8可以得到的是，在初级绕组2的内部区域中设置六个次级绕组3。在次级绕组3的每一个的内部区域中设置有磁芯部分，在变压器运行过程中感应的磁通量的方向从该磁芯部分延伸到图8的图像平面外面。围绕初级绕组2，设置有其它的磁芯部分，在变压器运行过程中产生的磁通量的磁通量方向从该磁芯部分延伸到图8的图像平面中。在环形的中心次级绕组3互连。有利地是，鉴于此，次级绕组3和与它互连的的每一匝的轨迹具有避免不平衡的相同的长度，该不平衡可能导致不希望的损耗。通过参考图5至7描述的方法可以制造图8描绘的变压器。
有利地是，根据本发明可用降低的成本提供变压器，尤其是具有分数匝的平面变压器。尤其是，根据本发明，不需要预先制造磁芯，因为可以使用成形的铁氧体聚合混合物的简单层形成变压器的磁芯。由此，提供了一种方法和设备，允许以低成本生产构成吸引大容量电子设备的具有分数匝的这种变压器。

Claims (11)

1.一种制造变压器的方法，该方法包括下述步骤：
设置具有至少第一、第二导电层的印刷电路板，其中该印刷电路板具有彼此相对的上面和下面，所述上面具有第一导电层，所述下面具有第二导电层，第一导电层和第二导电层通过所述印刷电路板而隔开；
通过构成每一个该第一、第二导电层而在印刷电路板的上面和下面的每一个上形成初级绕组和多个次级绕组；
将铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板的上面和下面，以形成变压器的磁芯。
2.如权利要求1的方法，其中铁氧体聚合混合物是未成形的。
3.如权利要求1的方法，其中在印刷电路板中形成第一凹槽；其中铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板，使得层压之后，铁氧体聚合混合物填充第一凹槽，并至少覆盖印刷电路板的上面和下面的一部分。
4.如权利要求3的方法，其中初级绕组围绕设置在初级绕组内部区域中的多个次级绕组，使得形成分数绕组匝；其中由多个次级绕组中的至少一个围绕每个第一凹槽。
5.如权利要求4的方法，其中初级绕组围绕第一数量的次级绕组；其中第二数量的第一凹槽设置在印刷电路板中；其中第一凹槽的每一个被至少一个次级绕组围绕；其中第一数量对应于第二数量；其中在内部区域外侧的初级绕组的侧面上形成第二凹槽；其中将铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板，使得它填充第二数量的第一凹槽和第二凹槽以及印刷电路板的上面和下面的至少一部分来形成磁芯；其中初级和次级绕组以及磁芯的布置是这样的，在平面变压器的运行过程中，通过初级绕组的磁通被分成一第三数量的路径；其中第三数量对应于第一数量和第二数量。
6.一种变压器，其包括：
印刷电路板，其中该印刷电路板具有上面和下面，并且在上面和下面的每一个上包括形成在该印刷电路板上的初级绕组和多个次级绕组，该上面和下面彼此相对，其中位于上面的绕组和位于下面的绕组通过该印刷电路板而隔开；和
层压到该印刷电路板的上面和下面用来形成变压器磁芯的铁氧体聚合混合物。
7.如权利要求6的变压器，
其中在印刷电路板中设置第一凹槽；其中铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板，使得层压后铁氧体聚合混合物填充第一凹槽并覆盖印刷电路板的上面和下面的至少一部分。
8.如权利要求7的变压器，其中初级绕组围绕设置在初级绕组的内部区域中的多个次级绕组，使得形成分数绕组匝；其中每个第一凹槽被多个次级绕组中的至少一个围绕。
9.如权利要求8的变压器，
其中初级绕组围绕第一数量的次级绕组；
其中第二数量的第一凹槽设置在印刷电路板中；其中第一凹槽的每一个被至少一个次级绕组围绕；
其中第一数量对应于第二数量；
其中在内部区域外侧的初级绕组的侧面上形成第二凹槽；其中将铁氧体聚合混合物层压到印刷电路板，使得它填充第二数量的第一凹槽和第二凹槽以及印刷电路板的上面和下面的至少部分来形成磁芯；其中初级和次级绕组以及磁芯的布置是这样的，在平面变压器的运行过程中，通过初级绕组的磁通被分成第三数量的路径；其中第三数量对应于第一数量和第二数量。
10.如权利要求6的变压器，其中变压器具有分数匝。
11.如权利要求6的变压器，其中多个次级绕组并联连接。
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