系统、印刷电路板、充电器装置、用户装置及设备的制作方法

专利名称：系统、印刷电路板、充电器装置、用户装置及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含变压器的系统，变压器具有第一和第二变压器绕组和第一磁层，第一磁层层压在多层印刷电路板上，所述印刷电路板设有第一外表面和相反的第二外表面，在第一外表面上具有导体线路图形。
本发明还涉及一种印刷电路板，其设有第一外表面和相反的第二外表面，在所述第一外表面上具有导体线路图形，印刷电路板包括第一变压器绕组和第一磁层。
本发明还涉及适于应用在本系统中充电器装置、用户装置和设备。
从0.Dezuari等人所著的《Sensors and Actuators)》A，76(1999)第349至355页可以了解这种系统和印刷电路板。已知的印刷电路板包括以CoFeMo合金作为磁性材料的磁层。这种合金借助于液体环氧树脂或丙烯酸粘胶剂设置在环氧树脂基底上。磁层被图形化以形成矩形或环形的磁心。在具有合金的基底与印刷电路板的外表面之间具有环氧树脂板，在环氧树脂板的外表面上设置有导体线路图形。第一外表面和第二外表面上的导体线路通过通路进行电连接。通过第一外表面上的导体线路和第二外表面上的导体线路以及导体线路之间的两个通路形成变压器绕组的线匝。因而线匝所在平面与第一磁层所在平面垂直。如果磁层图形化为呈矩形，则线匝以及第一和第二变压器绕组将相互平行。因而变压器绕组形成三维图形，此图形盘绕在磁心或构成一层的磁心的一部分周围。
已知系统的缺点是变压器只具有1至10微亨的自感，最多可用于30kHz。因而已知印刷电路板不适合在开关式电源中用于电力转换。
本发明的第一个目的是提供一种本文第一段提到的类型的系统，其适合于在开关式电源中用于电力转换。
本发明的第二个目的是提供一种本文第一段提到的类型的印刷电路板，适于应用在根据本发明的系统中。
本发明另外的目的是提供适合于使用在根据本发明的系统中的用户装置、充电器装置及设备。
第一个目的的实现是通过
-变压器，其包括初级部分、次级部分和绝缘层，绝缘层位于初级部分与次级部分之间；-初级部分，其包括第一变压器绕组和第一磁层，第一变压器绕组构成导体线路的二维图形，层压在第一磁层与绝缘层之间的印刷电路板上，并电连接至第一外表面上的导体线路的图形。
-次级部分包括第二变压器绕组和第二磁层，第二变压器绕组位于第二磁层与绝缘层之间。
根据本发明的系统中的变压器在构造上与已知系统中的变压器不同。因而在根据本发明的系统中除了第一磁层之外还有第二磁层。此外，第一和第二变压器绕组所处的平面与磁层平面平行。另外，第一和第二变压器绕组位于第一和第二磁层之间。
业已发现，根据本发明中的变压器能够产生足够强的磁场。根据本发明的系统中的变压器的自感为1至10毫亨，即为已知系统中的变压器自感的1000倍。另外，根据本发明的系统中的变压器在几百千赫的频率下也可以使用。使用几平方厘米的横向尺寸就能够实现0.95或更高的耦合度，品质因数在10至40的数量级上。因此，根据本发明的系统非常适合于在开关式电源中用于电力转换。
根据本发明的系统可以包括印刷电路板，初级部分和次级部分层压在其中。但是，如果初级部分和次级部分相距一定的距离，最好是彼此平行，本系统中的变压器还能够运转。因而初级部分可以集成于充电器装置中，次级部分可以集成于用户装置中。在根据本发明的系统中可以使用充电器装置以不接触方式对用户装置充电。
其中这种用于不接触充电的系统还用于电动牙刷。除了具有电池和线圈的电动牙刷之外，已知系统还包括具有线圈的充电器装置。充电器装置具有环形装置，用户装置设置在环形装置中。不接触充电操作通过空气线圈原理进行；当用户装置安装在充电器装置的环形装置中时，线圈同心，能量转移通过空气发生。已知系统的缺点是，当用户装置未设置在环形装置中时仍会发生能量消耗。从经济或环境角度而言都不希望发生这种情况。根据本发明的系统可以消除这个缺点。已知的用于不接触充电的系统只能获得不超过38％的耦合度，根据本发明的系统能够实现95％或更高的耦合度。当充电器装置中不存在用户装置时，第一变压器绕组消耗的能量很小。变压器绕组中线圈的表面区域实际上相对较小，而且线圈最好较薄。另外，变压器绕组和磁层互相平行的构造使这种变压器比已知系统中的变压器效率高。
在根据本发明的系统中，不需要在充电器装置和用户装置中都具有印刷电路板，在印刷电路板中，分层的磁层和构成导体线路的二维图形的变压器绕组集成为一体。在一个优选实施例中，用户装置中的磁层构成设置在印刷电路板上的元件，变压器绕组位于印刷电路板的外表面。因而充电器装置可以具有比用户装置更大的表面区域，按照这种方式用一个充电器装置就可以同时对数个用户装置进行不接触充电。另外，充电器装置也可以集成于某个物体中，例如水果钵或浴室橱柜的搁板中。许多消费者都认为充电器装置是杂乱无章的。把充电器装置集成于类似水果钵这样的物体中，人们既看不到充电器装置，同时又非常易于使用。
根据本发明的用户装置的实例还有电动牙刷、电动剃须刀、移动电话、便携式计算机、便携式厨房用具、电子温度计、手表和电子闹钟。
如果变压器形成供电电路的一部分，对于电路的构造至少有两种布图是已知的，即回程(flyback)布图和谐振(resonant)布图。在实验中发现，变压器既可以用于具有回程布局的电路中，也可以用于具有谐振布局的电路中，即熟知本技术领域的技术人员都知道的谐振开关式电源。变压器最好能构成设计为谐振布局(例如半桥式)的一部分。本领域的技术人员都知道，原本由于自感而被消耗的功率被电容器利用产生谐振、正弦电流曲线，因此发生较小的功率损耗。因此根据本发明的系统中的变压器也可以在高于大约50瓦的较高功率下使用。
本发明第二个目的的实现是通过将第一磁层、第一变压器绕组构造成导体线路的二维图形，将绝缘层层压在第一和第二外表面之间，同时第一变压器绕组与第一外表面上的导体线路图形进行导电连接。从而可以达到发明目的，即印刷电路板适合于在权利要求1或2所述的系统中使用。可以理解，名词“印刷电路板”还包括其他任何类型的多层基底，例如低温共同烧制陶瓷(LTCC)基底。
第二变压器绕组最好构造成导体线路的二维图形，第二磁层位于绝缘层与第二外表面之间，第二变压器绕组和第二磁层与绝缘层、第一变压器绕组和第一磁层层压在一起。
本实施例中的变压器为完全分层结构。结果是可以用简单的方式制造出变压器。与设置有许多元件的印刷电路板相比，根据本发明的印刷电路板的优点是非常薄。为了获得最小的厚度，其他元件也集成在印刷电路板中，即位于磁层与外表面之间。变压器绕组的二维图形最好为螺旋形。
第一磁层包括磁性材料。这种材料还可以是铁氧体、铁或铁合金，或者其他磁性合金，并且还可以采取涂层或分布的粉末的形式。合金的实例有NiFe、CoFe、MnFe和CoFeMo。
在一个优选实施例中，第一磁层包括有机材料基体和磁性材料填充料构成的复合材料。虽然复合材料的相对导磁率不超过20，但仍然发现变压器的各项特性良好。另外还发现，如果选择的绝缘层满足用于馈电线分隔层的欧洲标准，并且在绝缘层中不存在磁性材料的互连，则变压器运转情况也令人满意。
复合材料在此处具有几个优点可以在不同的工序中制造，生产价格低；复合材料可以与根据本发明的印刷电路板中的其他层很好地层压在一起；另外复合材料层还可以作为导体线路图形的基底。用于基体的优选材料是环氧衍生物和聚酯，以及其他用于印刷电路板的材料。原则上，本领域技术人员所知道的磁性材料都适于用作复合材料的填充料。如果变压器是在最高至5MHz的低频条件下工作，最好使用铁氧体作为填充料。铁或含铁的颗粒适用于较高频率。填充料最好在按照体积计算密度超过50％的条件下使用。第一磁层和第二磁层都包括具有磁性材料填充料的基体的复合材料，这种情况下尤其可取。
在另一个实施例中，在第一磁层与导体线路图形之间的第一外表面上具有导电材料屏蔽层和电绝缘材料中间层。导电材料屏蔽层将表面上的导体线路和设置在表面上或者集成在印刷电路板中的元件与变压器的磁场屏蔽。可以选择数种材料用作导电材料，例如铜、铝、银、填充金属的环氧树脂和导电的低聚体或聚合体。适合的低聚体或聚合体的实例还有掺杂质的聚苯胺或掺杂质的聚噻吩，还可以用任选的C1-C10-烷基或烷氧基取代来替代。导电材料最好至少具有100S/cm的导电率。
最好在第二磁层和印刷电路板的第二外表面之间也具有导电材料屏蔽层和电绝缘材料中间层。因而在第二外表面上具有导体线路或元件，或者导体线路或元件集成在印刷电路板中，不会受到磁场的干扰。整个次级电路可以位于印刷电路板之中或者之上。
根据本发明的印刷电路板中的绝缘层最好非常薄。由于穿过绝缘层寄生磁场只围绕第一或第二变压器绕组而造成变压器损耗，这种变压器损耗得到了尽可能的限制。作为选择，绝缘层至少具有0.4mm的厚度，并伸出磁层至少2.5mm。这符合欧洲关于初级和次级电路之间的馈电线分隔层的要求，特别是当第一变压器绕组直接或间接连接至馈电线线时。这些要求规定固体表面上的漏电路径至少为5微米，空气路径至少为5mm。这些要求在印刷电路板的本实施例中都得到满足，而变压器或印刷电路板的尺寸不会增大。作为选择，除了本绝缘层之外，还可以具有其他电绝缘层，例如总共三层绝缘。如果两层一起满足测试电压4240Vdc的要求，绝缘层的总厚度会受到限制，例如0.15mm。
使用多个绝缘层的优点是它们非常适于在其上提供导体线路的图形。如果导体线路的图形是设置在绝缘层的任一面上，则两个在任一面上设置有导体线路图形的印刷电路板可以层压在一起。如果印刷电路板是可拆开的，即可以被分为两个部分，则最好可以使用多个绝缘层。
在另一个实施例中，绝缘层设置有通道(或贯通孔)，贯通孔中填充了包括有机材料基体或磁性材料填充料的复合材料。这种被填充过的通道能产生不与馈电线线分开的变压器。由于寄生磁场产生的损耗进一步缩小。而且，通道用磁性材料填充，可以不产生小于5mm的空气路径。为了此目的在绝缘层中设置了孔，例如绝缘层可以包括固化的环氧树脂。随后设置尚未固化的复合材料层。然后印刷电路板在高压下层压，复合材料流入孔中并将其填充。
如果希望使用单个变压器对电压进行有效转换，初级电路中的线圈数量需要大于次级电路中的线圈数量，或者在向较高高压转换的情况下相反。因此在另一个实施例中，在第一变压器绕组与绝缘层之间具有导体线路二维图形形式的第三变压器绕组，第三变压器绕组电连接至第一变压器绕组。由于第一和第三变压器绕组相互连接并平行设置，初级电路中的线圈的数量加倍。显而易见，为了进一步增加线圈的数量，还可以设置第四和第五变压器绕组并连接至第一变压器绕组。对于熟知印刷电路板领域的技术人员而言，导电连接或通过印刷电路板层的通路的制造是已知的。
由于厚度很小，根据本发明的印刷电路板在多种家用电子设备中的使用具有优势。另外，它还非常适合于在显示器中使用，例如液晶显示器、平板显示器和其他显示器，由于这些显示器的厚度很小，电压需要向增加方向转换。
下面将结合附图及实施例对根据本发明的系统、印刷电路板、充电器装置、用户装置的上述及其他方面进行详细说明，附图和实施例不应理解为代表任何限制，其中

图1是印刷电路板第一实施例的图解剖面图；图2是印刷电路板第二实施例的图解剖面图；图3是第二实施例的单个层的图解平面图；图4是印刷电路板第三实施例的图解剖面图；图5是本系统的图解剖面图。
附图为示意性图示，并不是按照真实比例，并且相同标号涉及相应的元件。熟知本领域的技术人员可以理解，如果不偏离本发明的本质内容及由权利要求书所限定的发明范围，还可以作出可选择的但等效的实施例。本领域的技术人员还可以理解，为了说明的简洁性，图中所示的变压器绕组的匝数被限定为不超过两个、三个和四个。
图1说明了印刷电路板10的第一实施例，印刷电路板10设置有第一外表面11和相对的第二外表面12。在本实施例中导体线路21，22的图形设置在第一外表面11上以及第二外表面12上。印刷电路板10还包括一组第一磁层2、第一变压器绕组4、第三变压器绕组6、绝缘层7、第二变压器绕组5和第二磁层3。所述线路构成变压器1；第一磁层2、第一变压器绕组4和第三变压器绕组6共同形成初级部分69。第二变压器绕组5和第二磁层3共同形成次级部分79。在电绝缘层23与绝缘层7之间具有第三变压器绕组6。所述绝缘层23最好是由已知材料(例如FR-4)制成的印刷电路板。第三变压器绕组6实际上是第一变压器绕组4的扩展，并借助通路31穿过绝缘层23与之相连。第一变压器绕组4借助于通路33和第三变压器绕组6连接至导体线路21的图形。变压器绕组4、5和6每个都具有若干设置了有电绝缘套管的铜线圈。如果变压器1是用于将电压变小，第一变压器绕组4和第三变压器绕组6一起形成初级变压器绕组；第二变压器绕组5将形成次级变压器绕组。
在本实施例中，第一磁层2和第二磁层3包括有机材料基体和磁性材料填充料的复合材料。有机材料是环氧树脂，磁性材料是粉状的铁氧体。铁氧体按照体积的密度是50％，复合材料的相对导磁率为20。层的厚度最好处于800至1200微米之间。结果是变压器1具有1至10mH之间的自感。本实施例中的绝缘层7大致由电绝缘材料的封闭层构成，例如厚度为0.4mm的环氧树脂半固化片或环氧树脂层板。绝缘层7从第一磁层2和第二磁层3伸出2.5mm。因此它可以满足欧洲关于馈电线分隔层的要求，因此它允许直接将初级变压器绕组连接至馈电线。
在第一实施例中，印刷电路板10在第一外表面11与第一磁层2之间包括铜屏蔽层24和电绝缘材料(例如FR-4层板)中间层25。中间层25同时是导体线路21图形的载体，导体线路21的图形是按照通常方式制成的。中间层25同时还是屏蔽层24的载体。但是屏蔽层24最好设置在第一磁层2上。在中间层25中设置了金属化孔或通路32、33，确保第一变压器绕组4和屏蔽层24与元件、馈电线或地的连接。本技术领域的技术人员将能够理解，除了第一变压器绕组4的通路33之外，在第三变压器绕组6与导体线路21之间还具有通路。在第二外表面与第二磁层3之间还设置了具有通路34和35的屏蔽层24和中间层25。
图2说明了印刷电路板10的第二实施例。绝缘层7和中间层23包括通道8，通道8用有机材料基体和磁性材料填充料的复合材料填充。磁性材料是铁氧体，有机材料是环氧树脂材料。通道8是制造是按照通常方式在绝缘层7和中间层23中制成孔。然后其上设置了复合材料，环氧树脂仍处于液体状态。随后当绝缘层7、第一磁层2、屏蔽层24、中间层23和25以及导体线路4、6和21的图形在压力下层压在一起时，液态环氧树脂流入并填充通道8。由于在通道8中的液态环氧树脂与绝缘层7的环氧树脂之间具有非常好的粘附力，沿通道的边缘没有漏电路径。因而具有通道的变压器10能够满足由欧洲权威机构制定的安全要求。
图3是印刷电路板10第二实施例的单层平面图。此图为第一变压器绕组4的平面图。所有位于第一变压器绕组4与第一外表面11之间的层都被省略了。如图3所示，除了通道8之外，在中间层23和绝缘层7中还具有两个通道18和28。图3还显示出了第一变压器绕组4和在第一变压器绕组4任一端的通路33和31。三个通道产生了变压器10的磁心，变压器包括第一磁层2、第二磁层3和通道8、18和28。因为穿过通道8、18和28的磁通量的磁阻小于通过绝缘层7和中间层23的其他位置中的磁阻，所以环绕第一变压器绕组4和第二变压器绕组6并穿过第一磁层2和绝缘层7或中间层23的寄生磁通量受到限制。
图4显示了印刷电路板10的第二实施例。在本实施例中，第一磁层2和第二磁层3包括磁性材料CoFeMo，非晶体状态的CoFeMo在可以购买到。这种材料的优点是可以用作小于100微米的薄层。为了保护磁性材料，第一磁层2位于电绝缘层41和42之间，第二磁层3位于电绝缘层43和25之间。在本实施例中，绝缘层7不满足欧洲安全要求，因为对于其他变压器和其他国家这种并非是必须的要求。最好能用厚度大约为200微米的印刷电路板作为绝缘层。在第三实施例中，在第二磁层与第二外表面12之间并没有屏蔽层24。
图5显示了本系统的图解剖面图。系统包括充电器装置71和用户装置72，对于设备71和72本图只显示了很少的详细情况。系统还包括变压器1，变压器1在充电器装置71中具有初级部分69，在用户装置72中具有次级部分79。
在充电器装置71中具有印刷电路板60，印刷电路板60具有第一外表面11和第二外表面62。印刷电路板60包括绝缘层67、第一变压器绕组4、中间层23、另一个变压器绕组6、磁层2、屏蔽层24、中间层25和若干通路31、32、33。第一变压器绕组4和另一个变压器绕组6构造为导体线路的二维图形。若干元件81、82、83、84和85固定在印刷电路板60的第一外表面11上。
在用户装置72(例如是移动电话)中具有印刷电路板60，印刷电路板60具有第一外表面11和第二外表面62。印刷电路板60包括绝缘层67、变压器绕组4、磁层2、屏蔽层24、中间层25和若干通路32、33。变压器绕组4构造为导体线路的二维图形。若干元件81、82、83、84和85固定在印刷电路板60的第一外表面11上。
权利要求
1.一种包括变压器(1)的系统，变压器(1)具有第一变压器绕组(4)、第二变压器绕组(5)和第一磁层(2)，第一磁层层压在多层印刷电路板(10，60)中，所述印刷电路板(10，60)设置有第一外表面(11)和相反的第二外表面(12，62)，在第一外表面(11)上具有导体线路(21)的图形，其特征在于变压器(1)包括初级部分(69)、次级部分(79)和绝缘层(7)，该绝缘层(7)位于所述初级部分(69)与次级部分(79)之间；初级部分(69)包括第一变压器绕组(4)和第一磁层(2)，该第一变压器绕组(4)构成导体线路的二维图形，并被层压在第一磁层(2)与绝缘层(7)之间的印刷电路板(10)中，并电连接至第一外表面(11)上的导体线路(21)图形；次级部分(79)包括第二变压器绕组(5)和第二磁层(3)，该第二变压器绕组(5)位于第二磁层(3)与绝缘层(7)之间。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述次级部分(79)形成印刷电路板(10)的一部分，从而使变压器(1)具有完全的分层结构。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，初级部分(69)形成充电器装置(71)的一部分，次级部分(79)形成用户装置(72)的一部分。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，变压器(1)形成设计成谐振布图的电路的一部分。
5.一种印刷电路板(10，60)，其设有第一外表面(11)和相反的第二外表面(12，62)，在所述第一外表面(11)上具有导体线路(21)的图形，并包括第一变压器绕组(4)和第一磁层(2)，其特征在于第一磁层(2)、第一变压器绕组(4)被构造成导体线路的二维图形，绝缘层(7)层压在第一外表面(11)与第二外表面(12，62)之间，而第一变压器绕组(4)电连接至第一外表面(11)上的导体线路(21)的图形；印刷电路板(10，60)适于应用在根据权利要求1或2所述的系统中。
6.根据权利要求5所述的印刷电路板(10)，其特征在于，第二变压器绕组(5)构成导体线路的二维图形，第二磁层(3)位于绝缘层(7)与第二外表面(12)之间，第二变压器绕组(5)和第二磁层(3)与绝缘层(7)、第一变压器绕组(4)和第一磁层(2)层压在一起。
7.根据权利要求5或6所述的印刷电路板(10，60)，其特征在于，至少第一磁层(2)包括有机材料基体和磁性材料填充料的复合材料。
8.根据权利要求5或6所述的印刷电路板(10，60)，其特征在于，导电材料制成的屏蔽层(24)和电绝缘材料制成的中间层(25)位于第一磁层(2)与导体线路(21)图形之间的第一外表面(11)上。
9.根据权利要求6所述的印刷电路板(10)，其特征在于，绝缘层(7)的厚度至少为0.4mm，并伸出磁层(2，3)至少2.5mm。
10.根据权利要求6所述的印刷电路板(10)，其特征在于，绝缘层(7)设有通道(8，18，28)，该通道(8，18，28)用包含有机材料基体和磁性材料填充料的复合材料填充。
11.根据权利要求5所述的印刷电路板(10，60)，其特征在于，在第一变压器绕组(4)与绝缘层(7)之间具有以导体线路二维图形形式存在的第三变压器绕组(6)，第三变压器绕组(6)电连接至第一变压器绕组(4)。
12.一种充电器装置(71)，其适于应用在如权利要求1所述的系统中，并设有如权利要求5所述的印刷电路板(60)。
13.一种用户装置(72)，其适于应用在如权利要求1所述的系统中，并设有如权利要求5所述的印刷电路板(60)。
14.一种设备，其适于应用在如权利要求2所述的系统中，并设有如权利要求6所述的印刷电路板(10)。
全文摘要
印刷电路板(10)，其包括分层的变压器(1)，具有第一磁层(2)、第一变压器绕组(4)、绝缘层(7)、第二变压器绕组(5)、第二磁层(3)，其中每个压器绕组(4，5)都包含导体线路的二维图形。绝缘层可以包括一个或多个包含磁性材料的通道(8，18，28)。除了一个印刷电路板(10)，变压器(1)也可以包含两个印刷电路板(60)，每个印刷电路板包括磁层(2)和第一变压器绕组(4)。所述印刷电路板还可以包含在充电器装置(71)和用户装置(72)中。
文档编号H01F30/00GK1419699SQ01807056
公开日2003年5月21日 申请日期2001年11月16日 优先权日2000年11月21日
发明者W·G·M·佩尔斯, H·巴拉卡特, H·T·沃斯, J·范拉尔 申请人:皇家菲利浦电子有限公司