DE4135979A1 - Planarer transformator fuer hybride integrierte schaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Miniatur-Transformato­ ren, die für hybride integrierte Schaltungen nützlich bzw. geeignet sind, und insbesondere auf planare Trans­ formatoren mit auf einer Schaltungsplatine gedruckten primären und sekundären Spiralwicklungen, wobei ein Ferritkern durch zwei Ferritabschnitte, die jeweils eine dünne, flache Platte aufweisen und voneinander durch zwei Stützabschnitte getrennt sowie ebenfalls durch die Schaltungsplatine getragen sind, gebildet ist.

Hybride elektronische integrierte Schaltungen werden oft unter Einsatz von Preßspritz-Verpackungs- bzw. -Vergießtechniken hergestellt, um kostengünstige elek­ trische/elektronische Funktionen in einem einzigen her­ kömmlichen Gehäuse wie etwa einem DIP-Gehäuse (dual-in­ line package) zu erzeugen. Die Einfügung magnetischer Komponenten wie etwa von Transformatoren in hybride in­ tegrierte Schaltungen hat allerdings stets größere Schwierigkeiten bereitet, da die erforderlichen Trans­ formatorenkerne üblicherweise große Querschnittsflächen besitzen. Derartige große Querschnittsflächen stehen im Widerspruch zum Bedürfnis der Erzeugung von Schaltungs­ funktionen in kleinen Gehäusen. In zwei früheren Veröf­ fentlichungen vorgeschlagene toroidale Transformatoren- Komponenten sind nicht klein genug, um in ein DIP-Ge­ häuse oder dgl. eingefügt zu werden. Weiterhin ist eine große Anzahl von Drahtbondschritten erforderlich, um die Wicklungen gemäß diesen Veröffentlichungen fertig­ zustellen, was zu einer Erhöhung der Herstellungszeiten und -kosten führt.

In Fig. 1 ist ein typischerweise für Isolationsverstär­ ker und Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler einge­ setzter herkömmlicher Transformator 10 gezeigt, der auf einer herkömmlichen Druckschaltungsplatine bzw. Leiter­ platte ausgebildet ist. Spiralwicklungen 12A und 13A umgeben Löcher 14A und sind auf einer oder mehr Ober­ flächen der Druckschaltungsplatine 11 angeordnet. Ein Ferritkern für den Transformator 10 weist einen oberen U-förmigen Abschnitt 18A und einen unteren U-förmigen Abschnitt 20A auf. Die Querschnitte beider Abschnitte 18A und 20A sind rechteckig bzw. quadratisch und gleichmäßig. Die korrespondierenden Flächen 20D an den Schenkeln 20C werden durch Metallclips befestigt. Der herkömmliche Transformator gemäß Fig. 1 besitzt ein Vo­ lumen von ungefähr 3/4 Zoll (ca. 18 mm) auf jeder Sei­ te. Der Transformator 10 gem. Fig. 1 ist für sich zu groß, um in einer hybriden integrierten Schaltung ver­ wendet zu werden. Sein Querschnitt ist gleichmäßig, da wahrscheinlich jede Verringerung in der Fläche des ma­ gnetischen Flußpfads durch den Kern eines Transforma­ tors die im Kern erzeugte Wärmemenge vergrößert und die Transformator-Effizienz beeinträchtigt.

Es besteht daher ein nicht befriedigter Bedarf an klei­ neren, hochwirksamen Transformatoren hoher Frequenz und geringem Rauschen, die als Teil eines Gleichrichters oder eines anderen Schaltungs-Konverters in einem klei­ nen hybriden integrierten Schaltungsgehäuse wie etwa einem DIP-Gehäuse oder in einer Spannungsverbinder-An­ ordnung eingebaut werden können.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbes­ serten Transformator verringerter Größe für hybride in­ tegrierte Schaltungen bzw. Hybridschaltkreise zu schaf­ fen, der insbesondere für Anwendungen bei niedrigen Störungen bzw. geringem Rauschen geeignet ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen ver­ besserten planaren Transformator für eine hybride inte­ grierte Schaltung bereitzustellen, der in ein dünnes herkömmliches DIP-Gehäuse oder dgl. eingefügt werden kann.

Darüber hinaus ist, es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines miniaturi­ sierten Transformators für eine hybride integrierte Schaltung bereitzustellen, der auf einer Druckschal­ tungsplatine mit anderen hybriden IC-Komponenten einge­ baut bzw. angeordnet und in einem Miniatur-Gehäuse wie etwa einem DIP-Gehäuse oder dgl. eingekapselt werden kann.

Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Hybrid­ schaltkreis-Transformator zu schaffen, der zuverläs­ siger als die nächstkommenden herkömmlichen Hybrid­ schaltungs-Transformatoren ist.

Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Hy­ bridschaltungs-IC-Transformatur bereitzustellen, der mit der Eingangs- und Ausgangs-Schaltung einer Signal­ koppelschaltung auf einer Druckschaltungsplatine einge­ fügt und leicht in einem kleinen Gehäuse eingekapselt werden kann.

Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Hybridschaltungs-IC-Transformator zu schaffen, der ein­ fach in einem kleinen Spannungsverbinder eingekapselt werden kann.

Kurzgefaßt wird mit der Erfindung gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel ein planarer Transformator geschaffen, der eine Druckschaltungsplatine bzw. gedruckte Leiter­ platte mit ersten und zweiten parallelen Oberflächen umfaßt. Auf einer der ersten und zweiten Oberflächen ist eine erste Spiralwicklung vorhanden, die einen er­ sten Magnetflußpfad-Bereich umgibt. Auf einer der er­ sten und zweiten Oberflächen ist eine zweite Spiral­ wicklung vorhanden, die einen zweiten Magnetflußpfad- Bereich umgibt. Ein Ferritkern umfaßt einen ersten und einen zweiten Kernabschnitt, von denen jeder eine dün­ ne, flache Ferritplatte enthält. Erste und zweite dün­ ne, flache Stützabschnitte sind zwischen den Platten angeordnet, wobei die ersten und zweiten Kernabschnitte auf entgegengesetzten Seiten der gedruckten Leiterplat­ te angeordnet sind. Die dünnen Ferritplatten erstrecken sich über die Leiter der ersten und zweiten Wicklungen hinaus und schirmen hierdurch die Aussendung von elek­ tromagnetischen Signalen und Störungen, die von Strömen in den Wicklungen herrühren, ab. Bei einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung besitzt die gedruckte Leiter­ platte Öffnungen, durch die sich die Stützabschnitte erstrecken. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung verlaufen die Stützabschnitte entlang entge­ gengesetzter Kanten der gedruckten Leiterplatte. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der planare Transformator auf der gedruckten Lei­ terplatte entlang bzw. zusammen mit anderen hybriden integrierten Schaltungskomponenten ausgebildet, um eine rauscharme Batterieladeeinrichtung niedriger Interfe­ renz zu schaffen, die in einem Spannungsverbinder ein­ gekapselt ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der planare Transformator auf der gedruckten Lei­ terplatte zusammen mit anderen hybriden integrierten Schaltungskomponenten ausgebildet, um einen rauscharmen Signalkoppler mit geringen Störungen bzw. Interferenzen zu schaffen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene, teilweise per­ spektivische Darstellung eines herkömmli­ chen Transformators,

Fig. 2 eine teilweise perspektivische, auseinan­ dergezogene Darstellung eines ein Ausfüh­ rungsbeispiel vorliegender Erfindung bil­ denden planaren Transformators,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung, die bei der Be­ schreibung des Aufbaues und des Herstel­ lungsverfahrens des planaren Transfor­ mators gem. Fig. 2 dienlich ist,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines preß­ gespritzten DIP-Gehäuses,in das der plana­ re Transformator gem. Fig. 2 eingekapselt werden kann,

Fig. 5 eine teilweise perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 5A eine Draufsichtdarstellung, die zur Erläu­ terung des Betriebs des in Fig. 5 gezeig­ ten Ausführungsbeispiels der Erfindung dienlich ist,

Fig. 6 eine Unteransicht einer gedruckten Leiter­ platte, die den planaren Transformator ge­ mäß Fig. 2 als Teil einer hybriden IC-Bat­ terieladeeinrichtung umfaßt,

Fig. 6A einer Draufsicht auf die in Fig. 6 darge­ stellte gedruckte Leiterplatte,

Fig. 7 eine teilweise Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung, bei dem der Ferritkern nach Einkap­ selung der gedruckten Leiterplatte in ei­ nem preßgespritzten Kunststoff-DIP-Gehäu­ se, das Höhlungen aufweist, die die Fer­ ritkernhälften-Abschnitte aufnehmen, zu­ sammengebaut wird,

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild, das bei der Beschreibung der rauscharmen Batterielade­ schaltung dienlich ist, die zweckmäßig bzw. einfach unter Verwendung des erfin­ dungsgemäßen hybriden IC-Transformators hergestellt werden kann,

Fig. 8A ein schematisches Schaltbild, das zur Be­ schreibung einer Isolationsverstärker­ schaltung nützlich ist, die zweckmäßig bzw. einfach unter Verwendung des erfin­ dungsgemäßen hybriden IC-Transformators hergestellt werden kann,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Gehäu­ ses in Form eines elektrischen Verbinders bzw. Steckers, in dem die Schaltung gemäß den Fig. 6 und 6A eingekapselt ist, und

Fig. 10 eine Schnittansicht des Gehäuses gem. Fig. 9.

Gemäß Fig. 2 weist ein planarer Transformator 10 eine mehrschichtige gedruckte Leiterplatte (Schaltungsplati­ ne) 11 mit in ihr vorhandenen Löchern 14A und 14B auf. Eine erste Spiralwicklung 12 ist auf der oberen Seite der gedruckten Leiterplatte 11 eingeätzt. Vorzugsweise ist die in Fig. 2 dargestellte Wicklung 12 in Reihe mit mehreren zusätzlichen, im wesentlichen identischen, auf anderen Flächen der verschiedenen Schichten der Leiter­ platte 11 geätzten Spiralwicklungen verbunden, um eine ausreichende Anzahl von Windungen um die Flußpfadöff­ nung bzw. das Loch 14A bereitzustellen.

In gleicher Weise sind Spiralwicklungen 13 in einem Me­ tallisierungsmuster auf der oberen Fläche der Leiter­ platte 11 geätzt. Auch die Wicklung 13 gem. Fig. 2 kann in Reihe mit anderen, im wesentlichen identischen Spi­ ralwicklungen auf anderen Flächen der verschiedenen Schichten der Leiterplatte 11 geschaltet sein, um eine höhere Anzahl von Wicklungen um den Flußpfad bzw. das Loch 14B bereitzustellen, um hierdurch höheren Trans­ formator-Wirkungsgrad bzw. höhere Transformator-Effizi­ enz zu erzielen. Hierbei sei angemerkt, daß elektrisch isolierende Beschichtungen auf einen Teil der freilie­ genden Spiralwicklungen ausgebildet sein können, wenn es gewünscht ist, die Sekundärseiten-zu-Primärseiten Durchbruchspannung des Transformators zu erhöhen. Auf diese Weise kann eine Primärseiten-zu-Sekundärseiten- Isolation von vielen tausend Volt erhalten werden.

Verschiedene andere herkömmliche Hybridschaltkreis-Kom­ ponenten sind mit den Oberflächen der Leiterplatte 11 durch Bonden kontaktiert. Beispielsweise bezeichnen die Bezugszeichen 26A, 26B und 26C eine Halbleiterdiode, eine Halbleiterdioden-Brückenschaltung bzw. eine inte­ grierte Oszillator-Treiberschaltung (oder -Steuerschal­ tung). Mit dem Bezugszeichen 16 ist eine Eingangsfil­ terkapazität und mit 17 eine Resonanzkapazität bezeich­ net, die beide auf die obere Oberseite der Leiterplatte 11 gebondet sind, um die in Fig. 8 dargestellte Batte­ rieladeschaltung zu bilden. Bond-Anschlußflächen oder -Anschlüsse der verschiedenen, vorstehend genannten Komponenten sind auf Leiterrahmenteile, wie etwa bei 25 in Fig. 3 gezeigt, oder andere, nicht dargestellte, ge­ ätzte Leiter im Metallisierungsmuster auf der Oberflä­ che oder den Oberflächen der Leiterplatte 11 drahtge­ bondet.

Wie weiterhin aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfaßt der planare Transformator 10 zwei einander diametral gegen­ überliegende Ferritkernhälften-Abschnitte 18 und 20, die dünne flache Platten 18A bzw. 20A mit einer Stärke von 0,040 Zoll (ca. 1 mm) enthalten. Jede der dünnen Platten 18A und 20A umfaßt zwei Ferrit-"Stützen" 21 und 22, die sich in die Löcher 14A und 14B erstrecken. Wie im folgenden erläutert, werden die beiden Ferritkern­ hälften-Abschnitte 18 und 20 gegeneinander gepreßt, so daß die flachen Oberflächen beider Stützen 21 an­ einander anliegen und auch die flachen Oberflächen der beiden Stützen 22 aneinander anliegen.

Bei einem Ausführungsbeispiel betragen die dünnen Plat­ ten 18A und 20A 0,48 Zoll auf 0,35 Zoll (ca. 12 mm× 8,8 mm). Die Dicke jeder Platte 18A und 20A (ohne die Stützen 21 und 22) beträgt 0,040 Zoll (ca. 1 mm). Die Höhe jeder Stütze 21 und 22 liegt bei 0,020 Zoll (ca. 0,5 mm). Die Stützen 21 und 22 sind quadratisch mit ei­ ner Seitenlänge von 0,115 Zoll (ca. 2,9 mm). Die Fer­ ritkernhälften-Abschnitte 18 und 20 bestehen aus dem Material MnO+ZnO+Fe₂O₃, das von der FDK Gompany (Fuji Chemical Company), Japan, unter der Bezeichnung H63B vertrieben wird.

Die quadratischen Löcher 14A und 14B haben eine Seiten­ länge von 0,130 Zoll (ca. 3,25 mm) an jeder Seite, so daß ein Freiraum von 0,0075 Zoll (0,2 mm) für die Stüt­ zen 21 und 22 verbleibt. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des planaren Transformators besitzt die Wicklung 12 10 Windungen und die Wicklung 13 60 Windungen.

In Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung sind alle Windungen der Wicklungen 12 und 13 zwischen den dünnen Ferritplatten 18A und 20A angeordnet, die sich deutlich über die Seitenkanten der Stützen 21 und 22 hinaus er­ strecken. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß elektri­ sche Signale und durch die Ströme in den Wicklungen 12 und 13 hervorgerufene elektrische Störungen begrenzt werden, da die Ferritplatten 18A und 18B die Funktion der elektrischen Abschirmung der Wicklungen ausüben, wodurch die elektromagnetische Aussendung von elektri­ schen Störsignalen und Rauschen auf Grund der Ströme in den Wicklungen des Transformators 10 verhindert wird.

Durch dünne und breite Gestaltung der Querschnittsflä­ chen der Platten 18A und 20A wird die notwendige Induk­ tivität von typischerweise 800 Mikrohenry für die Wick­ lung 12 erreicht, wobei die Querschnittsflächen groß genug ausgelegt sind, um die Magnetflußdichte niedrig genug für die Vermeidung einer Sättigung des Kernmate­ rials zu halten. Leistungsverluste auf Grund einer Sät­ tigung des Kerns werden hierdurch vermieden.

Bei der Herstellung des planaren Transformators 10 wird die Leiterplatte 11 elektrisch mit benachbarten Leiter­ rahmen-Teilen eines preßgespritzten Kunststoffgehäuses wie etwa des in Fig. 4 gezeigten Gehäuses verbunden. Die Komponenten wie etwa die Kapazitäten 16 und 17 und die Halbleiterchips 26A-C werden unter Einsatz herkömm­ licher Verfahren mittels Epoxydharz mit der Oberfläche der Leiterplatte verbunden und ofengehärtet. Danach werden herkömmliche Hybridschaltkreis-Drahtbondtechni­ ken eingesetzt, um die notwendigen Drahtverbindungen zwischen den Bond-Anschlußflächen der verschiedenen Komponenten und den Bond-Anschlußflächen des Leiterrah­ mens und des Leitermusters auf der oder den Oberflächen der Leiterplatte 11 herzustellen. Anschließend werden die beiden Ferritkernhälften-Abschnitte 18 und 20 durch die Löcher 14A und 14B auf der Leiterplatte 11 mitein­ ander verbunden.

Flexibler hochtemperaturhärtender Siliconkleber oder flexibles Epoxydharz (niedrige Härteprüfer-Härte) 31 (Fig. 2 und 3) wird zur Verbindung der inneren Ober­ flächen der Ferritplatten 18 und 20 mit der Oberseite bzw. Unterseite der Leiterplatte 11 verwendet. (Bei den entwickelten Prototypen wird der Siliconkleber Dow Sor­ ning SYLGARD 170 eingesetzt.) Siliconkleber oder fle­ xibles Epoxydharz hat einen Temperaturausdehnungskoef­ fizienten, der niedriger ist als der des Ferritmate­ rials der Kernhälften-Abschnitte 18 und 20. Der Kleber wird bei einer Temperatur ofengehärtet, die höher als die maximale erwartete Betriebstemperatur des planaren Transformators 10, aber niedriger als die Curie-Tem­ peratur des Ferritkernmaterials ist. Wenn die Tempera­ tur des planaren Transformators auf Raumtemperatur ab­ fällt, werden die beiden Kernhälften 18 und 20 durch die Spannung im abgekühlten Kleber gegeneinander gezo­ gen bzw. verspannt, so daß die flachen Oberflächen der in das Loch 14A der Leiterplatte ragenden Stützen 21 in enge Anlage gezwungen bzw. gebracht und ebenso die fla­ chen Oberflächen der Stützen 22 im Loch 14B der Leiter­ platte 11 gegeneinandergepreßt werden.

In Fig. 3 veranschaulichen die Pfeile 36, wie die Kern­ hälften 18 und 20 durch das flexible Epoxydharz oder den Siliconkleber 31 nach Abkühlung der Anordnung auf Umgebungstemperatur gegeneinander gespannt bzw. ge­ drückt werden. Mit dem Bezugszeichen 25 sind verschie­ dene Leiterrahmenteile bezeichnet.

Mit dem Bezugszeichen 35 ist in Fig. 3 eine teilweise Schnittansicht eines preßgespritzten Kunststoff-DIP- Gehäuses bezeichnet, das in Fig. 4 in seiner endgülti­ gen Form dargestellt ist. Bevor flexibles Epoxydharzma­ terial 30 rückseitig in Öffnungen 50 und 51 im Plastik­ körper 60 des Gehäuses 35 eingefüllt wird, liegen die äußeren Oberflächen der Kernabschnitte 18 und 20 frei. Das flexible Epoxydharzmaterial 30 wird in die Löcher 50 und 51 hinterfüllt. Dieser Aufbau erlaubt den Fer­ ritkernhälften-Abschnitten 18 und 20 zusammen mit der Flexibilität des Silicons oder Epoxydharzes 31 eine leichte Bewegung auf Grund von Magnetostriktion, wo­ durch Kernenergieverluste verringert werden. Die Fer­ ritkernhälften-Abschnitte 18 und 20 können vor dem Obertragungsschmelzen bzw. Preßspritzen (transfer mol­ ding) mit einem Material mit niedrigem Modul oder nied­ riger Haftung beschichtet werden, so daß sie sich frei­ er auf Grund der Magnetostriktion geringfügig bewegen können.

Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau der Ferrit­ kernhälften-Abschnitte mit dünnen Platten 18 und 20 und den rechteckigen bzw. quadratischen Ferritstützen 21 und 22 wird, verglichen mit den nächstkommenden her­ kömmlichen Hybridschaltkreis-Transformatoren, die Ge­ samtdicke des planaren Transformators auf ein Mindest­ maß verringert und die Anzahl von Windungen der Wick­ lungen 12 und 13, die zur Erzielung besonderer Indukti­ vitäten vorgesehen werden können, erhöht.

Fig. 5 zeigt eine teilweise auseinandergezogene Dar­ stellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung, bei dem die Leiterplatte 11 einen "Zungen"-Ab­ schnitt IIA besitzt, auf dem Wicklungen 12 und 13 im wesentlichen konzentrisch um einen gemeinsamen Magnet­ flußpfad-Bereich 14 ausgebildet sind. Hierbei sind, so­ weit zweckmäßig, dieselben Bezugszeichen zur Bezeich­ nung identischer oder ähnlicher Komponenten in den ver­ schiedenen Zeichnungen verwendet. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung ist ein etwas unterschied­ licher Ferritkern-Aufbau vorhanden, der einen oberen Abschnitt 180 mit zwei Stützabschnitten 180A und 180B, jeweils einer an jedem Ende, aufweist. Die beiden Stützabschnitte 180A und 180B können jeweils dieselbe Breitenabmessung 39 wie untere und obere Kernhälftenab­ schnitte 180 und 200 besitzen. Der untere Ferritkern­ hälften-Abschnitt 200 ist einfach eine dünne flache Platte. Die Stützabschnitte 180A und 180B sind integral mit der dünnen Ferritplatte, die den oberen Teil des Ferritkernhälften-Abschnitts 180 bildet, ausgebildet.

Die Kernhälften-Abschnitte 180 und 200 bilden hierbei ein enges, rechtwinkliges Loch 44, dessen Höhe 0,025 Zoll (ca. 0,6 mm) beträgt, wie durch Pfeile 32 angedeu­ tet. Die Breite 33 des Lochs 44 liegt bei 0,73 Zoll (ca. 18 mm). Die Gesamtdicke des hierdurch gebildeten Ferritkerns beträgt 0,305 Zoll (ca. 7.5 mm), seine Länge 1,0 Zoll (ca. 25 mm) und seine Breite 0,63 Zoll (ca. 16 mm), wie dies durch Maßlinien 38, 37 bzw. 39 veran­ schaulicht ist. Der Zungenabschnitt 11A der Leiterplat­ te 11 mit allen darauf aufgedruckten Spiralwicklungen erstreckt sich in das rechteckige Loch 44. Die Breite 39 des Ferritkerns 180, 200 beschränkt oder begrenzt alle der im wesentlichen konzentrischen Wicklungen 12, 13 usw. vollständig. Der Kern 180, 200 kann aus einem einzigen Block aus Ferritmaterial unter Ausfräsung bzw. Herausarbeitung des Lochs 44 hergestellt werden. Die im Vergleich mit derjenigen gem. Fig. 2 größere Kerngröße des planaren Transformators gem. Fig. 5 wurde zur Er­ zeugung größerer Ausgangsleistung gewählt.

Fig. 6 zeigt eine detailliertere Unteransicht des in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spiels, während in Fig. 6A eine Draufsicht hierauf ge­ zeigt ist. Mit dem Bezugszeichen 46 sind eine Anzahl von Leiterplatten-Durchkontaktierungen bezeichnet, die Leiter auf verschiedenen Oberflächen der Leiterplatte 11 verbinden. Mit dem Bezugszeichen 12 sind unter­ schiedliche, in Reihe geschaltete Teile der Primärwick­ lung gem. Fig. 6 und 6A bezeichnet. Das Bezugszeichen 13A bezeichnet eine Sekundärwicklung, die zur Span­ nungsversorgung anderer Komponenten in bzw. auf der Leiterplatte dient. (Die Sekundärwicklung 13 gem. Fig. 8 öffnet sich in Fig. 6A nicht bzw. ist dort nicht ge­ zeigt, da sie eine interne Lage einer gedruckten Mehr­ schicht-Leiterplatte 11 bildet.)

Der in den Fig. 5, 6 und 6A gezeigte Aufbau kann be­ trachtet werden, als hätte er einen Spalt 32 von 0,025 Zoll (ca. 0,6 mm) in dem Ferritkern aus den Komponenten 180 und 200. Der Spalt 32 kann als Spalt in der Mittel­ stütze eines "E"-förmigen Ferritkernhälften-Abschnitts in einem "Grenzfall", bei dem die Länge des mittleren Abschnitts bzw. der Mittelstütze 0 beträgt, angesehen werden. In Fig. 5A ist der Punkt gezeigt, an dem ein Spalt 32 in einem herkömmlichen Transformatorkern zwi­ schen zwei Mittelstützen 48, um die (die nicht darge­ stellten) Windungen herumlaufen, vorhanden wäre. Beim Ausführungsbeispiel gem. Fig 5 ist der Stützenaufbau "unendlich flach", so daß die Länge der Stützen 48 Null ist. Der magnetische Fluß verläuft durch den Spalt 32 im mittleren Magnetflußbereich 14 der Primär- und Se­ kundärwicklung, wodurch eine gegenseitige induktive Kopplung zwischen diesen hervorgerufen wird. Da die Leistungsverluste umgekehrt proportional zur Quer­ schnittsfläche des von den Wicklungen umgebenen Magnet­ flußpfades sind, sind die Leistungsverluste bei der Ge­ staltung gem. Fig. 5, verglichen mit dem in Fig. 2 dar­ gestellten Aufbau, auf ein Mindestmaß verringert, da beim Ausführungsbeispiel gem. Fig. 2 eine erhebliche Toleranz oder ein erheblicher Freiraum zwischen den Seiten der Stützen 21 und 22 und den durch die Windun­ gen der verschiedenen Wicklungen umgebenen Bereichen vorhanden ist. Durch diesen Freiraumbereich verläuft kein Magnetfluß, so daß die Magnetfluß-Querschnittsflä­ che reduziert ist.

In Fig. 6 ist eine computergenerierte detaillierte Un­ teransicht des Layouts der zusammengebauten Struktur bzw. Gestaltung gem. Fig. 5 gezeigt, wobei die punk­ tierten Linien den Ferritkern und die durchgehenden Li­ nien die Leiterplatte und die darauf montierten Kompo­ nenten veranschaulichen. In Fig. 6A ist eine ähnliche detaillierte Draufsicht auf das Layout des zusammenge­ bauten Aufbaus gem. Fig. 5 gezeigt, wobei die punktier­ ten Linien wiederum den Ferritkern und die durchgehen­ den die Leiterplatte und die darauf befindlichen Kompo­ nenten veranschaulichen. In den Fig. 6 und 6A ent­ sprechen die Bezugszeichen 16 und 17 der Eingangsfil­ terkapazität 16 und der Resonanzkapazität 17, wie sie in der Schaltung gem. Fig. 8 gezeigt sind. Die Kapazi­ tät 19 bildet die in Fig. 8 gezeigte Ausgangsfilterka­ pazität.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel 54 der Erfindung gezeigt, bei dem ein preßgespritztes Kunst­ stoff-DIP-Gehäuse Höhlungen bzw. Ausnehmungen 61 und 62 in den gegenüberliegenden Haupt-Oberflächen aufweist, um den Zusammenbau bzw. die Einfügung der Ferritkern­ hälften-Abschnitte 55 und 56 nach Einkapselung des restlichen Teils der Leiterplattenstruktur zu ermögli­ chen. Danach wird der obere Ferritkernhälften-Abschnitt in oberen Loch 61 angeordnet, wobei Stützen 55A und 55B durch Öffnungen 14A und 14B in der Leiterplatte 11 verlaufen. In gleicher Weise wird der untere Ferrit­ kernhälften-Abschnitt 56 in das Loch 62 im Boden des Gehäuses 54 eingeführt. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert, wird flexibles Epoxydharz oder Siliconkleber 31 zur Befestigung der inneren Flächen des oberen und unteren Kernhälften-Abschnitts 55 und 56 mit der oberen bzw. unteren Seite der Leiterplatte 11 eingesetzt. Eine Ofenhärtung dieses Klebers bei ausrei­ chend hoher Temperatur bewirkt, daß die dünnen, flachen Plattenabschnitte der Ferritkernhälften 55 und 56 eng gegeneinander gezogen werden, wenn die Anordnung auf Raumtemperatur abgekühlt ist, was auch dazu führt, daß die Flächen der Stützen 55B und 56B eng gegeneinander gezogen bzw. gedrückt werden (woraus ein vernachlässig­ barer Spalt in der Kernstruktur resultiert). Danach können geeignet markierte Etiketten oder Aufkleber 58 und 59 auf die obere und untere Seite des DIP-Gehäuses aufgeklebt werden, um die äußeren Flächen des oberen und unteren Ferritkernhälften-Abschnitts 55 und 56 ab­ zudecken. Bei diesem Aufbau werden Kernverluste vermie­ den, die andernfalls aus der Beschränkung der durch die Magnetostriktion hervorgerufenen Kernbewegung resultie­ ren würde.

In Fig. 8 ist ein schematisches Schaltbild eines typi­ schen Batterieladegerätes (Wechselspannungs/Gleichspan­ nungs-Wandler) gezeigt, das unter Verwendung jedes der vorstehend beschriebenen planaren Transformatoren rea­ lisiert werden kann, wobei allerdings der unter Bezug­ nahme auf die Fig. 5, 6 und 6A beschriebene Trans­ formator derzeit am wirksamsten scheint. Mit den Be­ zugszeichen 16, 17 und 19 sind dieselben Kapazitäten wie zuvor bezeichnet. Diese Schaltung hat den Vorteil, die Anzahl von erforderlichen Komponenten auf ein Min­ destmaß zu verringern. und auch die Leistungsverluste im MOSFET-Schalter 42 weitestgehend zu verringern. Eine vollständigere Beschreibung einer Ausführungsform die­ ser Batterieladeschaltung findet sich in der parallel anhängigen, demselben Anmelder zugeordneten Anmeldung mit dem Titel "COMPACT LOW NOISE LOW POWER DUAL BATTERY CHARGING CIRCUIT", Serial Nr. 6 21 014, die am 30. No­ vember 1991 von Sommerville eingereicht wurde und hier­ mit durch Bezugnahme mit einbezogen wird. Bei der Schaltung wird die Induktivität der Transformator-Pri­ märwicklung und die Kapazität des MOSFET-Schalters 42 und der Kapazität 17 zur Bildung einer Resonanzschal­ tung eingesetzt. Die Aus- bzw. Abschaltzeit des MOSFET- Schalters ist gleich einer halben Periode der Resonanz­ frequenz. Die Betriebsfrequenz liegt zwischen 500 und 1000 kHz.

In Fig. 8A ist eine typische Signalkoppelschaltung ge­ zeigt, die unter Einsatz jedes der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen planaren Transformators ausgeführt werden kann. In Fig. 8A ge­ zeigte Schaltungen 90 und 91 können Einheitsverstär­ kungs-Puffer oder digitale oder analoge Signalverarbei­ tungsschaltungen und Wicklungstreiber sein.

In Fig. 9 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines elektrischen Spannungsverbinders bzw. -steckers 65 dargestellt, in den die Batterieladeschaltung gem. Fig. 8 eingekapselt sein kann. Zwei leitende Spitzen bzw. Stifte 66 erstrecken sich vom flachen, fernen Ende eines Steckerkörpers bzw. -Gehäuses 67. Ein flexibles Gleichspannungs-Ausgangskabel 68 geht von der gegen­ überliegenden, nächstgelegenen Seite des Steckers 65 aus. Eine konkav gerundete, gerändelte Vertiefung 69 ist auf einer Hauptfläche des Steckers 65 vorgesehen, während auf der gegenüberliegenden Fläche eine flachere gerändelte Vertiefung 70 vorhanden ist. Der Daumen des Benutzers paßt leicht in die Vertiefung 69 und drückt gegen eine geneigte Fläche 69A der Vertiefung 69, um eine Einführung der elektrischen Stifte in eine Steckerkupplungs-Aufnahme zu bewirken. Eine Fläche 69B der Vertiefung 69 und eine Fläche 70A der Vertiefung 70 ermöglichen dem Benutzer die einfache Herausziehung des Steckers 65 aus einem Spannungsauslaß bzw. einer Steck­ dose oder Kupplung.

In Fig. 10 ist eine Schnittansicht des Steckers 65 ge­ zeigt, aus der ersichtlich ist, daß das Gehäuse 67 größtenteils hohl ist. Das Gehäuse 67 weist einen unte­ ren Abschnitt 67A und einen oberen Abschnitt 67B auf. Rippen 73, 74, 77 und 78 definieren mehrere Hohlräume. Die gedruckte Leiterplatte 11 ist durch die Enden der Rippen 73, 74, 77 und 78 gehalten. Der untere Teil des Ferritkernhälften-Abschnitts 200 (in den Fig. 5, 6 und 6A gezeigt) erstreckt sich in die Ausnehmung zwi­ schen den Rippen 74 und 78. Der obere Ferritkernhälf­ ten-Abschnitt 180 erstreckt sich in einen Hohlraum zwi­ schen den Rippen 73 und 77. Eine Lufttasche bzw. ein Luftloch (air pocket) 71 ist oberhalb einer elastischen horizontalen Rippe 72 angeordnet, die auf die obere Seite des Ferritkernhälften-Abschnitts 180 drückt und diesen nach unten gegen den Ferritkernhälften-Abschnitt 200 vorspannt bzw. drückt, wodurch ein effizienter Ma­ gnetflußpfad durch die Ferritkerne 180, 200 gebildet wird. Die Rippe 77 und das rechte Ende des Gehäuseab­ schnitts 67B bilden einen Hohlraum 79, in dem ein TO220-Gehäuse 80 montiert ist. Das Gehäuse 80 enthält den MOSFET-Schalter 42 gem. Fig. 8, der ein Hochspan­ nungs-MOSFET IRF22BG (erhältlich von International Rec­ tifier Corporation) sein kann. Das Gleichspannungs-Aus­ gangsspannungskabel 68 verläuft durch eine herkömmliche Beanspruchungsentlastungs-Gummitülle bzw. Durchfüh­ rungsdichtung oder Isolierscheibe zur Leiterplatte 11. Jeder Stift 66 besitzt einen vergrößerten Kopf 76, der in einer Ausnehmung im Abschnitt 67B angeordnet bzw. aufgenommen werden kann, um ihn darin zu halten. Ein nicht gezeigter Stift hält den vergrößerten Kopf 76 in Kontrakt bzw. Verbindung mit der Leiterplatte 11.

Claims (10)

1. Planarer Transformator, der in Kombination fol­ gende Merkmale enthält:

• a) eine gedruckte Leiterplatte (11) mit pa­ rallelen ersten und zweiten Oberflächen;
• b) eine einen ersten Magnetflußpfad-Bereich (14A) umgebende erste Spiralwicklung auf einer der er­ sten und zweiten Oberflächen und eine einen zweiten Ma­ gnetflußpfad-Bereich (14B) umgebende zweite Spiralwick­ lung auf einer der ersten und zweiten Oberflächen und
• c) eine Ferritkernanordnung, die
  • i. einen ersten Kernabschnitt (18) mit einer ersten dünnen, flachen Platte (18A),
  • ii. einen zweiten Kernabschnitt (20) mit einer zweiten dünnen, flachen Platte (20A) und
  • iii. erste (21) und zweite (22) beabstandete dünne, flache Stützabschnitte aufweist, die zwischen den ersten und zweiten Platten (18A, 20A) angeordnet sind und an inneren Oberflächen der ersten und zweiten Platten anliegen, wobei die ersten und zweiten Platten und die ersten und zweiten Stützabschnitte einen ge­ schlossenen ersten Magnetflußpfad bilden und die ersten und zweiten Platten auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte (11) angeordnet sind (Fig. 2, 5).

2. Planarer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (11) beabstandete erste und zweite Öffnungen (14A bzw. 14B) in ihr umfaßt und daß der erste Stützabschnitt (21) sich durch die erste Öffnung erstreckt, während der zweite Stützab­ schnitt (22) durch die zweite Öffnung verläuft.

3. Planarer Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Magnetflußpfad-Be­ reich innerhalb der ersten Öffnung und der zweite Ma­ gnetflußpfad-Bereich innerhalb der zweiten Öffnung be­ findet (Fig. 2).

4. Planarer Transformator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen der Abschnitte des ersten Magnetfluß-Schleifenpfads in der ersten Platte und der zweiten Platte wesentlich kleiner als die Querschnittsflächen der ersten und zweiten Stützabschnitte sind.

5. Planarer Transformator nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die ersten und zweiten Platten über die ersten und zweiten Wicklungen hinaus erstrecken, um die Aussendung elek­ tromagnetischer Signale und Störungen von den ersten und zweiten Wicklungen (11, 12) abzuschirmen.

6. Planarer Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Leiterplatte (11) eine mit den ersten und zweiten Wicklungen (11, 12) verbun­ dene Schaltung befindet, wobei ein erster Leiter eine der ersten und zweiten Wicklungen mit einem Ausgangs­ spannungskabel (68) verbindet und erste und zweite Spannungseingangsleiter Anschlüsse der Schaltung mit ersten und zweiten leitenden Stiften (66) koppeln, daß der planare Transformator und die Schaltung durch bzw. in einem im wesentlichen hohlen Kunststoffgehäuse (67A, 67B) eingekapselt sind, das einen Körper eines Span­ nungsverbinders oder Spannungssteckers bildet, von dem das Ausgangsspannungskabel (68) und die leitenden Stif­ te (66) ausgehen, und daß die Schaltung und der planare Transformator eine rauscharme Batterieladeschaltung bilden (Fig. 10).

7. Planarer Transformator nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ sten und zweiten Stützabschnitte sich entlang entgegen­ gesetzter äußerer Kanten der Leiterplatte (11) erstrecken, daß ein Spalt zwischen Abschnitten der ersten und zweiten Platten zwischen den ersten und zweiten Stütz­ abschnitten vorhanden ist, daß ein Abschnitt der Lei­ terplatte mit den darauf befindlichen ersten und zwei­ ten Wicklungen sich in den Spalt erstreckt, daß die er­ sten und zweiten Wicklungen im wesentlichen konzentrisch liegen und die ersten und zweiten Magnetflußpfad-Berei­ che miteinander (axial) ausgerichtet sind und daß der Magnetfluß im ersten Magnetflußpfad über den Spalt durch die ersten und zweiten Magnetflußpfad-Bereiche verläuft.

8. Planarer Transformator nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (31 oder 72) zum Zusammendrücken der ersten und zweiten Platten gegeneinander.

9. Planarer Transformator nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß preßge­ spritzter Kunststoff (60) einen Gehäusekörper bildet und Abschnitte der Leiterplatte (11) und eines hiermit verbundenen Leiterrahmens (25) einkapselt, daß erste und zweite Öffnungen (50 bzw. 51) in den Ober- bzw. Un­ terseiten des Gehäusekörpers die ersten und zweiten Kernabschnitte (18 bzw. 20) enthalten, wobei die ersten und zweiten Öffnungen tiefer als die Dicke der ersten Platte (18A) bzw. der zweiten Platte (20A) sind, und daß flexibles Hinterfüllungsmaterial in den ersten und zweiten Öffnungen für deren vollständige Ausfüllung an­ geordnet ist, um Kernverluste auf Grund von Magneto­ striktion zu vermeiden (Fig. 3).

10. Transformatorgekoppelter Hybridschaltkreis, ge­ kennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) einen planaren Transformator mit folgenden Merkmalen:
  • 1. eine gedruckte Leiterplatte (11) mit pa­ rallelen ersten und zweiten Oberflächen,
  • 2. eine einen ersten Magnetflußpfad-Bereich (14A) umgebende erste Spiralwicklung auf einer der er­ sten und zweiten Oberflächen und eine einen zweiten Ma­ gnetflußpfad-Bereich (14B) umgebende zweite Spiralwick­ lung auf einer der ersten und zweiten Oberflächen und
  • 3. eine Ferritkernanordnung, die
    • i. einen ersten Kernabschnitt (18) mit einer ersten dünnen, flachen Platte (18A)
    • ii. einen zweiten Kernabschnitt (20) mit einer zweiten dünnen, flachen Platte (20A) und
    • iii. erste (21) und zweite (21) beabstandete dünne, flache Stützabschnitte aufweist, die zwischen den ersten und zweiten Platten (18A, 20A) angeordnet sind und an inneren Oberflächen der ersten und zweiten Platten anliegen, wobei die ersten und zweiten Platten und die ersten und zweiten Stützabschnitte einen ge­ schlossenen ersten Magnetflußpfad bilden und die ersten und zweiten Platten auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte (11) angeordnet sind,
• b) eine Eingangsschaltung auf der Leiterplat­ te (11), die ein erstes Signal führende erste und zwei­ te Eingangsleiter mit ersten bzw. zweiten Anschlüssen der ersten Spiralwicklung koppeln,
• c) eine Ausgangsschaltung auf der Leiterplat­ te (11), die erste und zweite Ausgangsleiter mit ersten bzw. zweiten Anschlüssen der zweiten Spiralwicklung koppelt, und
• d) einen dünnen Gehäusekörper, der die Lei­ terplatte (11) einschließlich der Eingangsschaltung, der Ausgangsschaltung und des planaren Transformators einkapselt.