KR101838230B1 - 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머는 서로 전자기 결합되는 한쌍의 코어를 갖는 코어부; 상기 한쌍의 코어 사이에 배치되고 서로 적층되는 복수의 기판; 및 상기 기판에 형성되는 1차 권선 및 2차 권선을 포함하는 패턴층;을 포함하고, 상기 기판의 일측면에는 상기 패턴층과 전기적으로 연결되는 스너버 회로를 포함할 수 있다.

Description

스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머{Snubber Circuit Integrated Planar Transformer}
본 발명은 평면 트랜스포머에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머에 관한 것이다.
플라이백(flyback) 컨버터는 한 개의 스위치 소자만으로 구동이 가능하여 산업용 및 가전기기의 소용량 SMPS영역에서 다양하게 적용되고 있다. 플라이백 컨버터는 구동회로가 간단하다는 장점이 있으나, 트랜스포머의 누설인덕턴스로 인하여 1차측(Primary) MOSFET 스위치 오프(off) 시 누설인덕턴스 (leakage inductance)에 저장된 에너지를 회수하는 회로가 2차측(Secondary)에는 필수적이다.
일반적으로 누설인덕턴스에 저장된 에너지를 회수하는 회로는 다이오드, 캐패시터, 저항으로 구성된 RCD 스너버(snubber) 회로가 사용된다. 이러한 RCD 스너버 회로는 회수된 에너지를 저항을 통하여 소모 시키는 구조로 발열이 심하며 효율 저하의 주된 원인이 되고 있으며 변압기의 누설인덕턴스는 여자인덕턴스 (excitation　inductance) 대비 1~3% 정도가 통상적이다.
권선형 트랜스포머와 달리 평면형 트랜스포머는 다층 PCB로 구성되며, 두 종류의 트랜스포머가 플라이백 컨버터 기판에 일반적인 부품 형태로 사용된다. 또한 트랜스포머 2차측에서는 컨버터 스위칭 주파수에 따른 표피효과(skin effect) 때문에 금속 두께를 고려해야 한다. 통상 트랜스포머 설계 시 표피효과에 따른 2차측 금속 두께를 계산식에 따라 설계를 한다. 이때 효율 저하를 방지하기 위해서는 플라이백 컨버터 기판 상에서 트랜스포머와 RCD 스너버 회로는 최단 경로로 배치되어야 한다.
플라이백 컨버터는 일반적으로 스마트폰 충전기와 같이 초소형 전자기기에 사용되는데, 많은 부품들이 내장되어 트랜스포머와 스너버 회로를 최단 경로로 만들기가 어렵다. 또한, 트랜스포머 2차측의 표피효과로 인한 금속 두께의 증가만을 고려할 뿐 이였지만, 이 구간의 표피효과는 고려하지 못하고 있던 실정이었다.
도 1은 통상적인 플라이백 컨버터 회로를 나타낸 것이고, 도 2는 상기 플라이백 컨버터에 사용되는 평면형 트랜스포머의 사시도이다.
도 1을 참조하면, TX1은 권선형 또는 평면형 트랜스포머일 수 있고, 스너버 회로(1)는 다이오드(SD1), 커패시터(C7) 및 저항(R13)으로로 구성된다.
이때 상기, 스너버 회로를 구성하는 소자들(다이오드(SD1), 커패시터(C7) 및 저항(R13))은 플라이백 컨버터의 PCB 상에 장착된다.
가장 전류가 많이 흐르는 트랜스포머(TX1)와 다이오드(SD1 사이는 거리가 짧을수록 효율이 우수하며 발열도 적어지고, 플라이백 컨버터의 스위칭 주파수로 인한 EMI(Electro Magnetic Inerference)를 저감할 수 있다.
그러나 트랜스포머(TX1)는 일반적으로 금속리드가 있는 DIP(Dual In line Package) 소자 형태로 구성되어 플라이백 컨버터의 PCB에 장착이 되고, SMD(Surface Mount Device) 소자 형태의 RCD 스너버 회로와 연결된다. 이때 플라이백 컨버터의 PCB 상에 트랜스포머의 DIP 소자 PCB 비아홀(Via hole)이 형성되고 PCB 패턴으로 스너버 회로까지 연결된다. 이 경로는 평면형 트랜스포머의 PCB 비아홀과 연결된 평면형 트랜스포머의 금속리드가 연결되고, 이는 플라이백 컨버터 PCB 비아홀과 다시 연결되어 PCB 패턴으로 RCD 스너버 회로까지 연결된다. 이 경로 패턴의 저항 성분이 효율을 저하시키며 다이오드의 발열의 원인이 되며, 플라이백 컨버터의 EMI 원인이 된다.
따라서 스너버 회로를 사용하면서도 EMI를 제거하고 효율을 개선함과 동시에 집적도를 올릴 수 있는 기술개발이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, EMI 및 발열 문제를 해소하고 효율을 향상시킬 수 있는 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머는 서로 전자기 결합되는 한쌍의 코어를 갖는 코어부; 상기 한쌍의 코어 사이에 배치되고 서로 적층되는 복수의 기판; 및 상기 기판에 형성되는 1차 권선 및 2차 권선을 포함하는 패턴층;을 포함하고, 상기 기판의 일측면에는 상기 패턴층과 전기적으로 연결되는 스너버 회로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머에서, 상기 스너버 회로는 저항, 커패시터, 및 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머에서,상기 스너버 회로는 상기 2차 권선과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머에서, 상기 기판 상에는 상기 스너버 회로가 장착되기 위한 도전성 재질의 연결단이 형성되고, 상기 스너버 회로는 상기 연결단 상에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머에서, 상기 연결단은, 저항 소자가 장착되는 저항연결단, 커패시터 소자가 장착되는 커패시터 연결단, 및 다이오드 소자가 장착되는 다이오드 연결단을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머에서,상기 다이오드 연결단에는 방열용 비아홀이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머에서, 상기 다이오드 연결단에는 방열용 비아홀과 내부 금속층 패턴들이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 플라이백 컨버터의 효율을 개선시켜 EMI와 발열 형상을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 트랜스포머에 스너버 회로를 내장하기 때문에 충전기의 부품 수를 줄일 수 있어 소형화에 기여할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 플라이백 컨버터의 회로도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 트랜스포머를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 트랜스포머의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 트랜스포머의 패턴층의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명이 적용된 평면 트랜스포머가 적용된 예시를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나. 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
본 명세서에서 ‘및/또는’이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, ‘연결되는/결합되는’이란 표현은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 ‘포함한다’또는 ‘포함하는’으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및 소자의 존재 또는 추가를 의미한다.
또한, '제1, 제2' 등과 같은 표현은, 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머 및 판단 방법을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 트랜스포머의 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해 사시도이고, 도 4는 트랜트포머 내부 금속층의 분해도이다.
그리고 도 2에서 (a)는 코어가 있는 완전한 형태의 평면형 트랜스포머이고, (b)는 (a)에서 코어를 제거한 형상이고, (c)는 솔더 마스크와 실크패턴을 제거한 형상이고, (d)는 기판을 제거하고, 금속 패턴층 구조만 나타낸 것이다.
도 2 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 트랜스포머는 코어부(10), 기판(20), 및 금속패턴(30)을 포함한다.
상기 코어부(10)는 서로 전자기 결합하는 한쌍의 페라이트 코어(11, 12)로 구성될 수 있다. 즉, 상부 코어(11)와 하부코어(12)가 결합된 형태이다 상기 하부코어(12)에는 사각형 형상의 돌출부(13)가 형성되어 있다. 상기 상부 코어와 하부 코어를 본 실시예에서는 사각형 형상을 예로 들었으나 이에 한정되지 않으며 원형일 수도 있고 다른 형상일 수도 있다.
상기 기판(20)의 다수의 기판이 적층되어 있는 다층기판일 수 있다. 상기 중앙부분에는 관통공(H)이 형성되어 있으며, 상기 금속 패턴층(30)은 상기 관통홀을 중심으로 나선으로 형성될 수 있다.
상기 기판(20)의 상부에는 솔더 마스크(27) 및 실크패턴(28)이 형성될 수 있다. 상기 솔더 마스크(27)는 동박 회로를 코팅하여 회로를 보호하고 동시에 부품 실장과 같은 공정에서 솔더 브릿지(solder bridge, 땜납 걸침) 현상이 발생하는 것을 방지한다.
상기 기판(20)의 관통홀(H)을 중심으로 금속 패턴층이 형성되고, 금속패턴층(30)이 형성되지 않은 기판의 일측 외곽부분에는 스너버 회로를 구성하는 소자(R, C, D)가 장착된다. 그리고 기판(20)의 양측 외곽부분에는 권선들이 연결되는 권선단자들(21, 22, 23, 24, 25, 26)이 형성될 수 있다.
즉, 스너버 회로를 구성하는 저항(R), 커패시터(C), 및 다이오드(D)가 기판 상부의 외곽 일측에 형성될 수 있다.
그리고 상기 저항(R), 커패시터(C), 및 다이오드(D)의 하부에는 소자들이 연결될 수 있는 연결단(34)이 상기 금속패턴층(30)과 연결된다.
상기 연결단(34)은 트랜스포머에서 발생하는 열을 방열할 수 있도록 사각형 형상이고 다수의 홀(39)을 포함할 수 있다.
상기 금속 패턴층(30)은 보조권선(31), 1차권선(32), 및 2차권선(33)을 포함하며, 상기 보조권선(31)은 보조권선단자(21, 22)와 연결되고, 1차권선(32)은 1차 권선단자(23, 24)와 연결되며, 2차권선(33)은 2차권선단자(25, 26)와 연결된다.
상기 연결단(34)은 금속 패턴층(30) 중 2차권선(33)과 연결된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연결단(34)은 저항 연결단(35), 커패시터 연결단(36), 다이오드 연결단(37, 38)을 포함할 수 있다.
저항 소자(R)는 저항 연결단(35)의 상부에 형성되고, 커패시터(C)는 커패시터 연결단(36)의 상부에 형성되고, 다이오드(D)는 다이오드 연결단(37, 38)의 상부에 형성된다. 그리고 상기 다이오드 연결단은 다이오드 입력단(37)과 다이오드 출력단(38)으로 구성되며, 상기 다이오드 출력단(38)에는 다수의 비아홀(39)이 형성되어 있어, 트랜스포머에서 발생하는 열을 방열시킬 수 있다.
상기와 같이 스너버 회로를 구성하는 소자인 저항, 커패시터, 및 다이오드를 다층 기판의 일측에 형성함으로써 스너버 회로와 기판과의 거리를 줄일 수 있고 종래 스너버 회로에서 발생하는 여러 가지 문제점을 해소할 수 있다.
예를 들어, 플라이백 컨버터의 회로 기판에 스너버 회로를 구성하는 소자들(저항, 커패시터, 다이오드)을 장착할 경우 다이오드와 트랜스포머 출력단과는 최소한 10mm 이상의 거리가 발생한다. 이는 플라이백 컨버터 주기판의 협소한 면적과 부품 배치 때문에 발생하는데 이 때문에 높은 전류가 흐르는 이 부분에서 효율 저하와 발열 현상이 일어나며 EMI가 발생한다.
하지만, 본 발명과 같이 평면형 트랜스포머의 기판 일측에 스너버 회로를 구성하는 소자들을 장착하는 경우 다이오드(D)는 2차 권선의 출력단과 최단 거리로 연결되며 이 구간의 저항 성분이 거의 없어 효율 저하가 발생하지 않는다. 또한, 이로 인한 발열 현상과 EMI가 현저히 줄어든다.
또한, 다이오드 출력단에 다수의 비아홀을 구비하여 발열을 효율적으로 해결 할 수 있다. 그러므로 RCD 스너버 회로의 출력단은 평면형 트랜스포머 2차 권선 단자와 연결되어 플라이백 컨버터 주기판의 출력단과 연결된다. 이로 인해 효율저하 없이 충전기를 구현할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 트랜스포머는 DIP(Dual In Line Package)형과 SMD(Surface Mount Device)형 모두 적용가능하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10 : 코어
20 : 기판
30 : 패턴층
31 : 보조권선
32 : 1차 권선
33 : 2차 권선
34 : 연결단
35 : 저항 연결단
36 : 커패시터 연결단
37, 38 : 다이오드 연결단
39 : 비아홀

Claims (7)

  1. 서로 전자기 결합되는 한쌍의 코어를 갖는 코어부;
    적어도 1차 권선 금속 패턴층이 형성된 하나 이상의 기판과 2차 권선 금속 패턴층이 형성된 하나 이상의 기판을 포함하고, 상기 기판들이 상기 한 쌍의 코어 사이에 적층되어 배치된 복수의 기판; 및
    저항, 캐패시터 및 다이오드로 구성되고, 상기 2차 권선과 전기적으로 연결되며, 상기 복수의 기판 중 최외각 기판의 일측면에 장착되는 스너버 회로;
    를 포함하되,
    상기 각 기판의 일측면에는 상기 스너버 회로가 장착되기 위한 도전성 재질의 연결단이 형성되어 있고,
    상기 연결단은, 저항 소자가 장착되는 저항연결단, 커패시터 소자가 장착되는 커패시터 연결단, 및 다이오드 소자가 장착되는 다이오드 연결단이 상기 2차 권선의 출력단과 가깝게 배치된 것을 특징으로 하는 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드 연결단에는 방열용 비아홀이 형성되어 있는 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드 연결단에는 방열용 비아홀과 내부 금속층 패턴들이 형성되어 있는 스너버 회로 일체형 평면 트랜스포머.
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