CN206497817U - 平面变压器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种平面变压器，所述平面变压器包括磁芯和多层印刷电路板。该平面变压器的初级绕组由印刷电路板的若干层上的绕组迹线形成。该印刷电路板的具有初级绕组的绕组迹线的层具有平面变压器的另一绕组的绕组迹线，诸如辅助绕组的绕组迹线或屏蔽绕组的绕组迹线。该平面变压器还包括次级绕组。所述次级绕组可以是实芯电线或所述印刷电路板的层上的绕组迹线。

Description

平面变压器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月8日提交的美国临时申请No.62/276,337的权益，该临时申请全文以引用的方式并入本文。
技术领域
本实用新型整体涉及电路和电气部件，并且更具体地但不排他地涉及变压器。
背景技术
在开关模式电源(SMPS)中，变压器就物理尺寸而言是最大的部件之一，并因此限制了电源的外观尺寸。因此，减小变压器的体积使得电源可以具有更高的功率密度。S
与将电线作为绕组的传统变压器相比，平面变压器的绕组是印刷电路板(PCB)上的迹线(PCB)。这使平面变压器的外形比传统变压器更扁平。通常，平面变压器的高度与包括绕组的PCB的厚度成比例。减少PCB的层数因此将降低平面变压器的高度及其成本。
实用新型内容
在一个实施方案中，平面变压器包括磁芯和多层印刷电路板。该平面变压器的初级绕组由印刷电路板的若干层上的绕组迹线形成。该印刷电路板的具有初级绕组的绕组迹线的层具有平面变压器的另一绕组的绕组迹线，诸如辅助绕组的绕组迹线或屏蔽绕组的绕组迹线。该平面变压器还包括次级绕组。次级绕组可以是实芯电线或印刷电路板的层上的绕组迹线。
本实用新型提供一种平面变压器，其特征在于包括：磁芯；和多层电路板，所述电路板的第一层包括第一绕组迹线和第二绕组迹线，所述电路板的第二层包括第三绕组迹线，并且所述电路板的第三层包括第四绕组迹线，其中所述第一层上的所述第一绕组迹线和所述第二层上的所述第三绕组迹线电连接以形成所述平面变压器的第一绕组，并且所述第一层上的所述第二绕组迹线形成所述平面变压器的第二绕组。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于所述第一层上的所述第一绕组迹线和所述第二层上的所述第三绕组迹线形成所述平面变压器的初级绕组。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于所述第一层上的所述第一绕组迹线和所述第二层上的所述第三绕组迹线具有不同的匝数。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于所述第一层上的所述第一绕组迹线和所述第二层上的所述第三绕组迹线形成所述平面变压器的初级绕组，并且所述第一层上的所述第二绕组迹线形成所述平面变压器的辅助绕组。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于所述第一绕组迹线和所述第二绕组迹线具有相同的匝数。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于所述第三层还包括第五绕组迹线，所述第五绕组迹线形成所述平面变压器的屏蔽绕组。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于所述第一层上的所述第一绕组迹线电连接到所述第三层上的所述第四绕组迹线以形成所述平面变压器的初级绕组。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于还包括次级绕组。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于所述次级绕组包括不是所述多层电路板的一部分的电线。
根据本实用新型的上述平面变压器的一个单独实施例，其特征在于所述多层电路板具有穿过所述第一层、所述第二层和所述第三层的开口，并且所述磁芯的一部分穿过所述开口突出。
本实用新型的这些及其他特征对于本领域的普通技术人员来说在阅读本公开的包括附图和权利要求书的整个内容后将是显而易见的。
附图说明
图1显示了平面变压器的分解图。
图2显示了平面变压器的PCB的示例层。
图3显示了根据本实用新型的实施方案的SMPS的示意图。
图4显示了根据本实用新型的实施方案的平面变压器的分解图。
图5显示了根据本实用新型的实施方案的多层PCB的多绕组层。
图6显示了根据本实用新型的实施方案的多层PCB的多绕组层。
图7显示了具有不同匝数的绕组迹线的宽度的比较。
在不同附图中使用相同的参考标记表示相同或类似的部件。
具体实施方式
在本公开中，提供了许多具体的细节，诸如电路、结构、部件和方法的例子，以提供对本实用新型实施方案的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将认识到，本实用新型可在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实施。在其他情况下，未示出或描述熟知的细节以免使本实用新型的方面模糊不清。
图1显示了平面变压器100的分解图。平面变压器100包括多层印刷电路板(PCB)，该多层印刷电路板包括多个PCB层101-108。平面变压器100还包括磁芯，该磁芯包括上部磁芯112-1和下部磁芯112-2。PCB层101-108中的每一个可具有开口，当将层101-108夹在上部磁芯112-1与下部磁芯112-2之间时，磁芯的中心支腿(参见113)可从该开口中穿过。平面变压器100是部分平面变压器，因为其次级绕组(未示出)中的每一个是可以绕PCB缠绕的实芯电线(而不是PCB层上的迹线)。
图2显示了示例PCB层200，该PCB层可用作平面变压器的PCB的层。PCB层200可用作PCB层101-108中的任一个或用作后面描述的PCB层401-408(参见图4)中的任一个。在图2的例子中，PCB层200具有单条绕组迹线203。如从下文中将更加显而易见的是，图4的PCB层401-408中的一个或多个可具有多条绕组迹线。
在图2的例子中，PCB层200具有外边缘204、内边缘205和开口206，磁芯(例如，图1的113；图4的413)可穿过该开口突出。PCB层200包括用于平面变压器的绕组的螺旋绕组迹线203。一般来讲，绕组迹线是PCB的层上的连续、导电迹线。在图2的例子中，绕组迹线203具有围绕内边缘205旋转的图案。绕组迹线203围绕内边缘205旋转的次数和方向由绕组迹线203所形成的绕组规定。
平面变压器的绕组可在PCB的若干层之中分配。例如，平面变压器100的初级绕组(参见图1)可在PCB层103-106之中分配，每一层具有初级绕组迹线。在图2的例子中，PCB层200包括连接节点201，在该连接节点上可形成电连接。例如，绕组迹线203可电连接到PCB层200的连接节点201，并且PCB层200的连接节点201可电连接到另一PCB层的连接节点以将它们的绕组迹线电串联而形成平面变压器的绕组。PCB的不同层的连接节点201可通过穿过层的通孔连接。一般来讲，可通过连接节点形成与PCB层的绕组迹线的电连接。
在图1的例子中，平面变压器100的PCB具有8个层，即，PCB层101-108，它们以如图所示的顺序堆叠。平面变压器100具有初级绕组、辅助绕组和屏蔽绕组。平面变压器100的初级绕组在PCB的四个层即PCB层103-106之中分配。为了形成初级绕组，PCB层103的绕组迹线电连接到PCB层104的绕组迹线(参见121)，PCB层104的绕组迹线电连接到PCB层105的绕组迹线(参见122)，并且PCB层105的绕组迹线电连接到PCB层106的绕组迹线(参见123)。
在图1的例子中，平面变压器100的辅助绕组通过PCB层102的绕组迹线形成，该绕组迹线电连接到充当辅助绕组的连接器的PCB层107(参见120)。平面变压器100还包括通过PCB层101的绕组迹线形成的屏蔽绕组，和通过PCB层108的绕组迹线形成的另一屏蔽绕组。下表1显示了平面变压器100的特征的汇总。
表1
表1显示了平面变压器100的PCB的每层上的绕组迹线的绕组迹线旋转方向(方向)和匝数。方向“CCW”表示逆时针旋转方向，而“CW”表示顺时针旋转方向。平面变压器100具有两个次级绕组、单个初级绕组和单个辅助绕组。正如所解释的那样，平面变压器100的次级绕组不是PCB的迹线；相反，次级绕组的每一个是实际的实芯电线。
从表1中可以看出，平面变压器100的初级绕组具有32匝(即8匝数×4层)，平面变压器100的辅助绕组具有8匝，并且平面变压器100的次级绕组的每一个具有4匝。一般来讲，对于给定的匝数而言，为了减小PCB的层数，需要在每一层中尽可能多地缠绕绕组迹线。然而，绕组的DC和AC电阻将随着其绕组迹线变得过窄而增大，从而导致高导电损耗和低效率。
图3显示了根据本实用新型的实施方案的SMPS 300的示意图。SMPS 300接收AC源电压以生成经调节的输出DC电压。在图3的例子中，SMPS 300包括输入电路320、平面变压器340和输出电路330。在图3的例子中，平面变压器340包括初级绕组301、辅助绕组302、第一屏蔽绕组303、第二屏蔽绕组304、第一次级绕组305和第二次级绕组306。在图3的例子中，第一次级绕组305和第二次级绕组306并联以减小次级侧上的DC和AC电阻，并通过交错多层绕组方法增大与初级绕组301的耦合。
在图3的例子中，输入电路320接收、过滤AC源电压并对AC源电压进行整流。初级绕组301的一端可电连接到储能元件，诸如输入电路320的大容量电容器C1。初级绕组301的另一端可电连接到开关装置，诸如晶体管Q1。辅助绕组302的一端可电连接到储能元件(例如，电容器C3)，并且辅助绕组302的另一端可电连接到电源轨(例如，接地参考)。在图3的例子中，辅助绕组302通过整流器310(例如，二极管)电连接到电容器C3，以便为输入电路320或其他电路生成电源电压。次级绕组305/306可电连接到为输出电容器C2充电的输出电路330。屏蔽绕组303/304的一端可电连接到储能元件(例如，大容量电容器C1)或电源轨(例如，接地参考)，并且屏蔽绕组303/304的另一端可保持不连接，即，断开。屏蔽绕组303/304提供噪声消除。
SMPS 300可根据传统的SMPS操作而操作。如可以认识到，平面变压器340不限于SMPS。平面变压器340可用于需要变压器的其他电路。
图4显示了根据本实用新型的实施方案的平面变压器340的分解图。在图4的例子中，平面变压器340包括PCB和磁芯。在一个实施方案中，PCB是包括PCB层401-408的多层PCB，这些层夹在磁芯的上部磁芯412-1与下部磁芯412-2之间。上部磁芯412-1和下部磁芯412-2可包括铁氧体或其他适于用作变压器磁芯的材料。PCB层401-408中的每一个可具有开口，当将PCB层401-408夹在上部磁芯412-1与下部磁芯412-2之间时，磁芯的一部分(参见413)可穿过该开口突出。
在图4的例子中，平面变压器340是部分平面变压器，因为其次级绕组305/306的每一个(参见图3，未在图4中示出)是实际的实芯电线，而不是PCB的层上的迹线。次级绕组305/306的实芯迹线可绕PCB缠绕。如可以认识到，本实用新型的实施方案可同样适用于完全平面变压器，其中所有绕组(包括次级绕组)均由PCB的一个或多个层上的迹线形成。
在图4的例子中，平面变压器340的PCB具有8个层，即，PCB层401-408，它们以如图所示的顺序堆叠。在一个实施方案中，平面变压器340的初级绕组301在PCB的所有8个层之中分配。也就是说，PCB层401-408各自具有用于形成初级绕组301的绕组迹线，称为“初级绕组迹线”。在图4的例子中，为了形成初级绕组301，PCB层401的初级绕组迹线电连接到PCB层402的初级绕组迹线(参见421)，PCB层402的初级绕组迹线电连接到PCB层403的初级绕组迹线(参见422)，PCB层403的初级绕组迹线电连接到PCB层404的初级绕组迹线(参见423)，PCB层404的初级绕组迹线电连接到PCB层405的初级绕组迹线(参见424)，PCB层405的初级绕组迹线电连接到PCB层406的初级绕组迹线(参见425)，PCB层406的初级绕组迹线电连接到PCB层407的初级绕组迹线(参见426)，并且PCB层407的初级绕组迹线电连接到PCB层408的初级绕组迹线(参见427)。储能元件(例如，图3的电容器C1)可电连接到PCB层401的初级绕组迹线，并且开关装置(例如，图3的晶体管Q1)可电连接到PCB层408的初级绕组迹线。
在图4的例子中，屏蔽绕组303是在PCB层402上的绕组迹线，并且屏蔽绕组304是PCB层406上的绕组迹线。屏蔽绕组的屏蔽迹线在本文也称为“屏蔽绕组迹线”。在图4的例子中，PCB层402具有初级绕组迹线和单独的屏蔽绕组迹线。也就是说，PCB层402具有两个单独的迹线图案，一个针对初级绕组301，另一个针对屏蔽绕组303。类似地，PCB层406具有针对初级绕组301的初级绕组迹线，和针对屏蔽绕组304的单独的屏蔽绕组迹线。
在图4的例子中，平面变压器340的辅助绕组302在PCB的两个层即PCB层403和404之中分配。更具体地讲，PCB层403和404中的每一个具有针对辅助绕组302的绕组迹线，其在本文也称为“辅助绕组迹线”。更具体地讲，PCB层403具有针对初级绕组301的初级绕组迹线，和针对辅助绕组302的单独的辅助绕组迹线。类似地，PCB层404具有针对初级绕组301的初级绕组迹线，和针对辅助绕组302的单独的辅助绕组迹线。PCB层403的辅助绕组迹线电连接到PCB层404的辅助绕组迹线(参见431)以形成辅助绕组302。
图5显示了根据本实用新型的实施方案的PCB层402。PCB层402具有针对初级绕组301的初级绕组迹线502，和针对屏蔽绕组303的屏蔽绕组迹线501。也具有针对初级绕组301的初级绕组迹线和针对屏蔽绕组304的屏蔽绕组迹线的PCB层406可具有与PCB层402类似的结构。PCB层402和406是多绕组层，因为每层具有不止一条绕组迹线。
在图5的例子中，初级绕组迹线502围绕内边缘503螺旋。初级绕组迹线502的一端电连接到连接节点201-1，并且初级绕组迹线502的相对端电连接到连接节点201-2。在图5的例子中，屏蔽绕组迹线501在初级绕组迹线502围绕内边缘503的部分之间螺旋。屏蔽绕组迹线501的一端电连接到连接节点201-3，并且屏蔽绕组迹线501的相对端保持断开，即，不连接。PCB层402具有不止一个迹线图案，即，一个针对初级绕组301，另一个针对屏蔽绕组303，以使得初级绕组301可以在更大数量的层之中分配，而每层的匝数较少。这使得初级绕组301可以在每层中具有更宽的绕组迹线，从而产生较低的DC和AC电阻。
图6显示了根据本实用新型的实施方案的PCB层403。PCB层403具有针对初级绕组301的初级绕组迹线602，和针对辅助绕组302的辅助绕组迹线601。也具有针对初级绕组301的初级绕组迹线和针对辅助绕组302的屏蔽绕组迹线的PCB层404可具有与PCB层403类似的结构。PCB层403和404是多绕组层，因为每层具有不止一条绕组迹线。
在图6的例子中，初级绕组迹线602绕内边缘603螺旋。初级绕组迹线602的一端电连接到连接节点201-4，并且初级绕组迹线602的相对端电连接到连接节点201-5。在图6的例子中，辅助绕组迹线601在初级绕组迹线602围绕内边缘603的部分之间螺旋。辅助绕组迹线601的一端电连接到连接节点201-6，并且辅助绕组迹线601的相对端电连接到连接节点201-7。类似于PCB层402和406，PCB层403和404各自具有多个迹线图案，即，一个针对初级绕组301，另一个针对辅助绕组302，以使得初级绕组301可以在更大数量的层之中分配，而每层的匝数较少，从而使得初级绕组迹线可以增宽，以降低DC和AC电阻。
回头参见图4，平面变压器340的PCB具有8个层，其中PCB层401直接位于PCB层402上，PCB层402直接位于PCB层403上，PCB层403直接位于PCB层404上，PCB层404直接位于PCB层405上，PCB层405直接位于PCB层406上，PCB层406直接位于PCB层407上，并且PCB层407直接位于PCB层408上。通孔允许层之间的电连接。正如所解释的那样，PCB层402和406各自具有屏蔽绕组迹线和初级绕组迹线，并且PCB层403和404各自具有辅助绕组迹线和初级绕组迹线。
在图4的例子中，PCB层401、405、407和408各自具有单条绕组迹线，该迹线为初级绕组迹线。因为初级绕组301已在所有8个层之中分配，所以PCB层401、405、407、408的初级绕组迹线可具有更少的匝数并因此可使得比通常的更宽。这在图7中示出，该图对PCB层801的9匝绕组迹线805与PCB层802的5匝绕组迹线806进行比较。在图7的例子中，绕组迹线805具有围绕内边缘803的9匝，而绕组迹线806具有围绕内边缘804的5匝。因为绕组迹线806具有更少的匝数，所以可使得绕组迹线806比绕组迹线805更宽。本实用新型的实施方案因此使得可以在相同的PCB层数的情况下实现更低的DC和AC电阻。
表2显示了根据本实用新型的实施方案的平面变压器340的特征的汇总。
表2
表2显示了平面变压器340的层上的绕组迹线的绕组迹线旋转方向(方向)和匝数。方向“CCW”表示逆时针旋转方向，而“CW”表示顺时针旋转方向。平面变压器340具有两个次级绕组、单个初级绕组和单个辅助绕组。正如所解释的那样，平面变压器340的次级绕组不是PCB的迹线；相反，次级绕组的每一个是实际的实芯电线。
如从表2中显而易见的是，在单个绕组层即PCB层401、405、407和408的每一个中的初级绕组迹线的匝数为5，其少于平面变压器100的PCB层中的匝数。此外，在多绕组层即PCB层402、403、404和406的每一个中的绕组迹线的匝数为4，这由于相对窄的辅助绕组和屏蔽绕组迹线保证了绕组迹线的宽度。因此，初级绕组301的总匝数为36(5匝×4层+4匝×4层)，辅助绕组302的总匝数为8，并且次级绕组中每一个的总匝数为4。虽然平面变压器340的PCB具有与平面变压器100相同的层数，但平面变压器340的初级绕组301具有更小的DC和AC电阻，因为可使其绕组迹线更宽。或者，通过在单个层上组合至少两个绕组的绕组迹线，平面变压器340的PCB可具有更少的层(并因此更薄)，但具有相同的绕组DC和AC电阻。
可以看出，本实用新型的实施方案还包括至少以下技术方案：
一种平面变压器，包括：初级绕组；次级绕组；和辅助绕组，其中所述初级绕组包括在印刷电路板的多个层上的绕组迹线，所述辅助绕组包括在所述印刷电路板的第一层上的绕组迹线，并且所述初级绕组的绕组迹线在所述印刷电路板的具有所述辅助绕组的所述绕组迹线的所述第一层上。根据上述平面变压器的一个单独实施例，还包括磁芯，所述磁芯具有穿过所述印刷电路板的所述多个层的开口突出的部分。
根据上述平面变压器的一个单独实施例，还包括屏蔽绕组，所述屏蔽绕组包括在所述印刷电路板的第二层上的绕组迹线。
根据上述平面变压器的一个单独实施例，其中所述初级绕组的绕组迹线在所述印刷电路板的具有所述屏蔽绕组的所述绕组迹线的所述第二层上。
一种开关模式电源(SMPS)，包括：平面变压器，所述平面变压器包括印刷电路板；输入电路，所述输入电路电连接到所述平面变压器的初级绕组；和输出电路，所述输出电路电连接到所述平面变压器的次级绕组，其中所述初级绕组包括在所述印刷电路板的多个层上的绕组迹线，所述平面变压器的辅助绕组包括在所述印刷电路板的第一层上的绕组迹线，并且所述初级绕组的绕组迹线在所述印刷电路板的具有所述辅助绕组的所述绕组迹线的所述第一层上。
根据上述开关模式电源的一个单独实施例，其中所述平面变压器还包括磁芯，所述磁芯具有穿过所述印刷电路板的所述多个层的开口突出的部分。
根据上述开关模式电源的一个单独实施例，其中所述平面变压器还包括屏蔽绕组，所述屏蔽绕组包括在所述印刷电路板的第二层上的绕组迹线。
根据上述开关模式电源的一个单独实施例，其中所述初级绕组的第一端电连接到电容器并且所述初级绕组的第二端电连接到开关装置。
根据上述开关模式电源的一个单独实施例，其中所述辅助绕组的第一端通过整流器电连接到电容器并且所述辅助绕组的第二端电连接到电源轨。
根据上述开关模式电源的一个单独实施例，其中所述平面变压器还包括第三层，所述第三层包括形成所述平面变压器的屏蔽绕组的绕组迹线，并且其中所述屏蔽绕组的第一端电连接到电容器而所述屏蔽绕组的第二端断开。
本实用新型公开了一种具有多层PCB的平面变压器。
虽然已经提供了本实用新型的具体实施方案，但是应当理解，这些实施方案只是出于举例说明的目的而非进行限制。许多另外的实施方案对于本领域的普通技术人员来说在阅读本公开内容后将是显而易见的。

Claims (10)

1.一种平面变压器，其特征在于包括：
磁芯；和
多层电路板，所述电路板的第一层包括第一绕组迹线和第二绕组迹线，所述电路板的第二层包括第三绕组迹线，并且所述电路板的第三层包括第四绕组迹线，其中所述第一层上的所述第一绕组迹线和所述第二层上的所述第三绕组迹线电连接以形成所述平面变压器的第一绕组，并且所述第一层上的所述第二绕组迹线形成所述平面变压器的第二绕组。
2.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于所述第一层上的所述第一绕组迹线和所述第二层上的所述第三绕组迹线形成所述平面变压器的初级绕组。
3.根据权利要求2所述的平面变压器，其特征在于所述第一层上的所述第一绕组迹线和所述第二层上的所述第三绕组迹线具有不同的匝数。
4.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于所述第一层上的所述第一绕组迹线和所述第二层上的所述第三绕组迹线形成所述平面变压器的初级绕组，并且所述第一层上的所述第二绕组迹线形成所述平面变压器的辅助绕组。
5.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于所述第一绕组迹线和所述第二绕组迹线具有相同的匝数。
6.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于所述第三层还包括第五绕组迹线，所述第五绕组迹线形成所述平面变压器的屏蔽绕组。
7.根据权利要求6所述的平面变压器，其特征在于所述第一层上的所述第一绕组迹线电连接到所述第三层上的所述第四绕组迹线以形成所述平面变压器的初级绕组。
8.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于还包括次级绕组。
9.根据权利要求8所述的平面变压器，其特征在于所述次级绕组包括不是所述多层电路板的一部分的电线。
10.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于所述多层电路板具有穿过所述第一层、所述第二层和所述第三层的开口，并且所述磁芯的一部分穿过所述开口突出。
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