CN1227660A - 平面变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一个用于位在一块电路板上的一个电路的平面变压器装置。该装置包括(a)一个第一块电路板(PCB1)，在它的上面已经制成了所说的电路，(b)一个补充电路板块(PCB2)，(c)一个初级绕组，它至少包括一个在一块电路板上形成的基本平面的导电图样，(d)一个次级绕组，它至少包括一个在一块电路板上形成的基本平面的导电图样，和(e)一个变压器芯子(F1，F2)，它至少部分地围绕诸初级和次级绕组。为了产生一个不贵的但是有效的适用于一个自动制造过程的变压器结构，已经在补充电路板块(PCB2)上既形成初级绕组又形成次级绕组。

Description

平面变压器
本发明一般地涉及一个制作在一块电路板上的变压器，特别是涉及一个制作在一块电路板上的平面变压器。术语平面变压器在本文中指的是一种变压器结构，其中诸绕组通过用基本上是平面的诸导电图样制成。这些导电图样中至少有二个彼此叠在一起，并使在二个相继的导电层之间有一个绝缘层。
本发明特别地涉及制作在一个电子设备的电路板上的诸电源。电路板典型的包括大量的其它电路，并有安置在电路板上的电源为所说的诸电路提供电压。这些电源的功率典型地是2到100W。由有诸分机架的诸电信设备形成的一个工作环境常常包括若干个平行的电路板，它们中的每一个都需要一个分开的电源。
在安置在一个电路板上的诸电源电路中，它们典型地是诸开关模式的电源。传统地将诸平面变压器制成诸离散的部件，其中例如，从铜板或铜箔制造的诸薄的绕组平片和诸绝缘体箔交替地堆积成一个堆叠，在其周围加上一个铁氧体芯子。这类传统的结构的缺点是它的价格高，制造诸层和将它们堆积成一个堆叠，并给部件装配上和用于联接到电路板的诸导体使得单个变压器的价格变得很高。
在诸新的变压器中，其中将诸变压器绕组集成在已经将电源制成在其上的同一块电路板上，已经消除了这个缺点。这种结构如图1所示，图1表示出一块多层电路板PCB1的四个导电层A到D，在每个导电层上都已制成希望的绕组图样WP1到WP4。这些绕组图样一起形成一个变压器的诸绕组(初级和次级绕组)。在图中所示的例子中，由有一个E形剖面的二个铁氧体块F1和F2形成变压器芯子。对于诸铁氧体，电路板包括诸孔H1到H3，它们在E形块诸臂的位置穿通电路板。将诸铁氧体块从电路板的二个相对的方面推入这些孔中，从而使它们彼此相对地安装在诸孔中，使得E形块诸臂的诸端表面彼此相对地安装。此后，通过用一个适当的机械锁定件将诸铁氧体块固定在电路板上。
然而，这样一个已经被集成在电路板上的结构有诸电流容限和效率的问题，这些问题是由这样一个事实即变压器的结构，特别是诸绕组层的厚度和数量与已在其上制成电源的电路板有关引起的。现在一个多层电路板的层厚度当考虑到需要从电源取得的功率时已经过度地薄了(典型的是35μm)，我们可以预期层的厚度将进一步减小。在这种结构中，诸导体不可避免地变得非常薄，这造成在电源中的低效率，特别当使用高功率时如此。
这些问题可以通过用一种变压器结构来解决，在该变压器结构中将诸变压器绕组的一部分制作在一块分开的基片上(一块电路板)，将该基片放在其上制作有诸变压器绕组的其它部分和诸余下的部件(其中包括电源)的电路板(母板)上。这种解决办法，例如，已经在美国专利5,321,380和EP专利申请318,955中提出来了。通过使用这种基本结构，例如，可以将次级绕组放在在一块分开的基片上，因为通常在次级绕组中的电流比在初级绕组中的高。
然而，这种结构的缺点是使变压器汇集在母板上包括若干个加工阶段，它们和用于将诸其它的部件放在和焊接在母板上的自动制造过程是不相容的。因此，将变压器汇集在母板上需要的诸加工阶段引入母板的制造过程使母板的制造变得更加困难了。
本发明的目的是为了消除上述的诸缺点和产生一种变压器结构，该结构(a)仍然保持作为上述的已知的集成在电路板上的结构的特征的价格优势，(b)没有上述的诸电流容限和效率的问题，(C)与母板的自动制造过程是完全相容的。
通过用如在独立权利要求中定义的一个变压器结构能够实现这个目的。
本发明的思想是在一块补充的电路板的一块分开的板上(在一块分开的基片上)基本上作为一个整体制作一个平面变压器的诸绕组(诸初级和次级绕组)。在这种方式中，能够不失去上述的诸优点，从一块补充的电路板和从一个变压器芯子形成一个变压器部件，该变压器部件能够以和所有的其它部件相同的方式自动地被安装在母板上，并通过用和诸其它部件相同的技术将它加到母板上。
因为一个这种平面变压器的制作与在其上制作电源及由这个电源供电的诸电路的电路板无关，所以在变压器的制作中能够用一块电路板，其中层的厚度和诸层的数量仅对由电源设置的诸要求进行最佳化(而在电路板上的诸其它电路没有对电路板设置诸要求)。在这种方式中，可以自由地选择有一个厚度大于母板厚度的层的电路板，并且在该电路板中层的数量大于在母板中的数量。当用根据本发明的解决办法时，例如能够通过用一块多层电路板，其中，例如，铜的厚度为150μm和层的数量为10，制成平面变压器的诸绕组。
现在我们将参照在所附的诸图中的图2a到7中所示的诸例子对本发明和它的诸优先实施例进行描述；其中
图1说明一个普通的在一块多层电路板上制作一个平面变压器的方法，
图2a说明根据本发明在一块母板上安装一个变压器部件的方法，
图2b是根据本发明的一个平面变压器装置的一个侧视图，
图3是在图2b中沿直线A-A取的平面变压器装置的一个横截面图，
图4说明一个补充电路板块的一个优先实施例，
图5说明将一个补充电路板块的诸导电层加到连接表面上的情形，
图6a说明从上面俯视时的平面变压器装置，而诸补充电路板块有图4所示的型式，
图6b对应于当从母板移去平面变压器部件时图6的样子，和
图7表示一块根据本发明用于制作诸补充电路板块的电路板。
图2a和2b表示从侧面观看时根据本发明的一个平面变压器装置，图2a说明在电路板(母板)上安装变压器部件的方法，图2b表示当变压器部件位在电路板中时的情形。图3是沿图2b的直线A-A取的平面变压器装置的一个横截面图。
根据本发明，在一块分开的电路板PCB2上作为一个整体制作诸变压器绕组(即诸初级和次级绕组)，在它们的周围加上形成变压器芯子的二个铁氧体块F1和F2。在这个补充的电路板块的中间已经形成了一个孔(H4，图4和7)和诸铁氧体块F1及F2，它们形成变压器芯子而且它们，例如，有E形剖面，被安置在补充电路板块的周围，使得对应的诸E形块臂彼此相对的安置。在这种情形中，将中间的诸臂穿过补充电路板块中的孔推进。补充电路板块和诸铁氧体块的尺寸是这样的，使得补充电路板块外边缘和铁氧体块的诸外臂的诸内表面相配地进入。通过用一个适当的方法将诸铁氧体块彼此锁定，因而形成一个分开的变压器部件。在图2a中，这个部件由参照符号PT表示。将这个变压器部件(按照图2a中的箭头A1)装入在母板PCB1上形成的孔H′中。该孔的尺寸基本上和变压器芯子的尺寸相对应，因而补充电路板块的部分的下表面，它留在变压器芯子的外面，被安置得和母板的上表面相对。孔H′由图2a中的诸虚线表示。
起母板作用的电路板PCB1可以是，例如，一块图1所示的那种类型的多层电路板。然而，母板不包括平面变压器的诸绕组，而是包括诸部件(由参照符号CC表示)和属于制作在母板上的电路的诸导电图样。
位在补充电路板块上的诸绕组是用和按照图1的已知解决办法相同的方法制成的。关于用来将诸不同层的诸导电图样彼此连接起来(并联或串联)的方法，在每一层中的诸匝数，哪些层形成初级绕组和哪些层形成次级绕组的诸问题能以和具体情形有关的诸不同的方式产生完全不同的结果，在这里没有予以说明。
图4表示补充电路板块PCB2的一个透视图，在该补充电路板块中根据本发明的优先实施例已经完成了到母板的诸连接。该补充电路板块优先地是从一个其顶层绕组图样是由参照符号WP′表示的多层电路板形成的。已经在该补充电路板块的外边缘上做了几个凹入部分R，它们基本上是有一个涂复金属的表面的半圆形。如后面所描述的，例如，能够通过首先在电路板中钻出或切割出诸通常的让导线通过的孔，然后在让导线通过的孔(lead-through)的中间切割电路板来制造这种连接。
根据本发明的一个附加的优先实施例，补充电路板块的每个导电层都包括一个连接到凹入部分R中的金属层的导电图样，并从凹入部分至少扩展某个距离。这个导电图样优先地是所讨论的层的绕组图样，但是它也可以是一个和该绕组图样分开的导电图样，特别是在绕组图样不到达凹入部分的诸层中是如此，但是，例如，通过一个普通的让导线通过的孔扩展到附近的导电层。上述的这种实施例如图5所示，它表示在凹入部分R(沿图4中的直线B-B)的补充电路板块PCB2的一个横截面。在图5的例子中，三个最上面的导电层(WP1到WP3)的诸导电图样形成次级绕组，而二个最下面的导电层(WP4和WP5)的诸导电图样形成初级绕组。次级绕组的诸导电图样连接到凹入部分R中的金属涂层，但是因为初级绕组的诸导电图样连接到另一个凹入部分，所以这些层包括一个分开的连接到凹入部分中的金属涂层的导电图样(P1和P2)。通过用这种解决办法，可以保证凹入部分中的金属涂层不会破裂松驰。连接到凹入部分中的金属涂层的导电图样也可以是一个如图4所示的那种金属化的连接区域CA。这种连接区域能够同时将所讨论的层的绕组图样连接到连接表面。因此每层都能有这种连接区域，而不管所讨论的层的实际的绕组图样是否达到连接表面。能够通过将一个有一个金属涂层的额外的让导线通过的孔加到该结构上，该金属涂层在每个导电层上被连接到凹入部分中的金属涂层，进一步保证在凹入部分中的金属涂层的连接。
图6a说明当从顶部观看时上述类型的一个平面变压器装置。诸连接凹入部分R可以位在沿着补充电路板块的边缘的任何一点上，除了被变压器芯子复盖的区域外。图6b和图6a中的图对应，除了在图6b中已将变压器部件PT从母板PCB1移去。如在图6b中所能看到的，母板包括一个和变压器芯子对应的孔H′，变压器部件就***这个孔中，和在凹入部分R的母板的诸绕组图样M_WP的诸连接区域CP，将诸连接的凹入部分焊接到这些区域。(母板的诸导电图样如图6a的诸虚线所示。)
通过将平面变压器的诸绕组作为一个整体放在一块分开的电路板上，可以产生能以和母板的诸其它部件(CC)相同的方式自动地安装在母板上的诸变压器部件。通过进一步用诸连接凹入部分R装备诸补充的电路板块，可以产生能容易地和廉价地制造出来的诸连接，并且，例如，当在和将所有的其它部件焊接在母板上相同的过程中，通过用已知的回流焊工艺能将诸变压器部件焊接到这些连接上。在这种方式中，对于变压器来说，不需要诸额外的部件，如诸附加的引线等，这些额外的部件需要诸附加的加工阶段并使价格增加。根据本发明的解决办法还有附加的优点，即容易在母板上制成诸导电的路径，因为没有诸绕组妨碍这样做。
图7说明一个可能的制诸电路板块的方法。一块大的多层电路板PCB3(只画出了它的一部分)沿长度方向分成诸部分，在每个部分中都准备了诸补充电路板块需要的诸绕组图样WP和诸涂复金属的连接凹入部分，诸部分被例如，通过钻孔或切割形成的诸孔眼彼此分开，从而以后能使诸补充电路板块通过弯折从电路板PCB3脱离开来。也能够通过诸孔眼钻孔或切割形成诸直径较大的让导线通过的孔T，以后产生诸连接凹入部分R。
尽管根据所附的诸图参考诸例子在上面对本发明进行了描述，但是很明显本发明不限于这些例子，并能根据一位熟练的技术人员的诸能力以许多方式加以变化。虽然上述的方法因为不需要任何分开的机械连接是优先的，但在原理上，可以通过用某种其它的方法，例如，通过粘结将变压器部件加到母板上。又，能用许多方法，例如，用在补充电路板块上形成的诸让导线通过的孔来实现变压器到母板的电连接(没有诸分开的连接器)。然而，就有关的制造问题来说，位在补充电路板块的外部边缘上的诸涂复金属的凹入部分是一个优先的(简单的)选择。此外，用于变压器的诸铁氧体的诸剖面能够发生变化。从一个通常的双面电路板制造诸补充电路板块也是可能的，如果这对于讨论中的应用是可行的话。自然地，也可以将变压器装置用于和对诸电源的应用不同的诸应用中。

Claims (7)

1．一个用于位在一块电路板上的一个电路的平面变压器装置，该装置包括
-一个第一块电路板(PCB1)，在它的上面已经制成了所说的电路，
-一个补充电路板块(PCB2)，
-一个初级绕组，它至少包括一个在一块电路板上形成的基本上平面的绕组图样，
-一个次级绕组，它至少包括一个在一块电路板上形成的基本上平面的绕组图样，和
-一个变压器芯子(F1,F2)，它至少部分地围绕诸初级和次级绕组，该装置的特征在于
初级和次级绕组二者都是在所说的补充电路板块(PCB2)上形成的。
2．如权利要求1所述的一个平面变压器装置，该装置的特征在于
将变压器芯子(F1,F2)加到补充电路板块(PCB2)上，因此变压器芯子和补充电路板块一起形成一个单独的平面变压器部件(PT)，和
-已经在第一块电路板(PCB1)上形成和变压器芯子对应的一个孔(H′)，已经将平面变压器部件(PT)***到该孔中。
3．如权利要求2所述的一个平面变压器装置，该装置的特征在于
从一块多层电路板制造补充电路板块，该补充电路板块的外边缘的特征是至少有一个涂复金属的表面的凹入部分，在凹入部分将补充电路板块电连接到第一块电路板。
4．如权利要求3所述的一个平面变压器装置，该装置的特征在于凹入部分基本上是半圆形的。
5．如权利要求3所述的一个平面变压器装置，该装置的特征在于补充电路板块的每个导电层都包括一个连接到凹入部分(R)的金属涂层的导电图样。
6．如权利要求5所述的一个平面变压器装置，该装置的特征在于导电图样(P1,P2)和所讨论的层的绕组图样是电隔离的。
7．如权利要求5所述的一个平面变压器装置，该装置的特征在于导电图样(CA)和绕组图样一起形成一个连续的导电图样。
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