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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine modularisierte Planarwindung, insbesondere ein Planarwindungsmodul zur Verwendung in Planartransformatoren. Die vorliegende Erfindung stellt ein aus mehreren Ebenen und mehreren Windungen gebildetes Planarwindungsmodul bereit, das modularisiert und leicht mit einer weiteren Windung oder einem weiteren Windungsmodul verbindbar ist. Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen Planartransformator bereit, der das erfindungsgemäße Planarwindungsmodul umfasst.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein Transformator ist eine wichtige Komponente für verschiedenste Arten von elektronischen Produkten. Herkömmliche Transformatoren sind groß und schwer und daher in den meisten, heutzutage verwendeten elektronischen Komponenten nicht verwendbar. Daher wurden Planartransformatoren erfunden, um eine Möglichkeit der Verkleinerung und der Oberflächenmontage eines Transformators zu schaffen. Ein Planartransformator umfasst mehrere Lagen von Leiterplatinen mit Wicklungswindungen aus leitenden Blechen wie etwa Kupferblechen, die die Dicke der Windungen verringern. Ein solcher Planartransformator wird vielfach in Komponenten auf Gebieten der Kommunikation, der Computertechnik, der Industriesteuerungen, des Flugzeugbaus, der Medizintechnik etc. verwendet. Da jedoch als Substrat für die Windungen die Leiterplatine verwendet wird, sind herkömmliche Planartransformatoren zu dick und ineffizient und haben neben einem hohen Widerstand ein schlechtes Rauschverhalten. Daher benötigt die Industrie dünne und effiziente Planartransformatoren.
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Das taiwanesische Patent Nr.
TW I 387981 offenbart einen Planartransformator, der eine einzige, mehrlagige Leiterplatine (PCB) umfasst. Die PCB umfasst mehrere Primärwicklungen, mehrere Sekundärwicklungen und ein Durchgangsloch zum Aufnehmen eines Kerns. Dieses Patent bietet die Möglichkeit, mehrere Wicklungslagen in einer PCB übereinander anzuordnen, was die Dicke des Transformators stark verringert. Die in diesem Patent offenbarte Struktur ist im Wesentlichen identisch mit der der herkömmlichen Planartransformatoren, mit der Ausnahme, dass die PCBs in den herkömmlichen Planartransformatoren durch dünne Schaltungslagen ersetzt sind.
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Das taiwanesische Patent Nr.
TW I 357086 offenbart einen Transformator, der in einer PCB angeordnet ist. Der Transformator umfasst eine erste Planarwindung und eine zweite Planarwindung, wobei die erste Windung mehrere erste Schleifen und die zweite Windung mehrere zweite Schleifen umfasst. Wenigstens zwei benachbarte erste Schleifen bilden eine erste Gruppe von Windungen, und wenigstens zwei benachbarte zweite Schleifen bilden eine zweite Gruppe von Windungen. Die Schleifen der ersten Gruppe und die der zweiten Gruppe greifen teilweise ineinander.
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Das chinesische Patent Nr.
CN 103081044 A offenbart ebenfalls einen Planartransformator. Der Transformator umfasst mehrere einlagige, einschleifige Windungen. Eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung sind aus den einlagigen Windungen gebildet.
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Das europäische Patent
EP 2 602 801 A1 offenbart einen Planartransformator mit einer Sekundärwicklung, die mehrere einlagige, einschleifige Windungslagen umfasst. Die Primärwicklung ist aus einem Draht gebildet, der spiralförmig entlang der Sekundärwicklung gewunden ist.
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Die deutsche Patentanmeldung Nr.
DE 10 2012 003 365 A1 offenbart einen Planartransformator, der Wicklungen in Form einer einlagigen und mehrschleifigen planaren oder ebenen Struktur (im Folgenden „Planarstruktur” bezeichnet) gebildet ist. Ein Endabschnitt der inneren Schleife ist so gebogen, dass er sich durch ein Durchgangsloch, das in der Mitte eines Substrats ausgebildet ist, auf dem die planare Struktur angeordnet ist, zur entgegengesetzten Seite des Substrats erstreckt.
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Das europäische Patent Nr.
EP 2 637 183 A2 offenbart einen Planartransformator, der einlagige und einschleifige Windungslagen als seine Wicklungen umfasst. Die Windungslagen erstrecken sich derart, dass sie Kontaktierungselemente bilden, die als Verbindungsstifte zur Verbindung mit einer weiteren Schicht oder weiteren Elektroden dienen.
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Die
US-Patentoffenlegungsschrift Nr. US 2013/278371 A1 offenbart einen Planartransformator mit mehreren einlagigen Planarwindungen. Mehrere Windungen sind durch Verbindungsstifte vertikal verbunden und positioniert, um Windungen aus mehreren Schleifen zu bilden.
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Die
WO 0070926 A1 offenbart einen Planartransformator mit Wicklungen aus einem einzigen Element. Eine Platte aus leitendem Material (Blech) ist so ausgelegt, dass, wenn es gebogen wird, eine mehrlagige und einschleifige Windungsanordnung gebildet ist. Die Lagen sind durch Flachstecker in Form von Kontaktierungselementen gebildet.
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Aus der Offenbarung dieser und weiterer Patent- und Nichtpatentdruckschriften geht hervor, dass die Industrie große Anstrengungen zur Entwicklung von Planartransformatoren unternommen hat, um deren Dicke zu verringern und deren Leistung zu erhöhen. Jedoch bleibt die Struktur der so entwickelten Planartransformator die gleiche wie die der PCB. Die meisten Lösungen bestehen aus einem Zusammenbau von einlagigen Windungen oder Windungslagen als ihren Einheiten. Die Verbindungen zwischen zwei Windungen oder Lagen sind speziell ausgelegt, so dass sie nur für bestimmte Windungsstrukturen, d. h. Windungsanordnungen mit einer bestimmten Anzahl von Lagen und Wicklungen geeignet sind. Keine von ihnen besitzt ein modulares Design der Windungen, so dass Windungsmodule mit standardisierten Schnittstellen selektiv zusammengebaut werden könnten, um Windungsanordnungen zu bilden, die den verschiedenartigen Erfordernissen der Industrie genügen.
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Aufgaben der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modularisierte, mehrlagige und mehrschleifige Planarwindung bereitzustellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Planarwindungsmodul bereitzustellen, das die Bildung von Planarwindungsanordnungen aus einer ausgewählten Anzahl von Lagen und Schleifen von Windungen unterstützt.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Planartransformator bereitzustellen, der ein modularisiertes Planarwindungsmodul umfasst.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Planarwindungsmodul bereitzustellen, das leicht herzustellen und zur Oberflächenmontage geeignet ist, sowie einen Planartransformator, der dieses verwendet.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein neues Planarwindungsmodul in Form einer mehrlagigen, mehrschleifigen Planarwindungsanordnung bereitgestellt. Das Planarwindungsmodul umfasst eine erste Planarwindung, eine zweite Planarwindung und einen Verbindungsabschnitt, um die ersten und die zweite Planarwindung in Reihe zu schalten. In dem erfindungsgemäßen Planarwindungsmodul umfassen die erste und die zweite Windung jeweils eine äußere Schleife und eine innere Schleife, die in Reihe geschaltet in einem ersten Abstand voneinander angeordnet sind. Die inneren Schleifen der ersten und der zweiten Planarwindung sind durch den Verbindungsabschnitt miteinander verbunden. Die erste und die zweite Planarwindung sind in zwei in einem zweiten Abstand benachbarten Ebenen angeordnet. Die äußeren Schleifen der ersten und der zweiten Planarwindung weisen jeweils einen von der inneren Schleife entfernten äußeren Endabschnitt auf. Die äußeren Endabschnitte stehen ab, um ein Kontaktierungselement zu bilden, wobei das Kontaktierungselement der ersten Planarwindung bei einer ersten Position an einem Umfang einer imaginären geometrischen Form, die die zwei Planarwindungen umschließt, angeordnet ist, und das Kontaktierungselement der zweiten Planarwindung bei einer von der ersten Position beabstandeten zweiten Position an dem Umfang der geometrischen Form angeordnet ist. Die zwei Kontaktierungselemente erstrecken sich in einer Höhenrichtung auf die gleiche Höhe oder auf unterschiedliche Höhen.
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In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die geometrische Form ein Rechteck, das die zwei Planarwindungen umschließt, während in weiteren Ausführungsformen die geometrische Form ein Polygon oder ein Kreis ist, das/der die zwei Planarwindungen umschließt.
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In einigen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Planarwindungsmodul ferner eine Isolierungsplatte, die zwischen der ersten und der zweiten Windung angeordnet ist. Die Isolierungsplatte kann eine Aussparung zum eingreifenden Aufnehmen des Verbindungsabschnitts umfassen.
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In einigen Ausführungsformen werden die erste Planarwindung, die zweite Planarwindung und der Verbindungsabschnitt aus einem einstückigen Werkstück hergestellt. In weiteren Ausführungsformen werden jedoch die erste Planarwindung und die zweite Planarwindung voneinander getrennt hergestellt und in einem späteren Schritt durch den Verbindungsabschnitt miteinander verbunden. In solchen Ausführungsformen kann der Verbindungsabschnitt aus einem Schweißmaterial oder einem elektrisch Klebemittel gebildet sein.
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In einigen Ausführungsformen bilden die erste und die zweite Windung jeweils eine kreisförmige Spirale. In solchen Ausführungsformen bilden die innere Schleifen und die äußeren Schleifen der ersten und der zweiten Planarwindung jeweils im Wesentlichen eine Schleife. In weiteren Ausführungsformen bilden die erste und die zweite Windung jeweils eine nicht-kreisförmige Spirale, wie etwa eine rechteckige Spirale, eine hexagonale Spirale, eine oktagonale Spirale, oder andere Polygone. In solchen Ausführungsformen bilden die inneren Schleifen und die äußeren Schleifen der ersten und der zweiten Planarwindung jeweils im Wesentlichen eine Schleife.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Planarwindungsanordnung bereitgestellt, die zwei Planarwindungsmodule der vorliegenden Erfindung wie es oben beschrieben ist umfasst. In der Anordnung ist das Kontaktierungselement der ersten Planarwindung eines zweiten Planarwindungsmoduls bei der zweiten Position an einem Umfang der geometrischen Form angeordnet, und das Kontaktierungselement der zweiten Planarwindung des zweiten Planarwindungsmoduls ist an einer von der ersten und der zweiten Position beabstandeten dritten Position an dem Umfang der geometrischen Form angeordnet. Die zwei Planarwindungsmodule sind bei der zweiten Position verbunden.
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Ein Planartransformator, der das modularisierte Planarwindungsmodul der vorliegenden Erfindung verwendet, kann ein erstes Planarwindungsmodul gemäß der vorlegenden Erfindung, ein drittes Planarwindungsmodul, das mit dem ersten Planarwindungsmodul einen Stapel bildet, und einen Kern umfassen. Der Kern erstreckt sich senkrecht zu der Ebene der zwei Planarwindungsmodule und durch den mittleren Abschnitt der zwei Windungsmodule. Das dritte Planarwindungsmodul umfasst wenigstens eine Planarwindung oder Planarwindungslage. Der Planartransformator kann ferner ein Gehäuse umfassen, das den Kern und die Windungsabschnitte der zwei Planarwindungsmodule umschließt.
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In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Planartransformator ferner ein zweites Planarwindungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen, das bei der zweiten Position mit dem ersten Planarwindungsmodul in Reihe geschaltet ist. Er kann ferner ein viertes Planarwindungsmodul umfassen, das mit dem ersten und dem zweiten Planarwindungsmodul einen Stapel bildet. Das vierte Planarwindungsmodul umfasst wenigstens eine Planarwindung oder Windungslage. In solchen Ausführungsformen ist wenigstens entweder das dritte oder das vierte Planarwindungsmodul zwischen dem ersten und dem zweiten Planarwindungsmodul angeordnet.
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Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klar aus der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Struktur eines Planartransformators mit einem modularisierten Planarwindungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des modularisierten Planarwindungsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des modularisierten Planarwindungsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt ein Beispiel einer Verbindung von zwei modularisierten Planarwindungsmodulen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Nachfolgend sind einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die ausführliche Beschreibung lediglich der beispielhaften Darstellung und Erläuterung von bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung dient, ohne den Schutzbereich dadurch zu beschränken.
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1 zeigt die Struktur eines Planartransformators, der ein modularisiertes Planarwindungsmodul der vorliegenden Erfindung umfasst. Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst der Planartransformator 1 von oben nach unten die folgenden Komponenten: Ein oberes Gehäuse 71, eine Isolierungsplatte 73, eine erste Windungslage 30, eine Isolierungsplatte 74, ein erstes Planarwindungsmodul 10, eine Isolierungsplatte 75, eine zweite Windungslage 40, eine Isolierungsplatte 76, eine dritte Windungslage 50, eine Isolierungsplatte 77, ein zweites Planarwindungsmodul 20, eine Isolierungsplatte 78, eine vierte Windungslage 60, eine Isolierungsplatte 79, ein unteres Gehäuse 72 und einen Kern, der sich durch die mittleren Abschnitte der Windungslagen, der Windungsmodule und der Isolierungsplatten erstreckt. In der in 1 gezeigten Struktur sind die erste Windungslage 30, die zweite Windungslage 40, die dritte Windungslage 50 und die vierte Windungslage 60 in Reihe geschaltet, um eine Sekundärwicklung des Transformators 1 zu bilden. Das erste Planarwindungsmodul 10 und das zweite Planarwindungsmodul 20 sind in Reihe geschaltet und bilden eine Primärwicklung des Transformators 1. Natürlich sind in dieser Struktur die erste und die zweite Wicklung austauschbar. Nachfolgend bezeichnet der Ausdruck ”Primärwicklung” das erste Planarwindungsmodul 10 und/oder das zweite Planarwindungsmodul 20 und der Ausdruck ”Sekundärwicklung” die Gesamtheit oder einen Teil der ersten Windungslage 30, der zweiten Windungslage 40, der dritten Windungslage 50 und der vierten Windungslage 60. Daher sind in der nachfolgenden Beschreibung die Inhalte der Ausdrücke ”Primärwicklung” und ”Sekundärwicklung” nicht genau festgelegt und repräsentieren jeweils eine echte Teilmenge der oben genannten Elemente des Transformators.
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Wie es ferner in 1 gezeigt ist, umfasst die Primärwicklung zwei doppellagige, doppelschleifige Planarwindungsmodule 10 und 20. Anderseits umfasst die Sekundärwicklung vier einlagige, einschleifige Planarwindungslagen. Dem Fachmann ist klar, dass die Sekundärwicklung eine beliebige Anzahl von Planarwindungslagen, allein oder in Kombination mit einem Planarwindungsmodul oder mehreren Planarwindungsmodulen wie etwa die Planarwindungsmodul 10, 20 umfassen kann. Es gibt in diesen Ausführungsformen keine Begrenzung hinsichtlich der Anzahl der Primärwicklungen und der Anzahl der Sekundärwicklungen. Zum Beispiel kann ein Planartransformator ein Planarwindungsmodul als seine Primärwicklung und eine Planarwindungslage oder zwei Planarwindungslagen als seine Sekundärwicklung umfassen. Es ist ferner möglich, dass er zwei Planarwindungsmodule als seine Primärwicklung und eine Planarwindungslage oder zwei Planarwindungslagen als seine Sekundärwicklung umfasst. Vorzugsweise durchdringen sich die Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, d. h. sie sind ineinander geschachtelt, um so die Leistung des Transformators zu erhöhen. Isolierungsplatten können zwischen jeweils zwei Windungslagen angeordnet sein. Natürlich ist es möglich, eine Isolierung in anderer Form vorzusehe, wie etwa Isolierungsschichten auf der Oberfläche der Windungen. Es gibt keine Beschränkungen hinsichtlich der Materialien für die Isolierungsplatten oder Isolierungslagen. Es können im Handel erhältliche Materialien verwendet werden, solange sie einfach zu verarbeiten sind und eine ausreichende Isolierungswirkung bieten. Wenn Isolierungsplatten verwendet werden, sollten diese einerseits nicht zu dick sein, um die Induktion der Windungen zu gewährleisten, und andererseits nicht zu dünn sein, um die Isolierungswirkung zu gewährleisten.
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In der oben beschriebenen Struktur können Windungen der Sekundärwicklung in jeder geeigneten Form in Reihe geschaltet sein. Die Planarwindungsmodule 10, 20 der Primärwicklung sind zwei Beispiele des modularisierten Planarwindungsmoduls der vorliegenden Erfindung. Wie es in 1 gezeigt ist, haben die Planarwindungsmodule 10, 20 jeweils zwei Kontaktierungselemente 11, 12 bzw. 21, 22 (vgl. die 2 und 3), die von den Modulen abstehen. Ferner haben die Windungslagen 30, 40, 50, 60 jeweils zwei Kontaktierungselemente, die von den Windungen abstehen, auf und zwar einer Seite, die der Seite gegenüberliegt, auf der die Kontaktierungselemente 11, 12 und 21, 22 der Planarwindungsmodule 10 bzw. 20 abstehen. Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Es ist möglich, alle oder einen Teil der Kontaktierungselemente der Primärwicklung auf der Seite anzuordnen, wo alle oder ein Teil der Kontaktierungselemente der Sekundärwicklung angeordnet sind/ist.
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Die Komponenten werden zusammengebaut, um einen Planartransformator 1 zu bilden. In dem Transformator 1 umschließen das obere Gehäuse 71 und das untere Gehäuse 72 den Kern 70, die Windungsabschnitte der Planarwindungsmodule 10, 20 und die Windungslagen 30, 40, 50, 60. Die Gehäuse 71, 72 schützen den Transformator 1 nicht nur, sondern bieten auch eine EMR-Abschirmung. Drei Kontaktierungselemente 11, 21, 22 des Planarwindungsmodule 10, 20 (vgl. die 2 und 3) und einige Kontaktierungselemente der Windungslagen 30, 40, 50, 60 sind gebogen, um Löt-Kontaktierungselemente zu bilden, so dass der Planartransformator 1 unter Verwendung der Oberflächenmontage(SMT)-Technik auf einer Schaltungsplatine befestigt werden kann.
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In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Planarwindungsmodule 10, 20 und die Windungslagen 30, 40, 50, 60 aus Materialien hoher Leitfähigkeit hergestellt. Geeignete Materialien umfassen alle Arten von Metallen oder Legierungen wie etwa Kupfer, Silber, Messing etc. Andererseits kann der Kern 70 jeder im Handel erhältliche Kern sein. Das Material, die Form und die Größe des Kerns 70 können vom Fachmann in Abhängigkeit von den Erfordernissen und Bedingungen der jeweiligen Anwendung bestimmt werden. Hinsichtlich der Form des Gehäuses des Transformators gibt es keine Beschränkungen. Ferner kann in der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse aus einem einzelnen Werkstück oder ein Gehäuse aus mehr als zwei Elementen verwendet werden. Wenn es erforderlich ist, kann entweder das obere Gehäuse oder das untere Gehäuse weggelassen werden. Es ist ferner möglich, eine Lage oder mehr als eine Lage des oberen Gehäuses und/oder des unteren Gehäuses zu verwenden. Aus technischer Hinsicht gibt es natürlich keine Beschränkung.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des modularisierten Planarwindungsmoduls der vorliegenden Erfindung. Das in 2 gezeigte Planarwindungsmodul entspricht dem Planarwindungsmodul 10 von 1. Das Planarwindungsmodul 10 umfasst eine erste Planarwindung 13, eine zweite Planarwindung 14 und einen Verbindungsabschnitt 15, der die erste Planarwindung 13 mit der zweiten Planarwindung 14 verbindet. Die erste Planarwindung 13 und die zweite Planarwindung 14 sind in zwei in einem vorbestimmten Abstand benachbarten Ebenen angeordnet. In dieser Ausführungsform bilden die erste Planarwindung 13, die zweite Planarwindung 14 und der Verbindungsabschnitt 15 ein zusammenhängendes Materialstück, vorzugsweise aus einem Material hoher Leitfähigkeit. Geeignete Materialien umfassen alle Arten von Metallen und Legierungen, wie etwa Kupfer, Silber, Messing etc. Jedoch stellt dies keine technische Beschränkung dar. Das eine Materialstück, das die erste Planarwindung 13, die zweite Planarwindung 14 und den Verbindungsabschnitt 15 bildet, kann durch jede geeignete Metallverarbeitungstechnik hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Beschichten, Niedrigtemperaturformgebung, Hochtemperaturformgebung, Schneiden, Pressen, Ätzen oder eine beliebigen Kombination daraus.
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Die erste Planarwindung 13, die zweite Planarwindung 14 und der Verbindungsabschnitt 15 können jedoch auch getrennt hergestellt werden. Zum Beispiel können die erste Planarwindung 13 und die zweite Planarwindung 14 getrennt hergestellt und mit Hilfe des Verbindungsabschnitts 15 verbunden werden. In solchen Ausführungsformen kann der Verbindungsabschnitt 15 ein Schweißmaterial oder ein leitendes Klebematerial sein. Wenn ein solcher Ansatz verwendet wird, muss aufgepasst werden, dass die Reihenschaltung aus der ersten Planarwindung 13 und der zweiten Planarwindung 14 durch den Verbindungsabschnitt 15 gewährleistet ist.
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2 zeigt ferner, dass die erste Planarwindung 13 und die zweite Planarwindung 14 jeweils eine äußere Schleife 131 bzw. 141 und eine innere Schleife 132 bzw. 142, umfassen, die in Reihe geschaltet sind und einen vorbestimmten Abstand voneinander haben. Obwohl in dieser Ausführungsform jede Planarwindung zwei Schleifen umfasst, stellt dies keine technische Beschränkung dar. Es ist möglich, mehr als zwei Schleifen in jeder der Planarwindungen 13 und 14 zu verwenden. Insbesondere wird die Anzahl der Schleifen in Abhängigkeit von bestimmten Faktoren wie etwa einer Umwandlungsrate, einer Breite der Schleife, eines Abstands zwischen benachbarten Schleifen und/oder einem Durchmesser des Kerns 70 bestimmt. Ferner können die Breite, die Dicke und selbst die Form einer jeweiligen Schleife in Abhängigkeit von Bedingungen der jeweiligen Anwendung bestimmt werden. Allgemein sind die Wicklungen vorzugsweise aus planaren oder ebenen Schleifen gebildet, um so Material zu sparen und den Herstellungsprozess der Wicklungen zu erleichtern.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform verbindet der Verbindungsabschnitt 15 die innere Schleifen 132, 142 der zwei Planarwindungen 13, 14 wodurch sich die Schleifen der zwei Planarwindungen 13, 14 in die gleiche Richtung erstrecken können. Das heißt, die erste Planarwindung 13 und die zweite Planarwindung 14 sind in Reihe geschaltet, in zwei benachbarten Ebenen angeordnet und voneinander beabstandet.
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Bei den äußeren Schleifen 131, 141 der zwei Planarwindungen 13, 14 stehen an einem von ihren inneren Schleifen 132, 142 entfernten Endabschnitt die Windungen ab, so dass sie jeweils ein Kontaktierungselement 11 bzw. 12 bilden. Gemäß der vorliegenden Erfindung steht das Kontaktierungselement 11 der ersten Planarwindung 13 bei einer ersten Position P1 an einem Umfang einer imaginären geometrischen Form, die die zwei Planarwindungen umschließt, ab, und das Kontaktierungselement 12 der zweiten Planarwindung 14 steht bei einer von der ersten Position P1 beabstandeten zweiten Position P2 an einem Umfang der imaginären geometrischen Form ab. Insbesondere kann die ”imaginäre geometrische Form” ein Rechteck sein, das die von den Planarwindungen eingenommenen Bereiche umschließt. Zum Beispiel kann die imaginäre geometrische Form ein Rechteck sein, das durch das obere Gehäuse 71 und das untere Gehäuse 72 auf eine Ebene projiziert wird, wo die Kontaktierungselemente 11, 12 abstehen, wie es in 4 gezeigt ist. In einem solchen Fall stehen die Kontaktierungselemente 11 und 12 an einer ersten Position P1 bzw. einer zweiten Position P2 auf einer Seite oder auf zwei Seiten des Rechtecks ab, wie es in 4 gezeigt ist. Wenn die SMT-Technik verwendet wird, sind die erste Position P1 und die zweite Position P2 an Positionen unterschiedlicher Bonding-Kontaktierungselemente des Planartransformator angeordnet. In weiteren Ausführungsformen kann die imaginäre geometrische Form ein Kreis oder ein Polygon sein, der die von den Planarwindungsmodulen eingenommenen Räume umschließt, da die imaginäre geometrische Form jede Form haben kann, die die Anwendung des Planartransformators unterstützt. Die Kontaktierungselemente 11, 12 können gebogen sein, um so Bonding-Kontaktierungselemente zur Verwendung in dem SMT-Prozess zu bilden. Ferner kann eines oder mehrere der Kontaktierungselemente 11, 12 quer abstehen, um große Bonding-Kontaktierungselemente zu bilden und so als Sicherung und/oder zur Wärmeabstrahlung zu dienen. In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist jedes der Kontaktierungselemente 11, 12 bei einer der Positionen angeordnet, wo Bonding-Kontaktierungselemente der Standard-Oberflächebefestigungsvorrichtung (SMD) angeordnet sind.
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In 2 ist sowohl die erste Planarwindung 13 als auch die zweite Planarwindung 14 eine kreisförmige Spirale, d. h. sie besitzen beide eine kreisförmige Kontur. Ein solches Design bietet einen relativ höheren Umwandlungswirkungsgrad. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf spiralförmige oder kreisförmige Windungen beschränkt. Andere Windungsformen wie etwa rechteckige oder polygonale Spiralen, die im Stand der Technik verwendet werden, können auch in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In den Windungen von 2 bilden die inneren Schleifen 132, 142 und die äußeren Schleifen 131, 141 der ersten bzw. zweiten Planarwindung 13, 14 jeweils im Wesentlichen eine Schleife. Ein solches Design gewährleistet den größtmöglichen Wicklungswinkel der Schleifen. Natürlich stellt dies keine technische Beschränkung dar. In weiteren Ausführungsformen bilden die erste und die zweite Windungslagen jeweils eine nicht-kreisförmige Spirale, z. B. eine polygonale Spirale wie etwa eine rechteckige Spirale, eine hexagonale Spirale, eine oktagonale Spirale etc. In solchen Ausführungsformen bilden die inneren Schleifen 132, 142 und die äußere Schleifen 131, 141 der ersten bzw. zweiten Planarwindung 13, 14 jeweils im Wesentlichen eine Schleife, um so größtmögliche Wicklungswinkel zu erhalten.
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In der Ausführungsform von 2 umfasst das Planarwindungsmodul 10 ferner eine Isolierungsplatte 16, die zwischen der ersten Planarwindung 13 und der zweiten Planarwindung 14 angeordnet ist, um die zwei Planarwindungen 13, 14 elektrisch zu isolieren. Das Material, die Größe und die Dicke der Isolierungsplatte 16 sind gleich oder ähnlich wie die der Isolierungsplatten 74–79. Eine Aussparung 17 ist in der Isolierungsplatte 16 ausgebildet, in die der Verbindungsabschnitt 15 einführbar ist, um so ein stabiles Planarwindungsmodul 10 zu bilden. Die Aussparung 17 kann sich bis zu einer Tiefe erstrecken, die von der Anwendung bestimmt wird. Jedoch erstreckt sich die Aussparung 17 vorzugsweise nicht bis zu dem Loch 18 in der Mitte der Isolierungsplatte 16.
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Wenn erforderlich können Klebemittel auf eine Oberfläche oder auf beide Oberflächen der Isolierungsplatte 16 aufgebracht werden, um die erste Planarwindung 13 und/oder die zweite Planarwindung 14 auf der Isolierungsplatte 16 zu befestigen. Ferner kann, wenn gewünscht, eine Isolierungsschicht (nicht gezeigt) auf die Windungsoberfläche der ersten Planarwindung 13 und/oder der zweiten Planarwindung 14 aufgebracht werden, um so die Isolierung der Windungen zu verbessern.
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In zusammengebautem Zustand werden die Windungen des Planarwindungsmoduls 10 vorzugsweise von den Windungen der Windungslagen 30, 40 (1) überlappt. Natürlich ist eine Anordnung möglich, bei der die Windungen der Primärwicklung gegenüber denen der Sekundärwicklung versetzt sind oder ineinandergreifen.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des modularisierten Planarwindungsmoduls der vorliegenden Erfindung. Wie es in 3 gezeigt ist, entspricht das Planarwindungsmodul dieser Ausführungsform dem Planarwindungsmodul 20 in 1. Die Struktur des Planarwindungsmoduls 20 ist im Wesentlichen mit der des Planarwindungsmoduls 10 identisch, mit der Ausnahme, dass die Kontaktierungselemente 21, 22, die von seinen äußeren Schleifen 231, 241 an von den inneren Schleifen 232, 242 beabstandeten Endabschnitten abstehen, an einer zweiten Position P2 an einem Umfang einer imaginären geometrischen Form, die die zwei Planarwindungen umschließt, bzw. einer von der zweiten Position P2 beabstandeten dritten Position P3 an einem Umfang der imaginären geometrischen Form angeordnet sind (4). In dem Beispiel von 4 ist die imaginäre geometrische Form ein Rechteck, das sich mit dem oberen Gehäuse 71 und dem unteren Gehäuse 72 in einer Ebene deckt. In einem solchen Fall stehen die Kontaktierungselemente 21, 22 an der zweiten Position P2 bzw. der dritten Position P3 auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Rechtecks ab. Mit anderen Worten, die zweite Position P2 relativ zu der imaginären geometrischen Form ist die Position, an der das Kontaktierungselement 12 der zweiten Planarwindung 14 in 2 absteht. Bei der Verwendung in der SMT-Technik sind die zweite Position P2 und die dritte Position P3 jeweils an einer Position angeordnet, die einem Bonding-Kontaktierungselement des Planartransformators entspricht. Gemäß der vorliegenden Erfindung können sich, wenn zwei Planarwindungsmodule jeweils ein Kontaktierungselement besitzen, das bei der gleichen Position relativ zu der imaginären geometrischen Form angeordnet ist, die zwei Kontaktierungselemente überlappen, um so die zwei Module elektrisch in Reihe zu schalten.
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4 zeigt ein Beispiel der Verbindung von zwei Planarwindungsmodulen der vorliegenden Erfindung. In 4 repräsentiert das Quadrat in gepunkteten Linien eine mögliche Form eines Planartransformators in einem Gehäuse mit zwei Planarwindungsmodulen der vorliegenden Erfindung. Wie es in 4 gezeigt ist, bilden die zwei Planarwindungsmodule 10, 20 in zusammengebautem Zustand einen Stapel, wobei sie einen vorbestimmten Abstand voneinander aufweisen, und die Kontaktierungselemente, die bei der gleichen Position relativ zu der imaginären geometrischen Form, d. h. dem Rechteck in gepunkteten Linien, abstehen, überlappen sich und sind befestigt. Auf diese Weise erhält man eine Anordnung aus zwei Planarwindungsmodulen. Jedes im Handel verfügbare Verfahren kann zum Befestigen der Planarwindungsmodule verwendet werden. Geeignete Verfahren umfassen Schweißen, Kleben, Kaltschmieden, Verschmelzen, etc., solange eine elektrische Verbindung zwischen den Planarwindungsmodulen gewährleistet ist. 4 zeigt ferner, dass das Kontaktierungselement 11 des Planarwindungsmoduls 10 und die Kontaktierungselemente 21, 22 des Planarwindungsmoduls 20 jeweils gebogen sind und ferner abstehen, um Bonding-Kontaktierungselemente zu bilden und somit Kontakte mit in den Schaltungsplatinen angeordneten Schweiß-Kontaktierungselemente zu erleichtern. Da der Abstand zwischen dem das Planarwindungsmodul 10 und der Schaltungsplatine relativ groß ist, erstrecken sich seine Kontaktierungselemente 11, 12 relativ weit in der Höhenrichtung.
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Da der Abstand zwischen dem Planarwindungsmodul 20 und der Schaltungsplatine relativ klein ist, sind seine Kontaktierungselemente 21, 22 in der Höhenrichtung kürzer. Dadurch können sie sich bis zur selben Ebene/Höhe erstrecken. Da ferner das Kontaktierungselement 12 des Planarwindungsmoduls 10 lediglich dazu dient, das Kontaktierungselement 21 des Planarwindungsmoduls 20 zu überlappen, ist es nicht gebogen, um ein Schweiß- Kontaktierungselement zu bilden.
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In dem in 4 gezeigten konkreten Beispiel ist die Reihenschaltung (in dieser Reihenfolge) gebildet aus: Von dem Kontaktierungselement 11 bei der ersten Position P1 über die äußere Schleife 131, die innere Schleife 132, beide in der ersten Planarwindung 13 des Planarwindungsmoduls 10 und im zweitobersten Niveau in 4, die innere Schleife 142, die äußere Schleife 141, beide in der zweiten Planarwindung 14 des Planarwindungsmoduls 10 und im obersten Niveau in 4, das Kontaktierungselement 12 bei der zweiten Position P2, das überlappte Kontaktierungselement 21 des zweiten Planarwindungsmoduls 20 bei der zweiten Position P2, die äußere Schleife 231 und die innere Schleife 232 der ersten Planarwindung 23 im untersten Niveau in 4 und die innere Schleife 242 und die äußere Schleife 24 der zweiten Planarwindung 24 im dritten Niveau in 4 zum Kontaktierungselement 22 bei der dritten Position P3.
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Wenn das Planarwindungsmodul 10 und das Planarwindungsmodul 20 in Reihe geschaltet sind, erhält man eine Windungsstruktur aus 4 Lagen von Doppelschleifen. Drei Bonding-Kontaktierungselemente zum elektrischen Verbinden mit Schweiß-Kontaktierungselementen einer Schaltungsplatine unter Verwendung der SMT-Technik oder einer anderen Technik sind in der Windungsstruktur angeordnet. Natürlich kann, wenn nur zwei Bonding-Kontaktierungselemente benötigt werden, das Bonding-Kontaktierungselement 21 weggelassen werden, wodurch das Kontaktierungselement 21 einfach dazu dient, das Kontaktierungselement 12 zu überlappen. Jedoch ist das Bonding-Kontaktierungselement vorzugsweise vorgesehen, um die Struktur der Planarwindungsanordnung zu stabilisieren, selbst wenn eine elektrische oder elektronische Verbindung nicht notwendig ist.
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Es ist klar, dass das in 4 gezeigte Beispiel nur eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Da die vorliegende Erfindung eine modularisierte Struktur der Planarwindung vorschlägt, hat jedes Planarwindungsmodul eine im Wesentlichen identische Hauptkörperstruktur. Die modularisierte Struktur bietet Entwicklern die Möglichkeit, durch Ändern von nur bestimmten Faktoren des Moduls wie etwa der Position und der Länge/Höhe der Kontaktierungselemente in Abhängigkeit von den Notwendigkeiten der jeweiligen Anwendung eine Vielfalt von Planarwindungsmodulen zu entwickeln. Auf diese Weise können leicht Planarwindungsmodule mit einer unterschiedlichen Anzahl von Lagen und Schleifen gewonnen werden. Zum Beispiel kann eine Verbindung der Planarwindungen in einer Reihenfolge vom obersten Niveau, zum zweiten Niveau, zum dritten Niveau und zum untersten Niveau oder jede andere Verbindung erzeugt werden. Ferner können Kontaktierungselemente 11, 12 des Planarwindungsmoduls 10 verlängert werden, um jede Anzahl von Lagen von Windungen oder weitere elektronische Komponenten zwischen den zwei Planarwindungen aufzunehmen.
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Wie es oben beschrieben ist, stellt die vorliegende Erfindung eine modularisierte Struktur für die Planarwindungen bereit. Das modularisierte Planarwindungsmodul ist eine mehrlagige, mehrschleifige Struktur und bietet einen großen Entwicklungsspielraum zur Auslegung des Planarwindungsmoduls. Die Windungen der Planarwindungsmodule können jeweils leicht aus einem einstückigen Werkstück hergestellt werden und sind leicht herzustellen und zusammenzubauen. Die modularisierten Kontaktierungselemente der Planarwindungen bieten die Möglichkeit, mehrere Planarwindungen in Reihe zu schalten. Die Erfindung ermöglicht es einem Entwickler, ein Planarwindungsmodul mit der nötigen Anzahl von Lagen und/oder Schleifen zu entwickeln. Keine gedruckte Schaltungsplatine ist für die Herstellung des erfindungsgemäßen Planarwindungsmoduls nötig. Die Dicke und die Anschlussfläche des Planartransformators sind somit sehr stark verringert. Da ein mehrlagiges, mehrschleifiges Planarwindungsmodul als ein einzelnen Materialstück hergestellt werden kann, ist der Widerstand des Moduls verringert und die Leistung somit erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- TW 387981 I [0003]
- TW 357086 I [0004]
- CN 103081044 A [0005]
- EP 2602801 A1 [0006]
- DE 102012003365 A1 [0007]
- EP 2637183 A2 [0008]
- US 2013/278371 A1 [0009]
- WO 0070926 A1 [0010]
