具有平面初级绕组的变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种变换器，例如电流感测变换器，其中被布置在印刷电路板内的传导迹线用作变换器的初级绕组。变换器还包括例如在绕线管的空心销轴周围卷绕的次级绕组，磁芯的芯柱被布置穿过所述绕线管的空心销轴。磁芯芯柱以及在一些实施例中还有次级绕组的全部或部分被插入由初级绕组迹线环绕的印刷电路板中的通孔。
【专利说明】具有平面初级绕组的变换器
[0001]相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§ 119(e)要求2012年6月12日提交的临时申请号61/658，450的优先权，其通过此引用合并到本文。
【技术领域】
[0002]本公开属于电气变换器的领域。所公开的实施例针对电流感测变换器(currentsense transformer)、变换器的其它应用以及包括此类装置的系统,例如功率转换器。
【背景技术】
[0003]电磁变换器已经长期作为许多电气和电子系统中的常用部件，并且尤其在那些系统中提供例如电流隔离、降低或升高电压或电流转换以及功率转换的功能。除了在这些系统的功率回路中变换器的使用之外，变换器还经常作为控制应用中的电流传感器使用。
[0004]作为本领域中的基本原则，电子系统的小型化继续作为主要的趋势。这个朝着小型化的驱动还适用于功率电子设备，包括例如功率转换器的子系统。但是因为变换器必定要求磁芯并且还要求导线或别的导体的多个绕组，变换器不能容易地集成到固态部件中，并且分立的变换器可以另外被最小化的程度也被限制，尤其是相对于其它部件。变换器可能是它的子系统印刷电路板上最高的部件，并且因此从子系统形状因数的立场来看，带来限制性的尺寸。下面讨论另外的问题。
【发明内容】
[0005] 所公开的实施例提供变换器以及制作该变换器的方法，其中变换器所安装到的印刷电路板中的一个或多个导体被用作变换器的绕组之一。
[0006]所公开的实施例提供这样的变换器和方法，其中次级绕组全部或部分被布置在印刷电路板的平面内。
[0007]所公开的实施例提供这样的变换器和方法，其中初级绕组包括印刷电路板相应的层中的多个迹线，所述多个迹线并联连接以减少初级的串联电阻。
[0008]所公开的实施例提供适合作为电流变换器使用的这样的变换器和方法。
[0009]使用一个或多个印刷电路板迹线作为绕组之一(例如，初级)来构造包括初级绕组和次级绕组以及磁芯的变换器。磁芯具有在接近初级绕组导体迹线的位置插入穿过印刷电路板中的孔的第一芯柱(leg)，以及在附近位置插入穿过板的一个或多个其它芯柱。次级绕组与磁芯同轴(coaxial)，例如，在磁芯被穿过其布置的绕线管的空心销轴周围卷绕。
[0010] 按照本公开的第一方面，提供一种变换器，包括:
第一绕组，包括环绕印刷电路板中的第一通孔的至少一个传导迹线；
磁芯元件，包括顶部构件、底部构件以及在顶板与底板之间延伸并且穿过所述印刷电路板中第一通孔和第二通孔中相应的通孔的第一芯柱和第二芯柱，所述磁芯元件的所述顶板和底板被布置在所述印刷电路板的相反侧； 第二绕组，与所述磁芯元件的一部分同心；以及第一引线和第二引线，连接到所述第二绕组的相应末端。
[0011]按照第一方面所述的变换器，其中所述第二绕组包括具有围绕所述磁芯元件的所述第一芯柱的选定匝数的导线绕组。
[0012]按照第一方面所述的变换器，其中所述第二绕组的所述选定匝数中的至少一些被布置在所述印刷电路板的所述第一通孔内。
[0013]按照第一方面所述的变换器，其中所述第二绕组的所述选定匝数全部都被布置在所述印刷电路板的所述第一通孔内。
[0014]按照第一方面所述的变换器，还包括:
绕线管，具有被布置在所述印刷电路板的一侧上并且支撑所述第一引线和第二引线的基底，并且具有从所述基底延伸并被布置在所述第一通孔内的空心销轴元件，所述第二绕组被布置在所述销轴元件的外表面上，并且所述磁芯元件的所述第一芯柱被布置在所述空心销轴元件内。
[0015]按照第一方面所述的变换器，还包括:
绕线管，具有被布置在所述印刷电路板的一侧上并且支撑所述第一引线和第二引线的基底，并且具有从所述基底延伸的空心销轴元件，所述第二绕组被布置在所述销轴元件的外表面上，并且所述磁芯元件的所述第一芯柱被布置在所述空心销轴元件内；
其中所述第一通孔具有大小小于所述空心销轴元件的截面的截面；
并且其中所述第二绕组包括具有所述空心销轴周围的选定匝数的导线并且被布置在所述第一通孔的外面的导线绕组。
[0016]按照第一方面所述的变换器，其中所述第一绕组包括:
多个传导迹线，每个都被放置在所述印刷电路板的多个传导层之一中，并且每个都环绕所述第一通孔。
[0017]按照第一方面所述的变换器，其中所述多个传导迹线各自延伸到内缘；
并且其中所述第一通孔被边缘镀覆以将所述多个传导迹线互相并联连接。
[0018]按照第一方面所述的变换器，其中所述第一绕组用作所述变换器的初级绕组；
其中所述第二绕组用作所述变换器的第一次级绕组；
并且还包括:
与所述磁芯元件的所述第一芯柱同心的第二次级绕组；以及连接到所述第二次级绕组的相应末端的第三弓I线和第四引线。
[0019]按照第一方面所述的变换器，其中所述磁芯元件还包括:
延伸进入所述印刷电路板中的第三通孔的第三芯柱，所述第三通孔被布置在所述第一通孔的与所述第二通孔相反的一侧上；
其中所述顶部构件连接所述印刷电路板的一侧上的所述第一芯柱、第二芯柱和第三芯柱的末端；
并且其中所述底部构件连接所述印刷电路板的另一侧上的所述第一芯柱、第二芯柱和第三芯柱的末端。
[0020]按照第一方面所述的变换器，其中所述第二绕组包括具有围绕所述磁芯元件的所述顶部构件的选定匝数的导线绕组。
[0021]按照本公开的第二方面，提供一种用于变换器的组件，包括:
由磁性材料组成的磁芯兀件，并且至少具有从第一基底的相同侧延伸的第一芯柱和第二芯柱；
由磁性材料组成的磁性连接构件，具有与所述磁芯元件的所述第一芯柱和第二芯柱的终端哨合的大小和形状；
第一导线绕组，具有围绕所述磁芯元件的所述第一芯柱的选定匝数；以及第一引线和第二引线，连接到所述第一导线绕组的相应末端。
[0022]按照第二方面所述的组件，还包括:
绕线管，具有支撑所述第一引线和第二引线的基底，具有从所述基底延伸的销轴元件，所述磁芯元件的所述第一芯柱被布置穿过所述销轴元件，并且所述销轴元件具有所述第一导线绕组被布置在其上的外表面。
[0023]按照第二方面所述的组件，还包括:
第二导线绕组，具有围绕所述磁芯元件的所述第一芯柱的选定匝数，被布置在所述绕线管的所述销轴元件的所述外表面上；以及
第三引线和第四引线，由所述绕线管支撑并且被连接到所述第二导线绕组的相应末端。
[0024]按照第二方面所述的组件，其中所述磁芯元件具有从所述第一基底的与所述第一芯柱和第二芯柱的相同侧延伸的第三芯柱；
并且其中所述磁性连接构件具有与所述磁芯元件的所述第一芯柱、第二芯柱和第三芯柱的终端啮合的大小和形状。
[0025]按照本公开的第三方面，提供一种将变换器安装到印刷电路板的方法，包括: 将绕组单元放置到其中导线绕组与所述印刷电路板的第一通孔同心的所述印刷电路板的选定位置上，其中所述绕组单元包括连接到具有选定匝数的所述导线绕组的相应末端的第一引线和第二引线；
将磁芯元件的第一芯柱和第二芯柱分别插入穿过所述印刷电路板的所述第一通孔和所述第二通孔，所述第一芯柱和第二芯柱从基底延伸；
将片附连到所述磁芯元件的所述第一芯柱和第二芯柱的末端，其中所述被附连的片在所述印刷电路板的与所述磁芯元件的所述基底相反的一侧上；以及将所述第一引线和第二引线焊接到第一焊接区和第二焊接区；
其中所述印刷电路板包括环绕所述第一通孔的至少一个传导迹线。
[0026]按照第三方面所述的方法，还包括:
在将所述磁芯元件的所述第一芯柱插入穿过所述绕线管的空心销轴内部之前；
其中在所述放置期间执行将所述磁芯元件的第一芯柱和第二芯柱插入穿过所述第一通孔和第二通孔。
[0027]按照第三方面所述的方法，其中在所述焊接之后执行将所述磁芯元件的第一芯柱和第二芯柱插入穿过所述第一通孔和第二通孔。
[0028]按照第三方面所述的方法，还包括:
将焊膏施加到所述印刷电路板的所述第一焊接区和第二焊接区；
其中所述第一引线和第二引线是表面安装类型； 其中所述放置安放所述绕组单元使得所述第一表面安装引线和第二表面安装引线分别与所述印刷电路板的第一焊接区和第二焊接区对齐；
并且其中所述焊接通过回流执行。
[0029]按照第三方面所述的方法，其中所述磁芯元件还包括将第三芯柱附连到所述基底，所述第三芯柱在所述第一芯柱的与所述第二芯柱相反的一侧上；
并且其中所述插入安放所述第三芯柱穿过所述印刷电路板的第三通孔。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1a是根据所公开的实施例的图示包括电流感测变换器的功率转换器的框形式的电气图；
图1b是根据所公开的实施例的电流感测变换器的示意形式的电气图；
图2是根据实施例的包括电流感测变换器的子系统的印刷电路板实现的透视图和透明视图；
图3是根据实施例的电流感测变换器的透视分解图；
图4a到图4e是根据图3的实施例的电流感测变换器的俯视图、正视图以及截面图； 图5是当根据实施例被安装到印刷电路板中，根据实施例的电流感测变换器的透视图；
图6是根据另一个实施例的电流感测变换器的透视分解视图；
图7a到图7d是根据图6的实施例的电流感测变换器的俯视图和正视图；
图8是根据另一个实施例的电流感测变换器的透视分解视图；
图9a到图9c是根据图8的实施例的电流感测变换器的俯视图和正视图；
图10是根据另一个实施例的电流感测变换器的俯视图；
图11是根据实施例的图示制造电流感测变换器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0031]图1a是包括根据本公开的实施例来构造的电流感测变换器的功率转换器的框形式的电气图。在这个示例中，功率转换器5具有从例如太阳能电池阵列、风力发电机、AC电网、燃料电池或蓄电池等的功率源(未示出)接收功率的输入端子Vsrce。施加到端子Vsrce的输入功率由涌入和保护电路12接收，其以常规方式构造以抑制并减少电磁干扰(EMI )、功率突增和涌入，等等；此外，保护电路12可包括在电气故障的事件中在安全地关闭功率转换器5 (即，将其从功率源断开)中有用的继电器或其它电路断续器。
[0032]在这个示例中，功率转换器5是二级变换器，包括整流级14的第一级，随后是隔离DC-DC转换器级16的第二级。采取与在端子Vsrce上接收的功率相同的一般形式的输入功率Vin由涌入和保护电路12提供给整流级14。整流级14按常规的方式来构造，例如包括作为半波整流器操作的二极管电桥，并且被连接到包括开关晶体管和续流二极管(flybackd1de)的开关单元；通常将包括与输出并联的串联连接的电感器和电容器以按常规的方式来提供功率因数补偿。整流级14基于无论是AC还是DC的输入功率Vin而在DC总线Vb产生DC电压。在一些实施例中，在DC总线Vb生成的电压高于在端子Vsrce接收的功率的电压，例如在380到400Vdc的数量级上。在那种情况下，整流级14可被称为“升压”级。
[0033]在这个功率转换器5的二级示例中，DC-DC转换器级16将来自整流级14的DC总线电压Vb转换成经由输出总线Vout提供给负载的最后输出DC电压。通常，DC-DC转换器级16将输出端子Vout与功率转换器5内的DC总线Vb电流隔离，并且因此与功率转换器5所连接的功率源隔离，以便防止故障的传播。在这个实施例中，DC-DC转换器级16可以是常规的构造，例如作为包括随后是整流子级的反相子级的LLC谐振DC-DC转换器。
[0034]整流级14和DC-DC转换器16的操作控制，以及可能地还有涌入和保护电路12的控制，是通过本发明的这个实施例的功率转换器5中的控制电路10来实现。例如，控制电路10通过在线路pwm_ctrl上生成门控整流级14中一个或多个开关晶体管的经脉冲宽度调制信号来控制由整流级14施加的功率因数补偿。备选地，控制电路10可根据最大功率点跟踪(MPPT)方法来控制整流级14，特别是如果输入功率源是可再生的(太阳、风，等)能量源。控制电路 10还包括用于控制DC-DC转换器级16操作的功能性，例如通过反馈控制的方法来调节出现在端子Vout的输出电压，或通过经由门控一个或多个开关晶体管以在DC-DC转换器16的谐振频率操作来以“开环”方式操作DC-DC转换器16。
[0035]在本发明的这个实施例中，控制电路10控制功率转换器5以响应于在沿着功率转换器5的功率路径的节点处感测的电压电平和电流电平。在图1a的示例中，以常规的方式直接感测各种电压(例如，在涌入和保护电路12的输出处的电压Vin、在整流级14的输出处的电压Vb、以及在功率转换器5的输出处的电压Vout)。同样，在图1a的这个示例中，电流感测变换器15感测在涌入和保护电路12的输出处并且被施加到整流级14的输入的输入电流I_in,并且传递对应的感测电流Isense给控制电路10,例如以便控制整流级14中的功率因数补偿。
[0036]如上所提及的，变换器15的一个重要应用是作为电流感测变换器，例如用在功率转换器5中以感测电流I_in。图1b示意性地图示用于图1a的功率转换器5中的这个功能的变换器15。在这个示例中，变换器15是磁芯变换器，其中它的I1匝的初级绕组接收将在它的Ar2阻的次级绕组中感应次级电流A (即，感测电流Isense)的初级电流Y1 (即，被感测的输入电流I_in)。在例如功率转换器5的电路中，输入电流I_in可以是相对大的电流(在安培的数量级上)，但是感测电流Isense只需要(并且应该)是很小的电流来完成它的感测功能。如在本领域中已知的，电流感测变换器通常由小匝数(通常单个匝)的初级绕组以及具有较大匝数(例如，初级中的匝数的100倍)的次级绕组来实现。因此，在这个示例中，变换器15因此被构造成具有相对大的匝数比，使得在次级绕组中将感应小电流i2=Isense, i2=Isense是由初级绕组传导的较大电流Y1=Ijn的反映,根据:..Afl
Smmms ψ...........12-，
假设在变换器15的初级绕组和次级绕组之间有足够的耦合。因此，如下面将描述的，通过构造具有次级匝数久与初级匝数M的对应比率的变换器15，可以使感应电流/2远小于被测量的初级电流A。
[0037]本说明书将描述电流感测变换器15的各种实施例，如用于感测电流、例如在功率转换器5中整流级14的输出处的电流I_in。然而,预期的是这些实施例的构造可应用于宽范围的变换器，不但包括电流感测变换器，而且还包括升压和降压变换器、为了电流隔离目的而实现的变换器，等等。因此，将要理解的是如图1a中示出的功率转换器5中的电流感测变换器15的应用仅仅是通过示例的方式来描述，而不意图限制权利要求的范围。
[0038]已经观察到当与现代封装的集成电路和分立电子部件相比，变换器、甚至相对小尺寸的变换器(例如电流感测变换器)一般是物理上大的装置。这个大尺寸是常规变换器的电磁性质的必然结果，常规变换器要求例如导线绕组、铁芯或其它磁芯等的子部件。这些物理限制抑制了以与功率转换器、开关电源和其它电子子系统的固态部件相同的比率来小型化变换器的能力。因此，在一些方面，常规的分立变换器的物理大小可以变成限制性的物理尺寸。例如，在印刷电路板上电子系统的实现中，甚至例如电流感测变换器的相对小的变换器可具有那个印刷电路板上各种部件之中最高的轮廓。在那种情况下，正是这些变换器的高度可以限定封装中邻近电路板之间的间隔，在一些情况下限定封装本身的最小尺寸。
[0039]图2图示根据本说明书中公开的实施例的实现电子子系统(例如包括功率转换器5的开关电源)的印刷电路板20。在这个示例中，印刷电路板20包括各种封装的和分立的电子部件(包括功率磁体、开关装置、控制电路，等等)，连同子系统通过其与机架或较大系统接口的适当的连接器(未示出)。根据实施例的电流感测变换器15被示出为在印刷电路板20的顶面上实现。如下面将进一步详细描述的，根据本文公开的实施例来构造变换器15以提供有效的低轮廓，便于变换器15被实现到其中的子系统和系统的最小化。如从图2显而易见，变换器15的高度在与印刷电路板20上其它部件的高度相同的数量级上，包括封装的固态部件22 (其表示安装在印刷电路板20的顶面上的其它部件)。
[0040]图3是根据实施例的图示变换器15的构造的分解透视图，其中这个视图与变换器15被安装在其处的多层印刷电路板20 (半透明示出)的一部分组合示出。实际上，如根据这个描述将变得明显的，变换器15的部件之一通过印刷电路板20内的平面传导迹线25来实现。在图3的示例中并且如下面将进一步详细描述的，传导迹线25在每个迹线25在印刷电路板20的分开的层中单独实现的意义上是平面的，其接近地围绕印刷电路板20中的通孔THl。
[0041]返回参照图3，如果互相串联连接，传导迹线25可提供初级绕组中的多个匝(在这个示例中5匝)，或者如果互相并联连接，可构成单匝绕组。对于变换器15用作电流感测变换器的情况，迹线25的并联连接将便于次级绕组中小的感测电流，并且还最小化它的初级绕组中的DC电阻，减少电路负载和损耗。
[0042]根据这个实施例，次级绕组35被构造为在绕线管32的空心销轴周围缠绕的一个或多个导线的大的匝数(例如，在50到100匝的数量级上)，并且在由绕线管32支撑的相应表面安装引线33处端接。在图3示出的那个的备选中，可以在绕线管32的销轴的末端呈现凸缘以便于构成次级绕组35的导线的适当放置；在这种情况下，这个凸缘的外径应该至多稍微大于次级绕组35的最后得到的厚度，以便确保印刷电路板20中孔的大小(并且因此确保那个孔周围的传导迹线35的布线)未被不适当地扩大。当需要或期望增加初级到次级击穿电压，附加的绝缘材料(未示出)、例如绝缘套管或一层或多层的绝缘带可被施加到次级绕组35的表面上。
[0043]绕线管32可由模制塑料或其它非传导并且非磁性材料构造。在这个示例中，绕线管32为表面安装引线33提供结构支撑，表面安装引线33被连接到次级绕组35的相应末端，并且以常规的方式被构造。在图3的示例中，如所示出的，两个次级绕组35可由两对表面安装引线33支撑。
[0044]备选地，变换器15可被构造为“无绕线管”变换器。如在本领域中已知的，无绕线管构造依赖于施加到在模子的周围缠绕的导线的绝缘材料，随后是材料的硬化或其它固化以及模子的移除。固化的绝缘材料有足够强度以维持次级绕组35的形状和完整性，其中引线框或类似结构支撑次级绕组35的导线的终端所连接到的表面安装引线33。
[0045]再次参照图3，变换器15包括两部分组成的磁芯，其包括U-芯30U和1-芯301。在它包括从基片延伸的两个芯柱的意义上，U-芯30U是“U”形铁氧体元件；1-芯301也是适当大小和形状的铁氧体片以附连到U-芯30U的两个芯柱的末端，如根据以下描述将是显而易见的。在铁氧体的备选中，U-芯30U和1-芯301可以由其它磁性材料构造，这可取决于它的电路应用所期望的变换器15初级和次级之间的耦合。装配时，在图3的视图中，U-芯30U将被放置在印刷电路板20的顶面(即，在绕线管32的同侧上)，其中它的芯柱之一延伸穿过通孔THl并且它的另一个芯柱延伸穿过印刷电路板20中的另一通孔(未示出)。在印刷电路板20的底面或接近印刷电路板20的底面，1-芯301将被附着到那些芯柱的末端。U-芯30U和1-芯301的组合将提供磁回路，通过该磁回路由传导迹线25的初级绕组生成的磁场被稱合到次级绕组35,其两者都与U-芯30U的芯柱之一同心(concentric)。
[0046]图4a到图4e图示了根据这个实施例的被装配时的变换器15的构造。图4a以自顶向下(即，从绕线管侧)看的俯视图来图示变换器15。在这个视图中，U-芯30U的两个芯柱的位置以阴影示出。图4b以正视图(并且在没有印刷电路板20的情况下)来示出装配之后的变换器15。如从图4b显而易见，变换器15被装配时，U-芯30U的一个芯柱将在绕线管32的空心销轴部分内经过，与次级绕组35同心，其中它的终端接触并且附着到1-芯301。如所示出的，U-芯30U的另一个芯柱在绕线管32周围经过，其中它的终端也接触并附着至IJ 1-芯301。
[0047]图4c以与图4b相同的正视图来图示变换器15，示出被安装时它与印刷电路板20和传导迹线25的相对定位。图4d是以不同的方向取得的类似视图。如从图4c和图4d显而易见，次级绕组35的大部分(如果不是全部)被布置在印刷电路板20的平面内，由平面传导迹线25组成的初级绕组也同样。如图4d中显而易见，表面安装引线33可以容易地接触印刷电路板20的顶面上对应的表面安装焊接区24，便于焊料附着到那里。
[0048]图4e图示了变换器15的初级绕组中平面传导迹线25中的一个，其作为印刷电路板20的层面之一内的截面俯视图而取得。如图4e中示出的，传导迹线25在印刷电路板20的通孔THl周围布线，并且因此将在通孔THl周围携带被感测的电流I_in，因此当被装配时围绕U-芯301的芯柱。迹线25的内边缘与通孔THl的边缘分开距离C，这提供用于电流隔离所要求的绝缘(即，爬电)距离，并且也达到对变换器15所期望的初级到次级击穿电压规定。在这个实施例中，这个爬电距离C可以相当小，因为如本领域中已知，迹线25和通孔THl之间(S卩，距离C内)的印刷电路板20的材料是高度绝缘材料，例如树脂浸溃的B-级布(“预浸材料”)等等。第二通孔TH2被布置穿过印刷电路板20靠近通孔TH1，并且在这个示例中将容纳U-芯-30U的第二芯柱。
[0049]根据这个实施例并且如图3c中示出的，由于初级绕组和次级绕组大部分地被包含(如果不是完全的话)在印刷电路板20的厚度内，印刷电路板20的顶面上方变换器15的总体高度G相对低。印刷电路板20顶面上方绕线管32和U-芯30U的实际高度G (以及U-芯30U和1-芯301突出低于底面的程度)将取决于期望的结构强度所需的绕线管32和芯30U、30I的厚度以及其它因素。
[0050]图5示出根据上面描述的实施例的变化的变换器15’，其中印刷电路板20的边缘镀层提供初级绕组中传导迹线25的并联连接。相对于图3中示出的，图5的视图是从印刷电路板20的下侧。如图5中示出的，在穿过印刷电路板20的通孔THl的边缘处的镀层26提供互相并联的传导迹线25的附加连接点，还减少变换器15’的初级绕组的串联DC电阻。提供边缘镀层26中的(并且，或许在印刷电路板20本身中的)凹口或槽23使得围绕U-芯301的芯柱的迹线25的匝不被短路；如果方便的话，这样的凹口 23可以由板制造商构造在印刷电路板20的布线中。在实施例的这个变化中，因为通孔THl的内表面是由边缘镀层26导通的，次级绕组35可要求它的导线上的附加绝缘(例如，带、硅树脂，等)以满足期望的初级到次级击穿电压规定。
[0051]这个实施例的另一个预期的变化是除上面描述的板的内部的传导迹线之外，或者替代上面描述的板的内部的传导迹线，作为印刷电路板的顶面、底面或两面上的传导迹线的其初级绕组的构造。如果表面迹线被合并到初级绕组中，可要求初级绕组和次级绕组之间附加的爬电距离或附加绝缘来确保适当的击穿性能和电流隔离。此外，这个变化还可影响子系统中其它部件的放置。
[0052]图6是根据另一个实施例的变换器45的分解透视图。变换器45可被构造并实现来以与上面描述的变换器15类似的方式用作电流感测变换器，或用作另一类型的变换器(例如降低或升高变换器，等等)。变换器45中的与上面描述的变换器15中类似的部件将通过相同的附图标记来参照，并且将与先前描述类似地构造。
[0053]在这个实施例中，变换器45的磁芯被构造为E-芯50E和1-芯501的组合。E-芯50E被构造为铁氧体或另一种磁性材料的“E”形主体，具有中央圆柱形的芯柱以及在中央芯柱的任一侧上的相对的弧形侧芯柱，如所示出的，各自从基片延伸。虽然在这个实施例中E-芯50E的芯柱是圆柱形的，但如期望的，那些芯柱可备选地具有矩形、正方形或另一形状的截面。在这个实施例中，如从这个描述中将显而易见，所有的这三个芯柱将延伸进入并穿过印刷电路板20中对应的通孔；1-芯501将连接并附着到这些芯柱中的每个的终端，完成磁回路。E-芯50E配合在绕线管52上，绕线管52具有E-芯50E的中央芯柱配合到其中的空心销轴，并且空心销轴在相对侧被成形以匹配E-芯50E的弧形的相对芯柱的内表面。次级绕组55在绕线管52的空心销轴周围缠绕，并且它的末端在由绕线管52支撑的表面安装引线52处端接。
[0054]如上面结合变换器15描述的，变换器45的初级绕组由布置在印刷电路板20内的一个或多个传导迹线25构造。为了电流感测变换器的应用，迹线25在离开变换器45的位置处或者通过如上面结合图5描述的边缘镀层来并联连接。印刷电路板20包括引线53接触并且将被连接到的焊接区24。
[0055]图7a到图7d通过俯视图和正视图来更详细地图示已装配的变换器45的构造。在图7a自顶向下的俯视图中，E-芯50E在绕线管52的整个宽度上延伸；E_芯50E的中央芯柱和相对侧芯柱的位置以阴影示出。如图7b和图7c的正视图中示出的，E-芯50E的中央芯柱穿过绕线管52的空心销轴部分，与次级绕组55同心，并且使它的终端接触并附着到1-芯501。E-芯50E的弧形侧芯柱在绕线管52的相对侧上经过，并且还使它们的终端接触并附着到1-芯501。印刷电路板20和传导迹线25与变换器45的相对位置在图7c和图7d中被示出。如从图7c和图7d显而易见，如在上面描述的变换器15的情况下，次级绕组55的大部分(如果不是全部)在印刷电路板20的平面内，围绕E-芯50E的中央芯柱的磁芯，并且由平面传导迹线25的初级绕组环绕。
[0056]当在印刷电路板20处被实现时，如图6和图7a到图7d中示出的变换器45的这个实施例可占据额外的板空间。然而，当与上面描述的变换器15相比较，预期的是E-芯50E的两个相对的芯柱可对变换器45的结构提供附加的稳定性，因为它被放置在印刷电路板20上并且附着到1-芯501。这个改进的稳定性可便于引线53到焊接区24可靠的回流焊接附着。此外，就来自电路的其余部分的磁漏可能存在而言，E-芯50E的相对侧芯柱可改进变换器45的磁屏蔽。
[0057]图8是根据另一个实施例的变换器65的分解透视图，并且图9a到图9c是已装配形式的变换器65的俯视图和正视图。变换器65可以被构造和实现来以与上面讨论的变换器15类似或者与例如降低或升高变换器的另一种类型的变换器等类似的方式用作电流感测变换器。变换器65中与上面讨论的变换器15中类似的部件将通过相同的附图标记来参照，并且将与先前描述类似地构造。
[0058]在这个实施例中，与上面结合图3以及图4a到图4e描述的变换器15类似地，变换器65的磁芯被构造为U-芯30U和1-芯301的组合，由铁氧体或另一种磁性材料形成。如上面描述的，U-芯30U具有从基片延伸的圆柱形截面的两个芯柱。如上面提到的，虽然在这个实施例中U-芯30E的芯柱是圆柱形的，但是如期望的，那些芯柱可以备选地具有矩形、正方形或另一种形状的截面。在任何情况下，U-芯30U的那些芯柱将延伸进入并且穿过印刷电路板20中对应的通孔，并且如上面描述的，它们的终端将附连到1-芯301，完成磁回路。
[0059]在这个实施例中，U-芯30U配合在绕线管72上。如在上面描述的实施例中，绕线管72由塑料或其它非磁性材料构造，并且具有U-芯30U的一个芯柱将穿过其被插入的空心销轴。然而，在这个示例中，绕线管72的这个空心销轴具有比U-芯30U的芯柱的直径更大的直径。图％图示了这个关系，其中绕线管72的空心销轴的直径由尺寸72d来指示，并且其中U-芯30U的芯柱的直径由较小的尺寸30d来指示。同样在这个实施例中，这个直径72d将大于印刷电路板20中的通孔THl ;通孔THl将足够大以接受U-芯30U的圆柱形芯柱，但是不能接受绕线管72的较大空心销轴。
[0060]与上面描述的类似，次级绕组75在绕线管72的空心销轴周围缠绕，其中它的末端在由绕线管72支撑的表面安装引线73处端接。但是在这个实施例中，绕线管72的销轴的较大直径导致次级绕组75保持在印刷电路板20的平面外面(图9c)，而不是驻留在那个平面上方。例如，变换器65被装配时，绕线管72的这个较大销轴可以搁在印刷电路板20的顶面上；如果期望的话，可以提供可选的凸缘以将绕线管72安置在印刷电路板20上。取决于印刷电路板20的顶面上方的可容许高度，由于在其周围卷绕次级绕组75的较短绕线管，销轴次级绕组75中的匝数可以小于变换器15、45中的匝数。当变换器65被装配到子系统中，如图9c中示出的，U-芯30U的芯柱延伸穿过绕线管72并且穿过印刷电路板20中的通孔TH1，与次级绕组75同心(并且还在传导迹线25的初级绕组内)。
[0061]在其中由印刷电路板20的导体布线占据的区域具有关键重要性的一些实现中，变换器65的这个实施例可以是有利的。因为只有U-芯30U的芯柱，而不是绕线管72，进入并且穿过印刷电路板20的通孔THl，与如果绕线管销轴也将要穿过相比，可以使通孔THl更小。这又减少了由传导迹线25占据的区域(关于如图6和图7a到图7d中示出，当在印刷电路板20处实现时，可占据额外的板空间，并且因此占据变换器65对于有关导体布线的范围的覆盖区)。相反地，在这个实施例中，由于通孔THl的被减小的直径，传导迹线25可以更宽，从而减少子系统的初级功率路径中的串联电阻。与上面描述的其它实施例相比，虽然印刷电路板20的平面上方次级绕组75的放置可以减少变换器65的初级到次级耦合，但这个耦合下降在许多应用、例如电流感测变换器中可以不是重要的。
[0062]图10图示了根据另一个实施例的变换器105。在这个实施例中，变换器105依然包括铁氧体或另一种磁性材料的U-芯110U，并且U-芯IlOU具有延伸穿过印刷电路板20中的通孔的芯柱。印刷电路板包括以上面描述的方式围绕U-芯IlOU的一个或两个芯柱的传导迹线(未示出)。在这个实施例中，1-芯1101由铁氧体或另一种磁性材料构造，并且被附连到印刷电路板20的一侧上的U-芯IlOU的芯柱的终端。在这个实施例中，1-芯1101是圆柱形截面形状的，但是如期望的，可以备选地具有矩形、正方形、三角形或其它截面形状。同样在这个实施例中，次级绕组115构造为1-芯1101周围的导线的匝数，并且因此完全在印刷电路板20的平面外。次级绕组115在它的终端被附连到从1-芯1101延伸的引线 113。
[0063]根据这个实施例，印刷电路板20内的传导迹线的初级绕组和次级绕组115之间的耦合经由U-芯IlOU和1-芯1101的磁回路来完成。变换器105的这个构造(其中次级绕组115被布置在印刷电路板20的平面外)允许印刷电路板20中的通孔小于其中次级绕组115被布置在那个平面内的实施例。此外，变换器105不要求绕线管来支撑次级绕组115 ；而是，1-芯1101用于这个功能。
[0064]图11是通过示例的方式关于变换器15图示根据实施例的电流感测变换器的制造的流程图；当然，这个制造工序流程可以结合上面描述的实施例中的任何一个来使用，将任何必须的或有用的变化合并到那个工序流程以适应那些特定的构造。
[0065]变换器15的构造要求获得包括将构成变换器15的初级绕组的一个或多个传导迹线25的印刷电路板20 (在采购过程79中)，那些迹线25被部署在多层印刷电路板20的对应层中，或如期望的作为顶部迹线或底部迹线而备选。在过程80中，焊膏以用于部件的回流焊接装配的常规方式被施加到印刷电路板20上，包括在变换器15的引线33将被焊接到的焊接区24处。
[0066]与印刷电路板20的构造无关，期望形状的并具有表面安装引线33的绕线管32被制造或另外采购(采购过程81)，U-芯30U (采购过程83)、或与包括两个或更多芯柱的这样的其它芯形(例如，E-芯50E)也同样，如上面描述的。在过程82中，次级绕组35由绕线管32的空心销轴周围的期望匝数久的导线的绕组来形成；同样在过程82中，次级绕组35的导线的终端被焊接或以别的方式连接到绕线管32上的表面安装引线。如果期望结构保护或提供附加的电气绝缘，可以在次级绕组35的形成之后将绝缘带、绝缘套管或另一种绝缘材料从外部施加到次级绕组35。在过程84中，U-芯30U的芯柱之一被插入穿过绕线管32的空心销轴。并且在过程86中，U-芯30U被附连到绕线管32，在期望的方位上互相对齐；可使用粘合剂来将U-芯30U固定到绕线管32。
[0067]在过程88中，绕线管32和U-芯30U的组件被放置在印刷电路板20的期望位置，其中表面安装引线33在印刷电路板20的对应焊接区24处，并且其中U-芯30U的芯柱被插入并穿过印刷电路板20的对应通孔。对于变换器15的示例，被U-芯30U的一个芯柱延伸穿过的绕线管32的空心销轴还被插入到通孔中的一个中(B卩，通孔THl )。备选地，如在上面描述的变换器65的情况下(图8和图9a到9c)，在其周围缠绕次级绕组75的绕线管72的空心销轴将被放置在通孔THl上方并且与其同轴，U-芯30U的对应芯柱延伸穿过其中。过程88中的这个组件的放置可以作为印刷电路板20上的其它部件的放置的一部分通过常规的取放机器来实现；备选地，可以手动执行放置过程88。然后执行回流过程90来回流在过程80中被施加的焊膏的焊料，将绕线管32的引线33固定到印刷电路板20的表面上的对应焊接区24。然后变换器15的磁芯由1-芯301完成。在过程92中，1-芯301被附连到U-芯30U的芯柱的终端(例如通过胶或其它粘合剂)，完成根据这个实施例的变换器15的制造和装配。
[0068]结合对应的实施例来预期图11的制造工序流程的各种备选。一个这样的备选是绕线管32可以被放置到印刷电路板20的适当位置中(过程88)并且在U-芯30E的插入和焊接之前被焊接到印刷电路板20上的地方(过程90)。在这个备选中，图11的过程84和86将跟随回流焊接过程90。
[0069]根据另一个备选，变换器15可以用“无绕线管”方式来构造。在这种情况下，如上面提到的，将相对于用于模子的作用的虚设的绕线管结构来执行导线卷绕过程82，在这之后，绝缘结构材料将被放置在次级绕组35周围并且被硬化。然后，虚设的绕线管被移除，并且次级绕组35将被固定到引线框或支撑表面安装引线33的其它结构，次级绕组35的终端将被焊接或以别的方式附连到表面安装引线33。然后，U-芯30U将被插入穿过次级绕组35的内部(过程84)，并且以适合于无绕线管结构的状态，被附连到那以及附连到1-芯301。
[0070]根据另一个备选，可通过将次级绕组导线卷绕到1-芯1101上，而不是到绕线管上来构造变换器105 (图10)。U-芯IlOU将仍然被放置在印刷电路板20，其中它的芯柱延伸穿过通孔，那些通孔中的至少一个由印刷电路板20内的传导迹线围绕以构成初级绕组。然后，1-芯1101可以通过胶或其它粘合剂被附连到U-芯IlOU的芯柱的终端。然后，引线113可以被附连到在印刷电路板20处的适当焊接区或其它导体，完成它的装配。
[0071]如上面提到的，上面相对于电流感测变换器应用的说明性示例来描述各种实施例。然而，预期的是当被应用到其它类型的变换器结构和实现中时，这些实施例还是有利的。一个这样的实现将是作为“降低”变换器，或用于电流隔离目的的功率或信号变换器。在那些备选的实现中构造变换器来最大化初级和次级之间的耦合可以是有用的，例如根据图3、5和6的实施例，其中次级绕组被插入印刷电路板的平面内并且因此被插入由初级绕组环绕的体积内。根据另一个备选，印刷电路板中的传导迹线可以用作变换器的次级绕组，其中电流基于由环绕磁芯芯柱和绕线管的初级绕组传导的电流被感应。在那个示例中，因为卷绕在绕线管上的导线的匝数一般将大于印刷电路板中的传导迹线的数量(即使互相串联而不是并联连接)，结合“升高”变换器这个变化将是有用的。其它备选可包括初级绕组和次级绕组内磁芯内的空气隙；在这种情况下，由上面相对于图6和图7a到图7d描述的E-芯构造所提供的改进屏蔽可以是特别可期望的。
[0072]这些描述的实施例可提供优于常规的印刷电路板安装的变换器的一个或多个重要优势。一个这样的优势是由印刷电路板材料提供的传导的板迹线的初级绕组的电气隔离，这还允许初级绕组和次级绕组之间相对近的物理间隔而没有击穿的弱点。初级回路中的互连电阻实际上为零，因为初级绕组可以由印刷电路板迹线来实现，不要求板迹线和导线初级绕组之间的互连。此外，初级绕组可以具有很低的电阻来构造，与传导迹线它们本身的厚度和截面面积相关，进一步减少了主功率路径中的电阻损耗。由于绕组到磁芯的潜在近的间隔，初级和次级之间极好的磁耦合是可容易达到的。并且因为初级绕组以及在一些实施例中全部或部分的次级绕组可以驻留在印刷电路板自身的平面内，所得到的变换器可以具有很低的高度轮廓，减少了它的形状因数以及合并变换器的系统和子系统的形状因数。
[0073] 当然预期的是这些实施例的修改和备选(这样的修改和备选获得本发明的任何或所有的优势和益处)对于参考本说明书及其附图的本领域普通技术人员来说将是显而易见的。预期的是这样的修改和备选在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种变换器,包括: 第一绕组，包括环绕印刷电路板中的第一通孔的至少一个传导迹线； 磁芯元件，包括顶部构件、底部构件以及在顶板与底板之间延伸并且穿过所述印刷电路板中第一通孔和第二通孔中相应的通孔的第一芯柱和第二芯柱，所述磁芯元件的所述顶板和底板被布置在所述印刷电路板的相反侧； 第二绕组，与所述磁芯元件的一部分同心；以及 第一引线和第二引线，连接到所述第二绕组的相应末端。
2.如权利要求1所述的变换器，其中所述第二绕组包括具有围绕所述磁芯元件的所述第一芯柱的选定匝数的导线绕组。
3.如权利要求2所述的变换器，其中所述第二绕组的所述选定匝数中的至少一些被布置在所述印刷电路板的所述第一通孔内。
4.如权利要求3所述的变换器，其中所述第二绕组的所述选定匝数全部都被布置在所述印刷电路板的所述第一通孔内。
5.如权利要求2所述的变换器，还包括: 绕线管，具有被布置在所述印刷电路板的一侧上并且支撑所述第一引线和第二引线的基底，并且具有从所述基底延伸并被布置在所述第一通孔内的空心销轴元件，所述第二绕组被布置在所述销轴元件的外表面上，并且所述磁芯元件的所述第一芯柱被布置在所述空心销轴元件内。
6.如权利要求1所述的变换器，还包括: 绕线管，具有被布置在所述印刷电路板的一侧上并且支撑所述第一引线和第二引线的基底，并且具有从所述基底延伸的空心销轴元件，所述第二绕组被布置在所述销轴元件的外表面上，并且所述磁芯元件的所述第一芯柱被布置在所述空心销轴元件内； 其中所述第一通孔具有大小小于所述空心销轴元件的截面的截面； 并且其中所述第二绕组包括具有所述空心销轴周围的选定匝数的导线并且被布置在所述第一通孔的外面的导线绕组。
7.如权利要求1所述的变换器，其中所述第一绕组包括: 多个传导迹线，每个都被放置在所述印刷电路板的多个传导层之一中，并且每个都环绕所述第一通孔。
8.如权利要求7所述的变换器，其中所述多个传导迹线各自延伸到内缘； 并且其中所述第一通孔被边缘镀覆以将所述多个传导迹线互相并联连接。
9.如权利要求1所述的变换器，其中所述第一绕组用作所述变换器的初级绕组； 其中所述第二绕组用作所述变换器的第一次级绕组； 并且还包括: 与所述磁芯元件的所述第一芯柱同心的第二次级绕组；以及 连接到所述第二次级绕组的相应末端的第三引线和第四引线。
10.如权利要求1所述的变换器，其中所述磁芯元件还包括: 延伸进入所述印刷电路板中的第三通孔的第三芯柱，所述第三通孔被布置在所述第一通孔的与所述第二通孔相反的一侧上； 其中所述顶部构件连接所述印刷电路板的一侧上的所述第一芯柱、第二芯柱和第三芯柱的末端； 并且其中所述底部构件连接所述印刷电路板的另一侧上的所述第一芯柱、第二芯柱和第三芯柱的末端 。
【文档编号】H01F27/28GK104051143SQ201310708340
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】R.J.卡塔拉诺, D.斯蒂芬斯 申请人:通用电气公司