具有高磁容積利用率的平面芯的制作方法
【專利說明】具有高磁容積利用率的平面芯
[0001] 相關申請的交叉參考 本申請要求2013年4月 9 日提交的題為"PLANAR CORE-TYPE UNIFORM EXTERNAL FffiLD EQUALIZER AND A PLANAR CORE FOR MAX頂UM MAGNETIC VOLUME UTILIZATION"的美國臨時 專利申請第61/810, 091號的優先權，該美國臨時專利申請出于所有目的通過引用并入本 文。
【背景技術】
[0002] 諸如變壓器等電氣/電子磁結構的設計和優化努力通常涉及調節磁芯的尺寸。根 據應用，對于結構的尺寸和容積的要求可以不同。例如，需要處理IkW功率的裝置將顯著地 在尺寸上比由相同材料但僅需要處理IW功率的裝置更大。
[0003] 通常使用的設計參數是確定了裝置功率處理能力的1，。乘積。為窗口面積， 并且A。稱為芯面積。當設計磁芯時，設計者通常&W aA。乘積并選擇滿足規格的芯結構。然 而，就其磁容積利用率而言，許多常規芯結構是次優的并且可以導致過多芯損耗。
【附圖說明】
[0004] 本發明的各種實施例在下列詳細描述和隨附附圖中公開。
[0005] 圖1是示出具有三條腿的磁芯結構的變壓器的示例的三維圖。
[0006] 圖2A-2C是諸如圖1的變壓器100的具有三條腿的磁芯結構的示例變壓器的投影 圖。
[0007] 圖3是平面芯式變壓器的實施例的分解圖。
[0008] 圖4A是如圖3中所示的PWB結構302的頂視圖。
[0009] 圖4B是包括均勻場均衡器的平面變壓器的實施例的示例的截面圖。
[0010] 圖5A是諸如304a或304b的芯半結構的實施例的頂視圖。
[0011] 圖5B是諸如304a或304b的芯半結構的實施例的三維視圖。
[0012] 圖5C是諸如304a或304b的芯半結構的實施例的側視圖。
[0013] 圖6A-6C是諸如圖3的300的平面芯式變壓器的實施例的投影圖。
[0014] 圖7是示出用于構造具有改良磁芯的裝置的過程（700)的實施例的流程圖。
[0015] 圖8是示出與圖4B中所示的區域330對應的放大截面圖的示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 本發明可以以許多方式實施，包括過程；設備；系統；物質組分；在計算機可讀存 儲介質上實施的計算機程序產品；和/或處理器，如經配置執行存儲在存儲器上且/或由存 儲器提供的指令的處理器，所述存儲器連接到所述處理器。在本說明書中，這些實施方式或 本發明可以采取的任何其他形式可以被稱為技術。通常，所公開的過程的步驟的順序可以 在本發明的范圍內改變。除非另外說明，如經配置執行任務而描述的諸如處理器或存儲器 的部件可以被實施為經暫時配置在給定時間執行所述任務的一般部件或經制造執行所述 任務的具體部件。如本文所用，術語"處理器"是指一個或多個裝置、電路和/或經配置處 理諸如計算機程序指令等數據的處理芯。
[0017] 與說明本發明的原理的附圖一起，在下面提供本發明的一個或多個實施例的詳細 描述。本發明與此類實施例結合描述，但本發明不限于任何實施例。本發明的范圍僅由權 利要求限制并且本發明包括許多替換、修改和等同物。許多具體細節在下列描述中闡述，以 便提供本發明的徹底理解。出于示例的目的，提供這些細節，并且本發明可根據權利要求實 踐，無這些具體細節中的一些或所有細節。為了清楚的目的，在與本發明相關的技術領域中 已知的技術材料尚未詳細描述，因此不必使得本發明模糊不清。
[0018] 公開了具有替代芯幾何形狀的平面芯式變壓器。在一些實施例中，該變壓器具有 包括第一部分和第二部分的磁芯結構。每個部分包括由對應組的繞組圍繞的腿支柱，和未 由繞組圍繞的中心部分。在一些實施例中，基于具有常規三條腿的芯的變壓器的參數來導 出芯部分的參數。
[0019] 圖1是示出具有三條腿的磁芯結構的變壓器的示例的三維圖。變壓器100包括兩 組繞組106a和106b以及三條腿的磁芯101。所述繞組使用導電線圈和電線形成，并圍繞兩 個外腿支柱l〇4a和104b。
[0020] 圖2A-2C是諸如圖1的變壓器100的具有三條腿的磁芯結構的示例變壓器的投影 圖。
[0021] 圖2A示出沿y軸的示例變壓器的前視圖。磁芯結構200包括中心腿支柱202和 兩個外腿支柱204a和204b。圍繞外腿支柱的繞組被示為206a和206b。陰影區域208a或 208b (中心腿支柱和外腿支柱之一之間的區域)每個稱為窗口區域，表示為1。在每組繞組 中的轉數和用于構造繞組的電線的截面積由1的值限制，因為所述繞組的總截面積不可以 超過該值。芯結構的高度表示為c。
[0022] 圖2B示出沿X軸的示例變壓器的側視圖。芯的頂部分和底部分具有與外腿支柱 相同的直徑，以避免由于磁通密度變化而引起的損失。芯具有截面積A。包括圍繞芯的繞組 的所述結構的寬度表示為b。
[0023] 圖2C示出沿z軸的示例變壓器的頂視圖。圍繞外腿支柱204a的繞組206a和圍繞 外腿支柱204b的繞組206b由中心腿支柱202分開。中心腿支柱的截面積表不為2A。。在 該示例中，中心腿支柱具有與每個外腿支柱相同的截面積。包括圍繞芯的繞組的所述結構 的腿表示為e。
[0024] 圖2A-2C中所示的裝置的容積是b、c和e的乘積（bee)。
[0025] 在其中變壓器的繞組嵌入印制線路板（PWB)(也稱為印制電路板（PCB))的一些平 面應用中，常規三條腿的磁芯幾何形狀占有的容積比所必要的容積更大并且可以不適合于 具有空間限制的某些設計。額外的磁路長度也導致附加的芯損失。為了減少變壓器的容 積，當維持跳空磁路（A。）的面積和窗口區域參數（W a)時構造具有不同芯幾何形狀的平面芯 式變壓器。具體地，使用重新分配常規三條腿的芯結構的中心面積（2A。)的芯結構實施具有 較少容積的變壓器。所述結構的細節和變壓器及其磁芯的參數在下列詳細描述。
[0026] 圖3是平面芯式變壓器的實施例的分解圖。在該示例中，變壓器300包括在印制 線路板（PWB)中形成的平面結構302,和使用鐵、硅鋼或其他合適磁材料構造的一組磁芯半 體 304a 和 304b。
[0027] 如圖所示，磁芯半體是相同的結構。在變壓器組件中，磁芯半體經定位面向彼此。 該結構的一側304a基本上是平坦的。該結構的另一側304b具有圓形凸部311a和311b，以 及非圓形凸部314a和314b。
[0028] 平面結構302包括許多經配置接收兩個磁芯半體304a和304b的開口。構建到 PWB中的是許多由絕緣材料(例如，塑料、聚合物等)層分開的導電層(例如，銅、合金等)。在 該示例中，PWB的導電層的至少一部分在圍繞圓形開口 312a和312b的區域中形成所述變 壓器的兩組繞組。通過使用諸如在各個層上疊層或電鍍線圈的已知技術和使用孔連接所述 層，將所述繞組(未示出)嵌入PWB。在一些實施例中，平面結構包括諸如使用導電板和跡線 形成的均衡器等附加特征。
[0029] 通過將磁芯半體的凸部放置在平面結構302上的對應開口內和在由箭頭316a和 316b所示的方向上將磁芯半體放在一起來組裝所述變壓器，使得圓形凸部310a和311a的 表面接觸并且圓形凸部310b和311b的表面接觸。總之，凸部310a和311a連接在一起以 形成芯結構的一個腿支柱，并且凸部310b和311b連接在一起以形成另一個腿支柱。由于 開口 312a和312b由在平面結構302中形成的導電繞組圍繞，當芯半體連接在一起以形成 穿過開口延伸的腿支柱時，腿支柱也由導電繞組圍繞。
[0030] 諸如314a和314b的非圓形凸部(也稱為中心部分)及其在芯半體304上的對應部 分分別穿過開口 318a和318b放置。由于所述非圓形凸部比圓形凸部更短，在變壓器組件 中，非圓形凸部的表面不接觸并且在非圓形凸部之間有間隙。此外，非圓形凸部不接收任何 導電繞組。換句話說，由于沒有繞組圍繞開口 318a和318b，沒有繞組圍繞非圓形凸部。當 電壓施加到主要繞組時，產生磁通量。由于通量必須形成完整的回路，由導電繞組產生的磁 通量中的至少一些磁通量被重新引導，以經由非圓形凸部返回到完整回路。換句話說，中心 部分為磁通量提供在物理上分開的路徑。例如，假設磁通量的8個單元由主要繞組產生并 穿過腿支柱311a，所述腿支柱311a的一半（4個單元)被引導至腿支柱311b。相應地，磁通 量的剩余4個單元被引導至中心部分314a和314b。因為所述中心部分被構造成對稱，所以 所述通量被均勻分割，使得磁通量的2個單元穿過每個中心部分。
[0031] 圖4A是如圖3中所示的PWB結構302的頂視圖。示出了圓形開口和非圓形開口。
[0032] 圖4B是包括均勻場均衡器的平面變壓器的實施例的示例的截面圖。在該示例中， 示出了沿圖4A中所示的線4A且垂直于PWB的頂表面和底表面的截面。如圖所示，用于構 造變壓器的PWB具有許多包括諸如銅或合金的導電材料的導電層。導電層由包括諸如塑料 或聚合物的非導電材料的絕緣層分開。通過使用諸如在每層上蝕刻或電鍍一圈繞組以及使 用孔形成繞組以在不同層中連接所述繞組圈等已知技術，可以形成導電線圈。層的數量和 PWB厚度取決于應用的要求，并且可以在不同實施例中變化。示出了導電層310a-310b的截 面。還示出了磁芯半體304a和304b。
[0033] 圖5A是諸如304a或304b的芯半體結構的實施例的頂視圖。圖5B是諸如304a 或304b的芯半體結構的實施例的三維圖。在一些實施例中，使用鐵材料構造芯半體結構。 外腿凸部352a和352b比中心凸部354a和354b高，使得當兩個磁芯半體被一起連接在變 壓器