开关电源及小型变压器的制作方法

本实用新型涉及变压器技术领域，尤其提供一种开关电源及小型变压器。

背景技术：

目前，在许多电路设计中需要运用到变压器。如一些大功率驱动系统，如大功率舵机、伺服驱动器、变频器等，需要将输入电源电压经过变压器产生适合用于控制系统使用的各种电源(如24V、15V、12V、-10V、5V、3.3V、2.5V、1.8V等)。由于应用场合不同，变压器不仅要满足控制要求、可靠性要求，还需要满足尺寸轻薄化要求。但是传统变压器包括骨架、设于骨架上的磁芯以及绕磁芯缠绕的绕线，为了解决EMC问题，可能还包括特定材质的铜片包裹固定于变压器上。这种变压器可根据不同的产品进行灵活的设计调试，但缺点是尺寸大，占用系统过大空间，同时大量的应用也发现，这种传统变压器，可靠性差，尤其在环境较为恶劣的条件下(如多震动、多粉尘等)，变压器的故障(如变压器脱落、线圈损坏等)率通常会升高；同时处理传统变压器的EMC辐射干扰较为复杂。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种开关电源及小型变压器，旨在解决现有技术中开关电源的变压器体积过大，可靠性差，EMC问题处理复杂的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种小型变压器，包括PCB板及磁芯，所述PCB板至少为两层结构，所述磁芯嵌设于所述至少两层PCB板中，所述至少两层PCB板上设有线圈，所述至少两层PCB板的顶层PCB板的上表面与底层PCB板的下表面分别设置有用于隔离所述线圈与所述磁芯的绝缘层；所述磁芯的中柱贯穿所述至少两层PCB板，所述线圈围绕所述磁芯的中柱设置，所述顶层PCB板与所述底层PCB板上围绕所述磁芯及所述线圈分别设有上封闭导电圈和下封闭导电圈，所述上封闭导电圈及所述下封闭导电圈电性连接。

进一步地，所述线圈包括初级线圈及次级线圈，所述初级线圈包括多圈初级铜箔线，所述次级线圈包括多圈次级铜箔线，所述多圈初级铜箔线与所述多圈次级铜箔线均设于所述至少两层PCB板的同一层PCB板上。

进一步地，所述线圈包括初级线圈及次级线圈，所述初级线圈包括多圈初级铜箔线，所述多圈初级铜箔线设于所述至少两层PCB板的同一层PCB板上，所述次级线圈包括多圈次级铜箔线，所述多圈次级铜箔线设于所述至少两层PCB板的另一层PCB板上。

进一步地，所述线圈包括初级线圈及次级线圈，所述初级线圈包括多圈初级铜箔线，所述多圈初级铜箔线分别设于所述至少两层PCB板的不同层PCB板上，所述多圈初级铜箔线中与同一路电源对应的且位于不同层PCB板上的初级铜箔线之间通过导电通孔电性连接；所述次级线圈包括多圈次级铜箔线，所述多圈次级铜箔线分别设于所述至少两层PCB板的不同层PCB板上，所述多圈次级铜箔线中与同一路电源对应的且位于不同层PCB板上的次级铜箔线之间通过导电通孔电性连接。

进一步地，所述多圈初级铜箔线围绕所述磁芯设置，所述多圈次级铜箔线围绕所述多圈初级铜箔线设置。

进一步地，以所述磁芯的中柱中心为中心位置，所述线圈由外至内对应的各路电源电参数要求由低至高、功率由低至高。

进一步地，所述上封闭导电圈及所述下封闭导电圈均为铜皮，所述上封闭导电圈到所述磁芯及所述线圈构成的区域之间的距离为最小的安全距离，所述下封闭导电圈到所述磁芯及所述线圈构成的区域之间的距离为最小的安全距离。

进一步地，所述上封闭导电圈与所述下封闭导电圈构成的封闭导电圈与接地线之间串联有电容群。

进一步地，所述绝缘层为PVC层或PET层或FR4环氧层。

本实用新型还提供了一种开关电源，包括上述的小型变压器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型中，根据变压器的线圈电参数及磁芯电参数，将磁芯嵌设在至少两层PCB板上合适位置处，同时在PCB板上设置线圈，即得到体积小于传统变压器的平面型变压器，适用于各种轻薄化的开关电源及驱动装置中，提高驱动装置的功率密度及可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的三层PCB板叠加后的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的变压器中第一磁芯的侧视图；

图3为本实用新型实施例一提供的变压器中第一磁芯的正视图；

图4为本实用新型实施例一提供的变压器中第二磁芯的正视图；

图5为本实用新型实施例一提供的变压器中第二磁芯的侧视图；

图6为本实用新型实施例二提供的变压器中第一磁芯的正视图；

图7为本实用新型实施例三提供的变压器中第一磁芯的正视图；

图8为本实用新型实施例一提供的变压器中第一层PCB板、第二层PCB板、第三层PCB板及三块PCB板叠加示意图；

其中，图中各附图标记：

11-中柱；12-第一磁芯；121-凸台；13-第二磁芯；20-线圈；21-第一初级线圈；22-第二初级线圈；23-次级线圈；30-封闭导电圈；40-第一层PCB板；50-第二层PCB板；60-第三层PCB板；70-第一通孔；80-第二通孔；90-电容群。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参照图1至图5，本实用新型实施例提供的小型变压器，包括PCB板及磁芯。其中PCB板至少为两层结构，即是由至少两层PCB板叠置而成。磁芯嵌设于至少两层PCB板上，至少两层PCB板上设有线圈20，其中，顶层PCB板的上表面与底层PCB板的下表面分别设有用于隔离线圈20与磁芯的绝缘层(图中未示出)，磁芯的中柱11贯穿至少两层PCB板，线圈20围绕磁芯的中柱11设置，且线圈20与中柱11之间保持安全距离设置，顶层PCB板与底层PCB板上围绕磁芯及线圈20分别设有上封闭导电圈30和下封闭导电圈(图中未示出)，上封闭导电圈30及下封闭导电圈电性连接。

本实用新型中，根据变压器的线圈20电参数及磁芯电参数，将磁芯嵌设在至少两层PCB板上合适位置处，同时在PCB板上设置线圈20，即得到体积小于传统变压器的平面型变压器，适用于各种轻薄化的开关电源及驱动装置中，提高驱动装置的功率密度及可靠性。

在实际应用中，根据开关电源种类不同，以及不同开关电源的电参数，如输入输出电压、电流、功率、安规等要求，综合设计验证线圈20参数、磁芯参数，同时根据设计需求，确定PCB板的层数，再计算验证后得到初级侧绕组和次级各侧绕组的各个线圈20的电参数，如线圈20电感量、线圈20匝数、安规距离、功率、输出电流能力等，及其配合使用的磁芯参数，如磁芯选用的材质、实效磁路长度、实效截面面积、卷线截面面积等)，再依磁芯参数在PCB板中进行开孔。实际应用中，为获得较好的性价比，需要在线圈20参数、选用PCB板的厚度、层数及设计磁芯参数之间进行综合考虑选取及设计。

参照图2至图5，本实施例，磁芯由E字型的第一磁芯12及一字型的第二磁芯13扣合而成。其中，E字型的第一磁芯12包括位于两端的凸台121以及位于两凸台121中心的中柱11，中柱11的横截面呈圆形。在其他实施例中，如图6所示，E字型的第一磁芯12的中柱11横截面还可以为长方形，如图7所示，E字型的第一磁芯12的中柱11的横截面还可以为椭圆形。中柱11的形状及尺寸可根据实际需要来确定，在实际应用中，可综合空间需求、开关电源的功率、电流值以及绕线需求等等来计算磁芯的大小及面积等。在选择磁芯规格时，优选地，市场通用的磁芯规格选取合适的D参数，即图中中柱11的尺寸，当凸台121的深度不符合要求时，可以适当打磨，方便将其固定在选用的PCB板上，避免全新设计磁芯增加过多的成本。当然，磁芯的形状也不限于上述列举的三种，还可以有其他形状。

本实施例中，第一磁芯12的两凸台121横截面呈长方形，而中柱11横截面呈圆形。第一磁芯12要贯通至少两层PCB板。参照图8，本实施例中，以设计需求层数为三层的PCB板为例来介绍。为便于说明，此处由上至下分别命名层数为三层的PCB板的第一层PCB板40、第二层PCB板50及第三层PCB板60。第一层PCB板40、第二层PCB板50及第三层PCB板60上对应位置处分别设有可供两凸台121穿过的两第一通孔70，以及可供中柱11穿孔的第二通孔80。当第一层PCB板40、第二层PCB板50及第三层PCB板60叠置后，三组第一通孔70对应，三个第二通孔80对应，第一磁芯12的两凸台121分别由两第一通孔70处穿出，中柱11由第二通孔80处穿出，并与一字型的第二磁芯13扣合，并采用强力胶将二者粘接即形成完整的磁芯。需要说明的是，第一通孔70与第二通孔80的形状、大小与第一磁芯12的形状、大小相匹配，当第一磁芯12根据实际需求确定形状和大小后，第一通孔70和第二通孔80按照与其匹配的尺寸设置即可。

本实施例中，线圈20包括第一初级线圈21、第二初级线圈22以及次级线圈23。本实施例中，第一初级线圈21、第二初级线圈22以及次级线圈23分别设于第三层PCB板60、第二层PCB板50及第一层PCB板40上。当然，当满足线圈的布线要求时，第一初级线圈21、第二初级线圈22与第三次级线圈23也可以均设于PCB板的同一层PCB板。

第一初级线圈21与第二初线线圈22为不同的线圈，分别对应不同路的电源。第一初级线圈21包括多圈第一初级铜箔线，本实施例中，多圈第一初级铜箔线均设于第三层PCB板60上。在其他实施例中，多圈第一初级铜箔线也可以分别设于不同的PCB板上，当设置于不同的PCB板上时，各层上的第一初级铜箔线之间则需要通过导电通孔电性连接。

同理，第二初级线圈22包括多圈第二初级铜箔线，本实施例中，多圈第一初级铜箔线均设于第二层PCB板50上。在其他实施例中，多圈第二初级铜箔线也可以分别设于不同的PCB板上，当设置于不同的PCB板上时，各层上的第二初级铜箔线之间则需要通过导电通孔电性连接。

同理，次级线圈23包括多圈次级铜箔线，本实施例中，多圈次级铜箔线均设于第一层PCB板40上。在其他实施例中，多圈次级铜箔线也可以分别设于不同的PCB板上，当设置于不同的PCB板上时，各层上的次级铜箔线之间则需要通过导电通孔电性连接。

在实际设计中，初级线圈的数量也可根据输出电源的数量设计，不限于上述实施例中的两个，也可以为一个或三个或更多。同样的，次级线圈的设置也是如此，不限于上述列举的一个，也可以为两个或更多个。

当然，在设置上述第一初级线圈21、第二初级线圈22、次级线圈23时，通常考虑各路电源电压、电流、安规距离的设计需求，设计各路线圈20的参数，如线圈20的匝数、各个线圈20的宽度、隔离宽度等等。

为了尽可能地减小漏磁的影响，在设计时，初级线圈的多圈初级铜箔线围绕磁芯设置，次级线圈的多圈次级铜箔线围绕多圈初级铜箔线设置。具体地，本实施例中，第一初级线圈21、第二初级线圈22、次级线圈23位置时，第一初级线圈21围绕磁芯设置，第二初级线圈22围绕第一初级线圈21设置，而次级线圈23围绕第二初级线圈22设置。第一初级线圈21、第二初级线圈22、次级线圈23形成的总线圈20围绕多层PCB板的磁芯中柱即第二通孔80位置且保持最小的安全距离设置。此处最小的安全距离为变压器设计要求中规定的安全距离。

而且，以磁芯的中柱中心为中心位置，线圈由外至内对应的各路电源电参数要求由低至高、功率由低至高。即是电源电参数要求越高、功率越高的线圈20尽可能围绕多层PCB板的磁芯即第二通孔80位置设置，而电源电参数要求越低、功率越小的线圈20远离第二通孔80位置设置。

本实施例中，上封闭导电圈30及所述下封闭导电圈与磁芯70、磁芯80及线圈20保持最小的安全距离设置，这样，上封闭导电圈30及所述下封闭导电圈能以最小的面积将磁芯80及线圈20包裹。为将上封闭导电圈30以尽可能小的范围将磁芯及线圈20包裹，上封闭导电圈30及所述下封闭导电圈沿磁芯及所述线圈构成的区域保持最小的安全距离设置，上封闭导电圈30及所述下封闭导电圈与磁芯之间设置最小的安全距离，以达到尽可能提高变压器EMC性能的目的。且在此前提下，上封闭导电圈30及所述下封闭导电圈的宽度尽可能加宽，理论上宽度越大越好，实际应用中，综合PCB尺寸和走线需求，宽度范围可控制在2mm-5mm。具体地，上封闭导电圈30及所述下封闭导电圈为铜皮。经测试，在磁芯的外围设置铜皮后，其对周边电路的辐射和传导干扰相比无铜箔时得到明显减小，大大改善了其EMC的性能要求，满足普遍系统的EMC性能要求。

进一步地，本实施例中，上封闭导电圈30及所述下封闭导电圈与接地线之间均串联有电容群90。通过在上封闭导电圈30及所述下封闭导电圈和大地之间以最短的走线串接电容群90，提供EMC电磁干扰更低阻的环路，可进一步提高开关电源及驱动装置的EMC性能，提供了一种更简便的方式来解决系统苛刻的EMC干扰问题。电容群90的容值，由系统实际进行EMC辐射测试时，EMC辐射干扰测试超出设计要求的频率点确定。具体地，如果系统的EMC辐射干扰测试只在某一个频率点超过设计要求，且干扰源为此变压器，则只需要在该封闭导电圈和大地之间串接一个相应的电容值，以该电容参数的谐振频率大约等于此干扰频率来选取该电容参数；如果系统的EMC辐射干扰测试在某两个频率点超过设计要求，且干扰源为此变压器，则需要在该封闭导电圈和大地之间串接两个相应的电容值，以电容参数的谐振频率大约等于此两个干扰频率来选取该两个电容参数，依此类推，即可确定所述电容群中的所需的各个电容的参数。

本实施例中，为了使得变压器的可靠性得到保证，至少两层PCB板中的顶层PCB板的上表面和底层PCB板的下表面分别黏贴满足安规(耐压隔离)要求的绝缘层。所述绝缘层可为PVC层或PET层或FR4环氧层等。通过设置绝缘层，防止PCB板上设置的线圈20与磁芯直接接触影响变压器的性能。当然，第一通孔70与第二通孔80贯通绝缘层，满足磁芯安装的需求。将绝缘层黏贴后，再将磁芯安装于多层PCB板上，进行封胶。即采用UV胶将第一磁芯12与第二磁芯13及PCB板进行可靠固定。

本实用新型实施例还提供了一种开关电源(图中未示出)，其包括上述的小型变压器。在开关电源中设置上述小型变压器，也进一步降低开关电源的尺寸设计要求，适用于各种轻薄化驱动装置中。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。