开关电源及其平面变压器的制作方法

1.本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种开关电源及其平面变压器。


背景技术：

2.随着电力电子技术的快速发展，人们对充电器的充电速度和体积都提出越来越高的要求，即要求充电速度越来越快以及体积越来越小，其中，提高开关电源的工作频率是解决充电速度和体积的有效手段，但是其会加剧开关电源的电磁干扰(emi)。
3.平面变压器是开关电源中不可或缺的基本组成器件，平面变压器的绕组采用多层印刷电路板叠绕而成，具有一致性好、成本低的优势。平面变压器在高度和体积上也有优势，其导体的薄型结构可以降低高频效应带来的影响从而降低功耗；以及原边绕组与副边绕组的耦合紧密可以降低漏感从而可以降低损耗，但是会带来更大的层间电容从而加剧电磁干扰。
4.现有技术中，一般通过在初级绕组层和次级绕组层之间设置屏蔽层或者在初级绕组层或次级绕组层设置屏蔽层以降低电磁干扰的影响，但是调整屏蔽层上屏蔽绕组的匝数并不能很好的平衡传导发射与辐射发射的效果，无法获得理想的抑制电磁干扰的效果，倒追开关电源的开发周期延长，开发效率降低。在初级绕组层或次级绕组层设置屏蔽层时，需要采用6层以上的pcb板，成本高。


技术实现要素：

5.因此，本发明所要解决的技术问题为如何使平面变压器的emi一致性好，具有较好的抑制电磁干扰的效果，同时降低平面变压器的成本。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.根据本发明的一方面，提供一种平面变压器，包括：pcb绕组板，包括层叠设置的至多四层pcb板，每层pcb绕组板设置有通孔，所述pcb绕组板上设置有贯穿其的开口，所述开口用于容置磁芯的中柱；绕组单元，设置在所述pcb绕组板上，所述绕组单元包括初级绕组和次级绕组；丝印层，设置在所述pcb绕组板的顶面和底面上，所述丝印层覆盖所述绕组单元；其中，所述初级绕组的中心抽头出串联连接的第一绕组和供电绕组，所述次级绕组的中心抽头出串联连接的第二绕组和第三绕组。
8.优选地，所述第一绕组和所述供电绕组的线圈匝数相同且线径相同；第二绕组和第三绕组的线圈匝数相同且线径相同。
9.优选地，所述第一绕组的第二端经由第一电容与初级地连接，第一端与开关管的第一端连接。
10.优选地，所述供电绕组包括第四绕组和第五绕组，所述第五绕组和第一二极管串联连接。
11.优选地，所述第四绕组的第一端与初级地连接，所述第四绕组的第二端与所述第五绕组的第一端连接，且所述第五绕组的第一端经由第一二极管和第二电容与所述第五绕
组的第二端连接，所述第五绕组的第二端与芯片地连接。
12.优选地，所述第二绕组的第一端作为次级绕组的第一端，所述第三绕组的第二端作为所述次级绕组的第二端，所述第三绕组的第二端与次级地连接。
13.优选地，所述第三绕组的第一端经由第二开关管与所述第二绕组的第二端连接，所述第二开关管的正极与所述第三绕组的第一端连接，所述第二开关管的负极与所述第二绕组的第二端连接。
14.优选地，所述pcb板采用玻璃纤维板或纸基材或陶瓷基板或柔性板材制成。
15.本发明的有益效果在于：
16.本发明实施例提供的平面变压器，通过对初级绕组和次级绕组进行中心抽头，使得初级绕组形成串联连接的第一绕组和供电绕组以及次级绕组形成串联连接的第二绕组和第三绕组以相互抵消次级到初级的共模噪声电流，从而使本技术的平面变压器可适应不同共模噪声的平衡需求，并具有较好的电磁干扰抑制效果，以降低外围emi滤波器件的使用，从而降低生产成本，且可减小电路中的漏电流。
17.进一步地，本技术的平面变压器无单独的屏蔽或者平衡绕组，使得pcb绕组板可以设置成具有四层及四层以下的pcb板的结构，并采用通孔工艺使各个板层间进行连接导通，与现有技术相比，结构简单，成本更低。
18.进一步地，pcb绕组板的顶层和底层均设置有丝印层覆盖绕组单元，以达到绝缘耐压效果。
19.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
20.图1-图4分别示出本发明实施例提供的平面变压器的各层的俯视示意图；
21.图5示出本发明实施例提供的平面变压器的结构示意图；
22.图6示出本发明实施例提供的平面变压器的电路结构示意图。
具体实施方式
23.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。
24.图1-图4分别示出本发明实施例提供的平面变压器的各层的俯视示意图；图5示出本发明实施例提供的平面变压器的结构示意图。如图1-5所示，该平面变压器包括pcb绕组板、绕组单元、丝印层(未图示)及补偿电容2。本实施例中，pcb板10可以采用玻璃纤维板或纸基材或陶瓷基板或柔性板材制成，玻璃纤维板、纸基材、陶瓷基板和柔性板材均为现有技术中用于制作pcb板10的常规已知材料，可结合设计需求进行选择，本技术对此不做限定。
25.具体的，pcb绕组板包括层叠设置的至多四层pcb板10，每层pcb板10上设置有通孔(未标号)，该通孔用于相邻两层pcb板10上的铜箔线路的电性导通，为常规设置，在此不做赘述。pcb绕组板上设置有贯穿其的开口1，开口1用于容置磁芯(未图示)的中柱。
26.上述磁芯包括顶部磁芯和底部磁芯，顶部磁芯与底部磁芯可设置为ee型磁芯，或者设置成ec型磁芯，或者设置成ei型磁芯，为常规设置，本技术对此不做具体限定。
27.本实施例中，以顶部磁芯与底部磁芯设置为ei型磁芯为例进行说明，具体的，顶部磁芯的中柱和侧柱呈e型结构，底部磁芯的侧柱呈i型结构。在安装时，使e型的顶部磁芯的中柱穿过pcb绕组板上的开口1，e型的顶部磁芯的侧柱围设在pcb绕组板的外周，将i型的底部磁芯与e型的顶部磁芯相接合，以形成一完整的磁芯。
28.呈上述，绕组单元设置在pcb绕组板上，平面变压器包括初级绕组pri和次级绕组sec。丝印层设置在pcb绕组板的顶层和底层上，丝印层覆盖绕组单元。其中，初级绕组pri和次级绕组sec围设在磁芯的中柱外周上，本实施例中，绕组单元于pcb绕组板上的形状呈矩形或者大致呈矩形。
29.由前述可知，pcb绕组板包括至多四层pcb板10，pcb板10的层数数量可结合绕组单元的排布结构进行调整。初级绕组pri和次级绕组sec均设置在一个pcb板10上，或者，初级绕组pri和次级绕组分别设置不同的pcb板上，绕组单元的排布方式不限定于上述方式，可结合设计需求进行调整，在此不做赘述。
30.在本实施例中，所述初级绕组pri包括第一绕组n1和供电绕组，所述第一绕组n1和所述供电绕组串联连接，开关管q1的第一端与所述第一绕组n1和所述供电绕组之间的节点连接；所述次级绕组sec包括第二绕组n2和第三绕组n3，其中，所述第三绕组n3和所述第二绕组n2经由二极管串联连接。
31.本实施例中以第一绕组n1排布在第一pcb板10a、第二绕组n2排布在第二pcb板10b、第三绕组n3排布在第四pcb板10c以及供电绕组排布在第四pcb板10d上为例进行说明，但并不局限于此。
32.具体地，所述初级绕组pri的中心抽头出串联连接的第一绕组n1和供电绕组，所述次级绕组sec的中心抽头出串联连接的第二绕组n2和第三绕组n3。第一绕组n1和供电绕组的线圈匝数相同且线径相同；第二绕组n2和第三绕组n3的线圈匝数相同且线径相同。
33.在本实施例中，第一绕组n1的第二端作为初级绕组pri的第二端，所述供电绕组的第一端作为所述初级绕组pri的第一端。绕组的第一端为同名端，第二端为异名端，但并不局限于此。
34.第一绕组n1的第二端经由第一电容c1与初级地gnd连接，第一端与开关管q的第一端连接。开关管q的第二端与控制电路220的电流采样端cs连接。
35.在本实施例中，所述供电绕组包括第四绕组n4和第五绕组n5，第四绕组n4和第五绕组n5的线圈匝数根据电压的大小设置，可以相同也可以不同。所述第五绕组n5和所述第一二极管d1串联连接。具体地，所述第四绕组n4的第一端与初级地gnd连接，所述第四绕组n4的第二端与所述第五绕组n5的第一端连接，且所述第五绕组n5的第一端经由第一二极管d1和第二电容c2与所述第五绕组n5的第二端连接，所述第五绕组n5的第二端与芯片地连接。
36.所述第二绕组n2的第一端作为次级绕组sec的第一端，所述第三绕组n3的第二端作为所述次级绕组sec的第二端，所述第三绕组n3的第二端与次级地sgnd连接。所述第三绕组n3的第一端经由第二开关管与所述第二绕组n2的第二端连接，所述第二开关管的正极与所述第三绕组n3的第一端连接，所述第二开关管的负极与所述第二绕组n2的第二端连接。在本实施例中，第二开关管例如为第二二极管d2。
37.控制电路220包括驱动端gate、电流采样端cs、电源端vdd以及接地端gnd。
38.在本实施例中，所述开关管q串联连接在所述第一绕组n1的第一端和所述控制电路220的电流采样端cs之间；所述开关管q的控制端与所述控制电路220的驱动端gate连接，所述供电绕组经由第一二极管d1与所述控制电路的电源端vdd连接以向所述控制电路220供电。
39.所述第四绕组n4和第五绕组n5中的至少一个作为供电绕组向所述控制电路220供电。第四绕组n4和第五绕组n5的线圈匝数可以不同，根据所提供的供电电压的大小设置不同的圈数比。
40.习知的，pcb板10中文名称为印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。pcb板10由芯板和半固化片以及外层铜箔压合而成。其中，铜箔是一种阴质性电解材料，沉淀于pcb板10基底层上的一层薄的、连续的金属箔，它作为pcb板10的导电体，容易粘合于绝缘层，腐蚀后形成电路图样。
41.本发明实施例提供的平面变压器，通过对初级绕组和次级绕组进行中心抽头，使得初级绕组形成串联连接的第一绕组和供电绕组以及次级绕组形成串联连接的第二绕组和第三绕组以相互抵消次级到初级的共模噪声电流，从而使本技术的平面变压器可适应不同共模噪声的平衡需求，并具有较好的电磁干扰抑制效果，以降低外围emi滤波器件的使用，从而降低生产成本，且可减小电路中的漏电流。
42.进一步地，本技术的平面变压器无单独的屏蔽或者平衡绕组，使得pcb绕组板可以设置成具有四层及四层以下的pcb板的结构，并采用通孔工艺使各个板层间进行连接导通，与现有技术相比，结构简单，成本更低。
43.进一步地，pcb绕组板的顶层和底层均设置有丝印层覆盖绕组单元，以达到绝缘耐压效果。
44.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
45.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种平面变压器，其特征在于，包括：pcb绕组板，包括层叠设置的至多四层pcb板，每层pcb绕组板设置有通孔，所述pcb绕组板上设置有贯穿其的开口，所述开口用于容置磁芯的中柱；绕组单元，设置在所述pcb绕组板上，所述绕组单元包括初级绕组和次级绕组；丝印层，设置在所述pcb绕组板的顶面和底面上，所述丝印层覆盖所述绕组单元；其中，所述初级绕组的中心抽头出串联连接的第一绕组和供电绕组，所述次级绕组的中心抽头出串联连接的第二绕组和第三绕组。2.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述第一绕组和所述供电绕组的线圈匝数相同且线径相同；第二绕组和第三绕组的线圈匝数相同且线径相同。3.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述第一绕组的第二端经由第一电容与初级地连接，第一端与开关管的第一端连接。4.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述供电绕组包括第四绕组和第五绕组，所述第五绕组和第一二极管串联连接。5.根据权利要求4所述的平面变压器，其特征在于，所述第四绕组的第一端与初级地连接，所述第四绕组的第二端与所述第五绕组的第一端连接，且所述第五绕组的第一端经由第一二极管和第二电容与所述第五绕组的第二端连接，所述第五绕组的第二端与芯片地连接。6.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述第二绕组的第一端作为次级绕组的第一端，所述第三绕组的第二端作为所述次级绕组的第二端，所述第三绕组的第二端与次级地连接。7.根据权利要6所述的平面变压器，其特征在于，所述第三绕组的第一端经由第二开关管与所述第二绕组的第二端连接，所述第二开关管的正极与所述第三绕组的第一端连接，所述第二开关管的负极与所述第二绕组的第二端连接。8.如权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述pcb板采用玻璃纤维板或纸基材或陶瓷基板或柔性板材制成。

技术总结
本发明提供一种平面变压器，包括：PCB绕组板，包括层叠设置的至多四层PCB板，每层PCB绕组板设置有通孔，所述PCB绕组板上设置有贯穿其的开口，所述开口用于容置磁芯的中柱；绕组单元，设置在所述PCB绕组板上，所述绕组单元包括初级绕组和次级绕组；丝印层，设置在所述PCB绕组板的顶面和底面上，所述丝印层覆盖所述绕组单元；其中，所述初级绕组的中心抽头出串联连接的第一绕组和供电绕组，所述次级绕组的中心抽头出串联连接的第二绕组和第三绕组。本发明的平面变压器可适应不同共模噪声的平衡需求，并具有较好的电磁干扰抑制效果，以降低外围EMI滤波器件的使用，从而降低生产成本，且可减小电路中的漏电流。减小电路中的漏电流。减小电路中的漏电流。


技术研发人员：叶玮 隋晶 张彤 翟继金
受保护的技术使用者：启东力生美集成电路有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/8