TW201526045A

TW201526045A - 模組化平面線圈及包含該平面線圈的平面變壓器

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Publication number: TW201526045A
Application number: TW102149377A
Authority: TW
Inventors: Wen-Hsiang Wuli
Original assignee: Wen-Hsiang Wuli
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-07-01

Abstract

本發明的模組化平面線圈包括一第一平面線圈、一第二平面線圈以及串連兩者的連結部。第一平面線圈與第二平面線圈各包括電性串連的一外圈與一內圈，且該連結部電性連接該二平面線圈之內圈。該第一平面線圈與該第二平面線圈位於相鄰兩平面，並保持一距離。第一平面線圈與該第二平面線圈之外圈終端形成一接墊，並分別位於一接腳位置與一連接位置。本發明並揭示使用該平面線圈的平面變壓器。

Description

模組化平面線圈及包含該平面線圈的平面變壓器

本發明是關於一種模組化平面線圈，特別是關於一種應用在平面變壓器的平面線圈模組。本發明提供一種多層、多圈數的平面線圈，該平面線圈具模組化設計，便利與其他平面線圈連接。本發明並揭示使用該平面線圈的平面變壓器。

變壓器是電子產品供電的重要元件。習知變壓器體積龐大，無法滿足產品小型化的要求。平面變壓器(Planar transformer，或稱平板變壓器)是在多層印刷電路板(Printed circuit board,PCB)布設銅箔等導電箔片作為繞組，堆疊而成的變壓器，可以大大縮小變壓器的厚度。平面變壓器廣泛應用於通信、電腦、工業控制、航空工程、醫療設備等產品中。不過，因平面變壓器需要使用相當多層的電路板，體積仍大。且因效率不高，輸出阻抗也大，容易產生噪音。如何達成平面變壓器薄型化、高效率化，成為此行業亟待克服的技術難題。

台灣發明專利I387981號揭示一種平面變壓器，僅包括單一印刷電路板。不過，該單一印刷電路板乃是包括複數初級電路層、複數次級電路層及用於安裝磁芯的通孔。這件專利將多數繞線層製作在多層基板上，整體形成單一印刷電路板，以減少厚度。但結構與使用多層印刷電路板形成的平面變壓器結構相同。

台灣發明專利I357086號提供一種變壓器，適於配置於一線路基板內。變壓器包括一第一平面線圈及一第二平面線圈，其中第一平面線圈具有多數個第一繞圈，而第二平面線圈具有多數個第二繞圈。至少兩個相鄰的第一繞圈構成第一繞圈束。至少兩個相鄰的第二繞圈構成第二繞圈束。兩者相互跨越，藉此減少平面線圈的層數。

中國發明專利CN 103081044A揭示一種平面變壓器，具有多層的單層、單圈繞線板，並以不同的繞線板組合，依據不同的需要，構成不同型態的平面變壓器。

歐洲專利EP 2 602 801 A1揭示一種平面變壓器，具有多數單層、單圈繞線金屬板，作為次級繞線，以與初級繞線組合。

德國專利DE 10 2012 003 365A1揭示一種平面變壓器，使用渦形金屬條作為繞線。該渦形金屬條為單層、多圈設計。繞線內圈的終點折彎穿越絕緣板至另一平面。

歐洲專利EP 2 637 183A2揭示一種平面變壓器，使用單層單圈繞線板作為線圈。繞線板並延伸出接墊(pad)形狀，以作為層與層之間，以及與外界的連接電極。

美國專利公開案2013-278371A1揭示一種平面變壓器，使用多數單層的平面金屬繞線，並將多數金屬繞線以端子串聯及定位，達成多層繞線的目的。

專利合作條約專利案WO 0070926A1也揭示一種平面變壓器，使用連續材料製作多層、單圈繞線板。各層之間以接墊形狀的舌片串接。

由平面變壓器的技術現狀可知，業界對於平面變壓器的小型化，可謂不遺餘力的開發。但仍難以擺脫習知以印刷電路板製作平面變壓器的窠臼。所提出的設計，均以單層繞線板作為組合的單元，也無法提出一種真正達成多圈繞線目的的設計。再者，雖然有特定已知技術提出將多數繞線板串連的設計，但其連結方式固定，僅能提供特定的繞線板結構，供特定層數或圈數的繞線板模組應用。不具有模組化設計，無法因應使用上的需求做不同的組合或延伸。

本發明的目的在提供一種模組化的多層、多圈平面線圈。

本發明另一目的在提供一種容易因應使用上的不同需求，改變平面線圈的層數與圈數的平面線圈。

本發明的目的更在提供一種使用具有模組化平面線圈的平面變壓器。

本發明的目的更在提供一種製作簡便且適合應用在表面黏著安裝的平面線圈與使用該平面線圈的平面變壓器。

根據本發明的模組化平面線圈，乃是一平面線圈組件，包括一第一平面線圈、一第二平面線圈以及一連結部，以電性串連該第一平面線圈與該第二平面線圈。其中，該第一平面線圈與該第二平面線圈各包括電性串連的一外圈與一內圈，彼此保持一距離，且該連結部電性連接該二平面線圈之內圈。該第一平面線圈與該第二平面線圈位於相鄰兩平面，並保持一距離。該第一平面線圈與該第二平面線圈的外圈離開其內圈的一端延長形成接墊(pad)。其中，該第一平面線圈的接墊位於包含該二平面線圈區域的假想幾何圖形外周上的第一位置，且該第二平面線圈的接墊位於該幾何圖形外周上，離開該第一位置的第二位置。兩接墊在高度方向上延伸至相同高度或不同高度。

在本發明的較佳實例中，該幾何圖形為包含該二平面線圈區域的一矩形。在其他實施例中，該幾何圖形為包含該二平面線圈區域的一多邊形或圓形。

在本發明的較佳實例中，該平面線圈組件另可包括一絕緣片，介於該第一平面線圈與該第二平面線圈之間。該絕緣片形成一切口，以供該連結部崁入。

在本發明的某些實例中，該第一平面線圈、該第二平面線圈與該連結部形成一連續材料。在其他實例中，該第一平面線圈與該第二平面線圈為分別製作，並以該連結部連接。在此種實例中，該連結部可為一焊材或一黏性導電材料。

在本發明的某些實例中，該第一平面線圈與該第二平面線圈形成渦形。在此實例中，該第一平面線圈與該第二平面線圈之內周與外周均分別形成實質上一周。在本發明其他實例中，該第一平面線圈與該第二平面線圈形成矩形輪廓，例如為位在同平面的多重矩型，或位在同平面的多重正方形。在此實例中，該第一平面線圈與該第二平面線圈之內周與外周均分別形成實質上一周。

在本發明的另一面向，乃是提供一種平面線圈模組，包括二組前述本發明平面線圈組件，其中，第二平面線圈組件之第一平面線圈的接墊位於該幾何圖形外周上的第二位置，且其第二平面線圈的接墊位於該幾何圖形外周上，離開該第一與第二位置的第三位置。二組平面線圈組件於該第二位置電性連接。

一種使用本發明模組化平面線圈的平面變壓器可包括該第一平面線圈組件、與該第一平面線圈組件堆疊之另一平面線圈組件(第三平面線圈模組)，以及一鐵心。該鐵心向垂直該二平面線圈組件平面之方向延伸，並穿過該二平面線圈組件之中央部分。該第三平面線圈模組包括至少一平面線圈。該平面變壓器另可包括一金屬殼體，包覆該鐵心及該二平面線圈組件之線圈部分。

在本發明的實施例中，該平面變壓器另可包括與該第一平面線圈組件於該第二位置串接的該第二平面線圈組件。另可包括與該第一、第二平面線圈組件堆疊，另一平面線圈組件(第四平面線圈組件)。該第四平面線圈模組包括至少一平面線圈。於此種實施例中，該第三平面線圈組件與該第四平面線圈組件中至少一者夾置於該第一、第二平面線圈組件之間。

上述及其他本發明的目的及優點，可由以下詳細說明並參照圖式，而更形清楚。

1‧‧‧平面變壓器

10‧‧‧第一平面線圈組件

11、12‧‧‧接墊

13‧‧‧第一平面線圈

131、141‧‧‧外圈

132、142‧‧‧內圈

14‧‧‧第二平面線圈

15‧‧‧連結部

16‧‧‧絕緣片

17‧‧‧切口

18‧‧‧孔洞

20‧‧‧第二平面線圈組件

21、22‧‧‧接墊

231、241‧‧‧外圈

232、242‧‧‧內圈

30‧‧‧第一線圈板

40‧‧‧第二線圈板

50‧‧‧第三線圈板

60‧‧‧第四線圈板

70‧‧‧鐵心

71‧‧‧上殼體

72‧‧‧下殼體

73、74、75、76、77、78、79‧‧‧絕緣板

P1‧‧‧第一位置

P2‧‧‧第二位置

P3‧‧‧第三位置

第1圖表示使用本發明模組化平面線圈的平面變壓器結構示意圖。

第2圖表示本發明模組化平面線圈一種實施例的立體圖。

第3圖表示本發明模組化平面線圈另一種實施例的立體圖。

第4圖為顯示本發明模組化平面線圈連結方式一種實例之示意圖。

以下依據圖式說明本發明模組化平面線圈的數種實施例。但須說明，本發明對於實施例的說明，僅在例示本發明模組化平面線圈的基本架構與可能的應用，並非用來限制本發明的範圍。

第1圖表示使用本發明模組化平面線圈的平面變壓器結構示意圖。如圖所示，在此種實施態樣中，該平面變壓器1乃是由圖上方至下方包括：上殼體71、絕緣板73、第一線圈板30、絕緣板74、第一平面線圈組件10、絕緣板75、第二線圈板40、絕緣板76、第三線圈板50、絕緣板77、第二平面線圈組件20、絕緣板78、第四線圈板60、絕緣板79、下殼體72，以及穿過各線圈與絕緣板中心部分的鐵心70。在該結構中，第一線圈板30、第二線圈板40、第三線圈板50、第四線圈板60依序串接，作為二次側線圈。第一平面線圈組件10與第二平面線圈組件20串接，作為一次側線圈。當然，在該結構中，一次側線圈與二次側線圈可以互換。為說明起見，以下均以「一次側線圈」指稱第一平面線圈組件10及/或第二平面線圈組件20，以「二次側線圈」指稱第一線圈板30、第二線圈板40、第三線圈板50、第四線圈板60之全部或一部。因此，在以下說明中，「一次側線圈」與「二次側線圈」為可互換、通用的概念。

圖中顯示，該一次側線圈是使用兩組具有雙層、雙圈結構的平面線圈組件10、20。該二次側線圈是使用四組單層、單圈線圈板。但此行業人士均知，該二次側線圈也可使用任何數量的平面線圈組件，也可以平面線圈組件與單層線圈板並用。所使用的各側線圈數量也不限於本實施例所示。例如，可僅使用一組平面線圈組件(一次側)及一組或兩組單層線圈板(二次側)。也可使用二組平面線圈組件(一次側)及一組或兩組單層線圈板(二次側)。但為提高效率，較好使一次側線圈與二次側線圈交疊。在各線圈之間可使用絕緣板絕緣，但也可使用其他方式絕緣，例如以形成在線圈表面的絕緣層絕緣。該絕緣片或絕緣層的材料可使用任何市售的絕緣材料，只要適於加工並能提供良好絕緣效果即可。如使用絕緣片，厚度不宜太厚，但也不宜太薄，以致損及其絕緣效果以及固定功能。

在上述結構中，該二次側線圈板30、40、50、60可以利用任何適用的方式加以串接。該一次側平面線圈組件10、20為本發明模組化線圈組件之兩種實例。圖中顯示，平面線圈模組10、20均有兩個接墊11、12與21、22(參見第2、3圖)伸出模組之外。該四組線圈板30、40、50、60也各有兩個接墊伸出模組之外，與該平面線圈模組10、20之接墊11、12；21、22位於相反側。但兩側線圈的接墊是否置於相反兩側，並非任何技術上的限制。

將上述的元件組合後，即形成一組變壓器1。其中，上殼體71及下殼體72分別覆蓋該鐵心70以及該平面線圈模組10、20與該線圈板30、40、50、60的線圈部分。除可保護該變壓器1，另提供電磁波屏障的功能。該平面線圈模組10、20的接墊11、21、22(見第2-3圖)與該線圈板的接墊提供該變壓器1可以表面黏著方式，組裝在電路基板的可能。

在本發明的實施例中，該平面線圈模組件10、20與該線圈板30、40、50、60均以導電性佳的材質製作。適用的材料包括各種金屬或合金，例如銅、銀、黃銅等。該鐵心70的材料與形狀、尺寸，可依據應用上的需求，從已知技術中選用。該上、下殼體71、72的材料、形狀與尺寸，也可依據應用上的需求，從已知技術中選用。此外，該殼體也不限於以上下殼體組合的方式。以單一材料製成殼體或以多於兩個元件組合，也屬可行。如有必要，可以省略其中一面的殼體或增加其中一面殼體的層數。凡此皆屬已知技術的範疇，不須在此贅述。

第2圖表示本發明模組化平面線圈一種實施例的立體圖。如圖所示的模組化平面線圈乃是形成平面線圈組件10。該平面線圈組件10包括一第一平面線圈13、一第二平面線圈14以及一連結部15。第一平面線圈13與第二平面線圈14位於兩相鄰平面，彼此保持一定距離。在本實施例中，該第一平面線圈13、該第二平面線圈14與該連結部15是以一連續材料製成。該第一平面線圈13、該第二平面線圈14與該連結部15以導電性佳的材質製作。適用的材料包括各種金屬或合金，例如銅、銀、黃銅等。從成本、加工、導電性與組裝容易等角度考量，銅箔應為較佳選擇。但並非任何技術上的限制。該形成單一材料的第一平面線圈13、第二平面線圈14與連結部15可以任何金屬加工技術製作。適用的技術包括塗布、低溫變形、高溫變形、裁切、沖壓、蝕刻等已知技術或其結合。

該第一平面線圈13、該第二平面線圈14與該連結部15也可不以一連續材料製成。例如，該第一平面線圈13與該第二平面線圈14可分別製作完成後，再以該連結部連接。在此種實例中，該連結部15可為一焊材或一黏性導電材料。在以此種方式製作時，必須注意使該連結部15電性串連該第一平面線圈13與該第二平面線圈14。

第2圖也顯示，該第一平面線圈13與該第二平面線圈14各包括電性串連的一外圈131、141與一內圈132、142，彼此保持一距離。圖中雖然顯示該第一平面線圈13與該第二平面線圈14各包括兩圈繞線，但本發明並不限於兩圈繞線的結構。多於兩圈繞線也可適用在本發明。該圈數乃是取決於所需的電壓轉換比例、繞線的寬度、各圈的距離以及鐵心70的直徑。故非任何技術上的限制。此外，各圈繞線的材料寬度、厚度，甚至形狀，均可視需要而決定。基本上以表面形成平面之繞線，較為節省材料與容易加工。

在第2圖的實例中，該連結部15電性連接該二平面線圈13、14之內圈132、142，並使該二平面線圈13、14的繞線全部沿相同時鐘方向延伸。即使第一平面線圈13與第二平面線圈14電性串連，位於相鄰兩平面，並保持一距離。

在該第一平面線圈13與該第二平面線圈14的外圈131、141上，離開其內圈132、142的一端，該繞線延伸而形成接墊(pad)11、12。在本發明的設計中，該接墊11、12分別位於包含該二平面線圈區域的假想幾何圖形外周上的第一位置P1，以及離開該第一位置的第二位置P2。具體而言，該幾何圖形可為包含該平面線圈組件所在區域的一矩形，例如該上、下殼體71、72在該接墊11、12所在平面投影形成的矩形，如第4圖所示。此時，該接墊11、12可分別位於該矩形一側或兩側的第一位置P1與第二位置P2(參第4圖)，如第4圖所示。在表面黏著應用上，該第一位置P1與第二位置P2可為該平面變壓器的任何兩支腳位所在之處。在其他實施例中，該幾何圖形也可為包含該平面線圈組件所在區域的一多邊形或圓形。其形狀並無任何限制，全視應用上需要而定。該接墊11、12並可折彎，形成適於表面黏著加工的接墊。此外，也可向橫向延伸，形成較大面積的接墊，以提固定或散熱的功能。在本發明較佳實例中，各接墊11、12的位置位在標準表面黏著元件的不同接腳位置。

第2圖所顯示的第一平面線圈13與第二平面線圈14都是形成渦形，亦即略呈圓形的輪廓。這種設計可以提供較佳的轉換效率。但本發明並不限於渦形的繞線。例如習知技術常用的方形、矩形繞線，乃至於其他幾何形狀的繞線，都可適用在本發明。圖中顯示該第一平面線圈與該第二平面線圈之內周與外周均分別形成實質上一周。這種設計可確保該第一平面線圈13與第二平面線圈14的繞線角度達到最大。但並非任何技術上的限制。如果該繞線並非渦形，仍可使該第一平面線圈與第二平面線圈之內周與外周均分別形成實質上一周。藉此使繞線角度達到最大。

在第2圖的實例中，該平面線圈模組10另包括一絕緣片16，介於該第一平面線圈13與該第二平面線圈14之間，以電性隔絕該二平面線圈。該絕緣片可使用與絕緣片73-79相同的材料與尺寸、厚度。該絕緣片16形成一切口17，以供該連結部15崁入。如此形成穩固的平面線圈模組10。該切口17的深度視應用上需要而定，但較好不要延伸到該絕緣片16中央的孔洞18。

如有必要，可在該絕緣片16上、下兩面施以黏著劑，以提高第一平面線圈13與第二平面線圈14的定位效果。此外，在該第一平面線圈13與第二平面線圈14的繞線表面，也可施加絕緣塗層(未圖示)，以提高絕緣效果。

在組裝時，該平面線圈組件10的繞線較好與鄰近的線圈板30、40(第1圖)繞線重疊。但使用穿越方式或偏移排列方式，也屬可行。

第3圖表示本發明模組化平面線圈另一種實施例的立體圖。如圖所示，本實施例的模組化平面線圈也形成一平面線圈組件20。該平面線圈組件20的結構與第2圖的平面線圈組件10相同。最大的差異乃是其外圈231、241上，離開其內圈232、242的一端，繞線也延伸而形成接墊21、22，但該接墊21、22分別位於包含該二平面線圈區域的假想幾何圖形外周上的第二位置P2，與離開該第二位置的第三位置P3(參第4圖)。以第4圖所示為例，該幾何圖形為位在一平面上，與該上、下殼體71、72重合的矩形。此時，該接墊21、22分別位於該矩形一側或兩側的第二位置P2與第三位置P3。換言之，該第二位置P2相對於該幾何圖形，與第2圖實施例中，第二線圈外圈延伸出來的接墊12所在位置相同。在表面黏著應用上，該第二位置P2與第三位置P3也可為該平面變壓器的任何兩支腳位所在之處。在此設計下，兩組平面線圈組件只要其中一組具有一接墊位於與另一組之一接墊相同位置，即可將該兩接墊搭接，形成電性連結，達成兩組平面線圈組件串接的目的。

第4圖為顯示本發明模組化平面線圈連結方式一種實例之示意圖。圖中，包圍兩平面線圈組件的方框代表含該兩平面線圈組件的平面變壓器包裝後可能的形狀。如圖所示，在將平面線圈組件10、20串接時，只要將兩組組件重疊，兩者間維持預定距離，並將兩者相對該想像幾何圖形位於相同位置的接墊搭接，固定，即可形成串接的線圈。兩線圈組件的固定方式可為任何工業上使用的方法，例如焊接，黏著、冷鍛、熔接等，只要達成兩者電性連接即可。此外，圖中也顯示，平面線圈組件10的接墊11與平面線圈組件20的接墊21、22均折彎延伸，形成墊片，以利與線路板上的接點接觸。因平面線圈組件10位在距基板較遠位置，故其接墊11、12在高度方向上延伸一相同之長度。平面線圈組件20位在距基板較近位置，其接墊21、22在高度方向上延伸一短於接墊11、12的相同長度。此外，平面線圈組件10的接墊12僅提供與平面線圈組件20搭接的功能，故不須折彎形成墊片形狀。

第4圖所顯示的特定實例中，串接方法的順序為：由位在第一位置P1的接墊11，進入第一組平面線圈組件10中，位於圖中第二層的第一平面線圈13外圈131與內圈132，進而至位於圖中第一層(最上層)的第二平面線圈14的內圈142與外圈141，達到位在第二位置P2的接墊12。經由接墊12與同位在第二位置P2的接墊21的搭接，由該接墊21進入第二組平面線圈組件20中，位於圖中第四層(最底層)的第一平面線圈23外圈231與內圈232，進而至位於圖中第三層的第二平面線圈24的內圈242與外圈241，達到位在第三位置P3的接墊22。

將平面線圈組件10與平面線圈組件20串接後，形成一四層、雙圈的繞線結構，並提供三支接墊之墊片，可供以例如表面黏著方式組裝於線路板上。當然，如果不需要三支墊片，可將接墊21的墊片省略。該接墊21即僅提供與接墊12連接的功能。但考慮整體平面線圈組件的穩定性，該接墊無論是否提供電氣或電子連接功能，均以設置墊片為宜。目的是以該墊片支撐整個平面線圈。

當然，在第4圖的實例中所示的串接方法，僅是一種可能的實例。由於本發明提供了模組化的平面線圈架構，各組平面線圈組件具有基本上完全相同的線圈本體架構，只要對於其接墊位置與長度，乃至於是否延伸出墊片，因應實際應用上的需求，加以變化，即可達成不限圈數、層數的線圈架構。例如，平面線圈的連接方式，可沿圖中第一層、第二層、第三層、第四層的順序串接。或以任何層次順序串接。此外，只要延長該第一組平面線圈10的接墊11、12長度，即可在兩組平面線圈組件之間設置其他同級或不同級的平面線圈，或者其他電子元件。如上所述，本發明提供了一種模組化的平面線圈架構。該模組化平面線圈具有多層、多圈的繞線。足以提供更大選擇性的轉換比例。該平面線圈組件的繞線可以形成單一材料，易於製作及組裝。模組化的接墊設計，提供可輕易將多數平面線圈組件串接的功能。使用是可以根據應用上的需要，任意組合達成所需層數、圈數的繞線。本發明的平面線圈模組不需使用印刷電路板製作，可以大幅縮小平面變壓器的厚度。且因單一組件即形成多層、多圈的繞線，可以降低阻抗，提高轉換效率。