一种基于柔性电路板的电感型网络变压器的制作方法

本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种基于柔性电路板的电感型网络变压器。

背景技术：

spi通信电路中，需要用到小型高频变压器做电气隔离，传统用于spi通信电路中的隔离网络变压器，体积大、高频损耗大满足不了现代电子电路的小型化，低损耗的要求，且制造成本高、拆装焊接流程复杂。由此基于印刷电路板(pcb)的平面变压器得到广泛应用，但pcb板不能弯折且不易拆卸，其制成的变压器不可灵活满足不同参数需求，即使可以外接电路进行参数设计，但pcb板的硬材料特性，使其不可充分利用空间，会增加装置体积。而柔性电路板(fpc)作为一种具有高度可靠性的可挠性印刷电路板，可以克服pcb板的这些缺点，且比pcb板厚度更薄、重量更轻、体积更小，更能满足现代电子电路的要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种基于柔性电路板的电感型网络变压器，实现装置的扁平化，更轻薄，降低制造成本，简化拆装焊接，便于进行参数设计。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种基于柔性电路板的电感型网络变压器，其特征在于，所述变压器包括一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板，所述一次侧柔性电路板封装原边线圈绕组，所述二次侧柔性电路板封装副边线圈绕组，一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板上下组合为一体，所述原边线圈绕组和副边线圈绕组均为平面螺旋结构，即每匝线圈都在同一个平面内呈螺旋状缠绕，中间为空心，即线圈内部出发点距离线圈最外匝的中心点有一定距离，每匝线圈与线圈之间留有间距。

进一步的，所述一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板的面积大小相等，通过胶粘、灌装或工艺压制的可拆卸的方式上下正对，组合为一体。

进一步的，所述一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板上均存在至少两个焊盘连接到线圈绕组的内匝出发点和外匝终止点，用于连接前后级电路。

优选地，所述原边线圈绕组与副边线圈绕组在俯视视角下，互相交替错开，即在横向上有一定偏移。

优选地，所述原边线圈绕组与副边线圈绕组均为平面螺旋圆形结构。

进一步的，所述线圈绕组的电感计算公式为

其中，μ为线圈的磁导率,n为线圈匝数,ρ为线圈填充比，表征电感的空心程度，c1、c2、c3、c4是圆形螺旋线圈的布局相关的耦合系数，dout为线圈最外匝直径，din为线圈最内匝直径，s是每匝线圈与线圈之间的间距，w是线宽。

优选地，所述线圈的材质均为铜线。

优选地，所述线圈的横截面呈矩形，线宽大于线高，线宽与线高的比大于等于3，每匝线圈与线圈之间的间距与线宽的比大于等于1且小于等于3，线圈最内匝直径与线圈最外匝直径的比大于等于0.2且小于等于0.8。

优选地，所述线圈的线宽的取值范围为0.1mm-0.5cm。

优选地，所述柔性电路板的单面绝缘层的高度范围为20um-0.5cm。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)该变压器采用柔性电路板制作，所以具备柔性电路板的配线密度极高、重量极轻、厚度极薄、耐折、易于拆卸和组装等优点；

(2)该变压器取消了磁芯且原副线圈上下相对，距离极近，线圈的耦合系数较大，且减少了漏感，适用于高频段，且在高频段有良好的特性；

(3)该变压器的一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板通过胶粘或灌装，工艺压制的可拆卸的方式上下组合在一起，便于拆卸，且上下间距易于调整，从而便于变压器的参数调整，而无芯pcb变压器的原副线圈不可拆卸，上下间距固定不变；

(4)该变压器预留有焊盘用于连接前后级电路进行参数设计，且不同于传统通信电路中的变压器，本发明fpc变压器在不更换变压器的前提下可根据需求的变化无限次自由设计，也节约了成本；

(5)原边线圈绕组与副边线圈绕组在俯视角下互相交替错开，相比于线圈正对时，能减小线圈间电容效应的影响，性能更优；

(6)平面圆形螺旋结构相比于平面矩形螺旋结构，不存在电流突变，且线圈的电阻更小，线圈间的电容量也更小；

(7)该变压器取消了磁芯，所以该变压器体积小、重量轻，无磁芯损耗，能量损耗主要是绕组损耗，故其损耗较低。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例一次侧柔性电路板的俯视示意图；

图2为本发明实施例二次侧柔性电路板的俯视示意图；

图3为本发明实施例变压器柔性电路板的整体左视示意图；

图4为本发明实施例原副边线圈绕组的整体俯视示意图；

图5为本发明实施例原副边线圈绕组的整体俯视的细节放大示意图；

图6为本发明实施例用示波器测量外接电阻后的该变压器原副边线圈两侧电压的等效电路图；

图7为外接电阻为500ω时示波器显示的波形图；

图8为外接电阻为120ω时示波器显示的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明为一种基于柔性电路板的电感型网络变压器，包括一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板，如图1、图2所示，所述一次侧柔性电路板封装原边线圈绕组，所述二次侧柔性电路板封装副边线圈绕组。一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板的面积大小相等，通过胶粘、灌装或工艺压制的可拆卸方式上下正对，组合为一体，如图3所示。

所述原边线圈绕组和副边线圈绕组均为平面圆形螺旋线圈结构的铜线，且中间留有空心圆，每匝线圈之间留有间距，空心圆指线圈内部出发点距离线圈最外匝的圆心有一定距离，平面圆形螺旋结构指线圈每匝都在同一个平面内呈螺旋状圆形缠绕。由于平面矩形螺旋线圈的邻接边的连接部分呈90°角，存在电流突变，所以本发明的实施例采用平面圆形螺旋结构，且圆形的路径更短，叠加区域更小，所以线圈的电阻更小，每匝线圈间的电容量也更小。

所述原边线圈绕组与副边线圈绕组在俯视角下，互相交替错开，如图3所示，一次侧柔性电路板与二次侧柔性电路板的面积大小相等且正对，而原边线圈绕组与副边线圈绕组在横向上有一定偏移，偏移的距离可以是整数倍的线宽，如图4或图5所示，原边线圈绕组与副边线圈绕组互相交替错开，相比于线圈正对时，能减小线圈间电容效应的影响，性能更优。

通过如下方法设计出变压器实物：首先依据实际需求，如面积，高度，电感大小，信号电压传输比，延时等参数，进行电感线圈绕组的感量，寄生电容，电阻的设计和计算，依据公式算出相关参数：

μ＝1.2566×10^-6h/m，davg＝0.5(dout+din)，

c1＝1.00,c2＝2.46,c3＝0.00,c4＝0.20，

其中，l为线圈绕组的电感，μ为铜线的磁导率,n为线圈匝数,ρ为线圈填充比，表征电感的空心程度，c1、c2、c3、c4是圆形螺旋线圈的布局相关的耦合系数，dout为线圈最外匝直径，din为线圈最内匝直径，s是每匝线圈与线圈之间的间距，w是线宽。

依照实际需求和计算参数在q3d软件中进行模型搭建，调整铜线截面参数，线间距，柔性电路板绝缘层高度，一次侧和二次侧的原边副边线圈绕组横向偏移距离，进行仿真分析，得出所需要的电感量，耦合系数，原副边线圈绕组的寄生电容、互容，调整自变量，进行参数设计，将得出的高频参数，带入到电路模型仿真，根据实际工程或项目需求进行优化设计，连接在前后级电路，串并联电容电阻电感，进行传输特性优化，依据仿真结果，指导下一步的实物制造。

所述线圈的横截面呈矩形，线宽大于线高，线宽与线高的比大于等于3，线宽的取值范围为0.1mm-0.5cm，以实际需求为准；每匝线圈与线圈之间的间距与线宽的比大于等于1且小于等于3，视分布电容、交流电阻等情况而定；线圈最内匝直径与线圈最外匝直径的比大于等于0.2且小于等于0.8；线圈的线宽的取值范围为0.1mm-0.5cm。柔性电路板的单面绝缘层的高度范围为20um-0.5cm。

所述一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板上均存在至少两个焊盘连接到线圈绕组的内匝出发点和外匝终止点，可用于连接前后级电路，或者串并电阻电容等自由调节和设计网络变压器的参数。

将本发明的所述变压器的二次侧柔性电路板的焊盘上外接一个电阻r，再分别用示波器两个探头连接一次侧和二次侧两端，给予脉冲电源，示波器显示屏上分别显示设计后的变压器的输入输出端电压。其等效电路如图6所示，电源vin为正负2v的频率为10mhz的窄脉冲，r0＝50ω，l0＝300nh，分别为脉冲信号线的电阻和电感，c01＝8pf，c02＝8pf，分别为两个探头的电容，l1＝39.79uh，l2＝39.79uh，分别为原边线圈和副边线圈的电感，同向耦合产生的互感m12＝36uh，r1＝8.513ω，r2＝8.513ω，分别为原边线圈和副边线圈产生的高频内阻，c1＝1.0062pf，c2＝1.0062pf，分别为原边线圈和副边线圈产生的分布电容，v1为测输入电压的电压表，v2为测输出电压的电压表，r为外接电阻。

当外接电阻r＝500ω时，由示波器测得的变压器线圈两端的电压参见图7，得到变压器的电压传输比为2：1.55；当外接电阻r＝120ω时，由示波器测得的变压器线圈两端的电压参见图8，得到变压器的电压传输比为2：1。所以，通过连接前后级电路，或串并电阻电容等方式，可自由调节和设计网络变压器的传输特性，且不限次数。

综上可知，通过上述的一种基于柔性电路板的电感型网络变压器，本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)该变压器采用柔性电路板制作，所以具备柔性电路板的配线密度极高、重量极轻、厚度极薄、耐折、易于拆卸和组装等优点；

(2)该变压器取消了磁芯且原副线圈上下相对，距离极近，线圈的耦合系数较大，且减少了漏感，适用于高频段，且在高频段有良好的特性；

(3)该变压器的一次侧柔性电路板和二次侧柔性电路板通过胶粘或灌装，工艺压制的可拆卸的方式上下组合在一起，便于拆卸，且上下间距易于调整，从而便于变压器的参数调整，而无芯pcb变压器的原副线圈不可拆卸，上下间距固定不变；

(4)该变压器预留有焊盘用于连接前后级电路进行参数设计，且不同于传统通信电路中的变压器，本发明fpc变压器在不更换变压器的前提下可根据需求的变化无限次自由设计，也节约了成本；

(5)原边线圈绕组与副边线圈绕组在俯视角下互相交替错开，相比于线圈正对时，能减小线圈间电容效应的影响，性能更优；

(6)平面圆形螺旋结构相比于平面矩形螺旋结构，不存在电流突变，且线圈的电阻更小，线圈间的电容量也更小；

(7)该变压器取消了磁芯，所以该变压器体积小、重量轻，无磁芯损耗，能量损耗主要是绕组损耗，故其损耗较低。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。