CN104377019A - 热增强的磁变压器 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及热增强的磁变压器。一种平面变压器包括：层压衬底，所述衬底具有金属迹线缠绕于其周围形成初级和次级绕组的开口；芯，配置成适配于开口内部以包围层压衬底。至少一个散热鳍与芯的顶部、底部或者两侧一体地形成。一种形成平面变压器的方法包括：层压衬底，所述衬底具有金属迹线缠绕于其周围形成初级和次级绕组的开口；在开口内部适配芯；以及包围层压衬底。芯的顶部、底部或者两侧其中之一包括一个或者多个散热鳍。

Description

热增强的磁变压器

本发明是国际申请日为2008年9月25日(进入中国国家阶段日为2010年3月19日)、申请号为200880107848.7、发明名称为“热增强的磁变压器”的专利申请的分案申请。

相关申请

本专利申请按照35 U.S.C.第119(e)款要求对通过引用也整体结合于此、申请号为60/995，328、于2007年9月25日提交并且标题为“THERMALLY ENHANCED PLANAR MAGNETICTRANSFORMER”的共同未决美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明主要地涉及平面变压器领域。具体而言，本发明涉及用于平面变压器的热管理

背景技术

电源具有这样的电子系统可以获得的有限最小尺寸，因为电源确实依赖于具有相对大的铁氧体芯和磁接线绕组的相对大的变压器。平面变压器放松这一限制，并且允许设计者实现电路板装配在空间受约束的应用中所需的小型轮廓。通过标准电路板管脚来实现与外部电路如功率半导体的连接。

图1示出了标准变压器100。变压器100包括绕组线轴110。绕组线轴110被配置成允许接线或者线缆(未示出)缠绕于绕组110周围。一般而言，有缠绕于线轴110周围的至少两个独立接线或者线缆以实现由初级电压形成次级电压。本领域普通技术人员一般已知向初级绕组施加交流电压将在次级绕组上生成交流电压。初级绕组的匝数与次级绕组的匝数之比确定向初级施加的信号与从次级测量的信号之间的幅度比。另外，一般运用多个初级和次级绕组以求更高效率。绕组装配于具有延伸段130的磁芯120周围。在一些实施例中，冠部140用来覆盖变压器100。输入和输出150电耦合到初级和次级绕组以将来自变压器100的输入和输出信号耦合至外界。

图2示出了平面变压器的衬底层201-205。虽然平面变压器按照与标准变压器相同的基本原理来操作，但是它的构造不同。不同于用于标准变压器的如上文所述在芯周围的接线，这些衬底层具有在开口210周围以圆形方式设置于衬底层上的铜迹线206。这些迹线执行与标准变压器中的接线实质上相同的功能。当向电耦合到一组铜迹线206的一组输入211施加初级电压信号时，次级电压信号形成于输出215处。按照铜缠绕于开口周围的次数来设置输入与输出之间的幅度比。衬底201-205可以是便于将铜装配于其上的任何材料。在一些实施例中，衬底是比如FR4(制作电路板时的标准材料)这样的材料。不同于将铜装配于其上，预先镀制的铜能够通过标准蚀刻技术来被蚀刻掉。

图3示出了标准平面变压器300的分解图。在这一示例实施例中，芯包括顶部芯310、一体地形成于其上的中央芯315和底部芯360。取而代之，中央芯315能够焊接或者通过另一常规手段来附着。中央芯315被配置和恰当地设定尺寸以适配穿过铜迹线(未示出)设置于其上的层压体330中的开口320。向一组初级输入340施加电压。如上文提到的那样，电压信号造成基于初级与次级绕组之间的匝数比来形成各种输出信号。平面变压器300能够具有至少一个初级输入340和至少一个次级输出350。顶部芯310磁耦合到底部芯360。在这一示例中，输入340和输出350是以通孔管脚的形式。取而代之，表面装配焊盘能够取代通孔管脚。

然而，假设有紧凑尺寸和平面配置，平面变压器常常紧密包装到区域中并且与其它电路等热接触。在这样的高温环境中重要的是平面变压器具有热管理系统以防止过热并且实现冷却。向平面变压器简单地装配散热器元件可能并不令人满意。装配的散热器的热性能可能并不充分。另外，散热器的添加将增加制造具有平面变压器的系统的步骤数并且将增加制造这样的设备的成本。

需要一种传热效率增强的平面变压器。也需要一种易于制造的平面变压器。还需要一种传热效率增强并且不增添附加制造步骤的平面变压器。

发明内容

在本发明的一个方面中，一种平面变压器包括具有开口的层压衬底。金属迹线缠绕于开口周围以形成初级和次级绕组。芯被配置成适配于开口内部和绕组周围。至少一个散热鳍与芯一体地形成。由于一体地形成芯和散热器，所以没有装配散热器的附加步骤。另外，这消除了对芯与散热器之间的热界面的使用，从而使组装比具有装配到芯的散热器的系统有更高热效率。在一些实施例中，芯包括铁氧体陶瓷。取而代之，芯为铁或者铁合金。

中央芯被配置成穿过在初级绕组和次级绕组内部形成于层压衬底中心位置的孔。在一些实施例中，中央芯与顶部芯一体地形成并且至少部分地围绕初级绕组和次级绕组。取而代之，底部芯被配置成装配到中央芯和顶部芯，从而使包括中央芯、顶部芯和底部芯的芯以通常方式基本上围绕初级绕组和次级绕组。在一些实施例中，底部芯与顶部芯和中央芯耦合以形成气隙以便增强磁性质。当至少部分地暴露于环境空气时，散热鳍通过对流从平面变压器向环境空气传热。

在一些实施例中，顶部芯包括一体地形成于其上的散热鳍。取而代之或者除此之外，散热鳍可以与底部芯一体地形成。

可以通过加工来形成芯和散热器。在一些实施例中，通过挤压来形成包括散热鳍的芯。通过挤压和挤压后加工的组合来形成某些实施例。

按照材料的磁性质来选择用于形成芯的材料。传热效率可以根据芯和散热器的材料而变化。某些材料如铜或者铝提供高效传热特性。磁性质明显更佳的一些材料可能具有比铜或者铝较差的传热效率。另外在一些实施例中，芯包括高导热率材料的涂层或者镀层，以提供良好磁性质和热性质。

在本发明的另一方面中，一种变压器包括具有开口的线架(bobbin)、缠绕于线架周围的初级和次级绕组以及配置成适配于线架内部的芯。在一些实施例中，芯为铁氧体陶瓷。取而代之，芯为铁或者铁合金。在一些实施例中，芯包括一体地形成于其上的散热鳍。在一些实施例中，芯还包括高导热率材料的涂层或者镀层。在一些实施例中，通过挤压来形成芯。取而代之，可以通过挤压和挤压后加工的组合来形成芯。

本领域普通技术人员可以理解，其中芯具有一体地形成的散热鳍这样的变压器的其它实施例是可行的。这样的实施例将随着具体应用需要而为其本身容易呈现具体外型因素、绕组数目、输入数目和输出数目。虽然实现这样的实施例可能需要实验，但是这样的实验将在本领域普通技术人员的理解和能力内。

附图说明

图1示出了标准变压器。

图2示出了平面变压器的层压衬底的层。

图3示出了分解的平面变压器。

图4A示出了具有一体地形成于顶部芯上的散热鳍的平面变压器。

图4B示出了具有一体地形成于底部芯上的散热鳍的平面变压器。

图4C示出了具有散热鳍的平面变压器的铁氧体芯的示例。

具体实施方式

示出了一种涉及热性能增强的平面变压器的改进装置和改进技术。本领域普通技术人员将认识到，本发明的下文具体描述仅为示例而不是为了限制要求保护的发明。受益于这一公开内容的本领域技术人员将容易想到本发明的其它实施例。将理解，在开发任何这样的实际实现方式时，可以做出实现方式所特有的许多决策以实现具体目的。现在将具体参照如附图中图示的本发明的实现方式。相同标号将在附图和下文具体描述中通篇用来指代相同或者相似部分。

虽然变压器一般为高效设备，但是它们仍然产生一些热。本发明涉及一种去除该热的更高效手段。图4A示出了具有设置于其上的散热鳍410的平面变压器400。在这一示例实施例中，散热鳍410一体地形成于芯420的顶部上。有利地，形成用于向环境中散热的从芯420到散热鳍410的不间断热路径。在这一示例中，通过挤压工艺来并行形成芯420和散热鳍410。芯420容纳平面变压器400的层压衬底层430。取而代之，散热鳍410能够通过焊接而形成于芯420上。受益于这一公开内容的本领域技术人员将能够考虑诸如气流、空间、环境温度和所需目标温度等参数来设定鳍410的尺寸。在一些实施例中，芯420包括陶瓷。取而代之，可以利用具有高热分布特性的金属合金，比如锰和锌铁氧体。一般而言，锌铁氧体包括锌、氧化铁和针对具体应用而优化的其它元素。

平面变压器400还包括输入和输出管脚435。在这一示例中，管脚435是以装配于PCB 450上的通孔这一形式。取而代之，能够利用表面装配管脚。

图4B示出了图4A中所示配置的替代配置。在一些实施例中，希望具有指向PCB 450的与芯420’一体地形成的散热鳍410’。在一些应用中，用于促进热对流的设备如风扇或者另一冷却元件在变压器400装配于其上的相反侧上耦合到PCB 450。也希望保持由变压器400产生的热远离其中包括变压器400的系统内的其它热敏部件。在变压器400’与PCB 450之间的散热鳍410’也占用其中已经为空的体积而未增添它在系统中占用的总体积。

图4C示出了各种芯460和470。芯460和470能够被设计成适应给定应用所需要的任何外型因素。将清楚可以使用替代技术来制造元件。顶部芯元件462包括外部壁463、顶部板464、中央芯465和散热鳍466。可以在单个挤压操作中形成这一芯元件。可以从一定长度的挤压成型材料切割个别芯元件462。可以挤压、加工或者模制底部芯467。在使用中，装配芯元件462从而使中央芯465在壁463围绕绕组的一部分的同时穿过变压器的绕组。底部芯467装配到壁463和中央芯465的暴露表面。使用这样的顶部芯元件462和底部芯467在变压器中生成的大部分热将向通过对流来散热的散热鳍466传导。

在一个替代实施例中，先通过挤压来形成顶部芯构件460。比如通过加工操作来修改中央芯461以获得所需形状。当底部芯470装配到顶部芯元件460时，绕组可以驻留于顶部板459与底部芯470之间。

在又一替代实施例中，顶部芯元件471和底部芯472具有散热鳍473。在更多其它替代实施例475和476中，可以通过挤压、加工或者通过模制来形成顶部芯和底部芯构件。在另一实施例中，顶部芯元件477没有散热鳍，但是底部芯478具有一体地形成的散热鳍479。

已经按照并入细节的具体实施例来描述本申请，以便于理解平面磁变压器的构造和操作原理。各图中所示和所述许多部件可以互换以实现所需结构，并且本说明书应当解读为也涵盖这样的互换。这样，这里对具体实施例及其细节的引用不是意在限制所附权利要求书的范围。本领域技术人员将清楚，可以对为了示例而选择的实施例进行修改而不脱离本发明的精神实质和范围。

Claims (21)

1.一种平面变压器，包括：

a.层压衬底，具有金属迹线缠绕于其周围以形成初级绕组和次级绕组的开口，其中所述初级绕组引起所述次级绕组上的电压信号的生成；

b.芯，具有配置成适配于所述开口内部并且围绕所述开口的顶部芯和装配到所述顶部芯的底部芯；

c.散热鳍，其中所述散热鳍一体地形成于所述顶部芯上；

d.跨所述顶部芯的表面设置的连续散热槽，其中所述连续散热槽形成在所述散热鳍之间，以及

e.不间断热路径，其中所述热路径从所述顶部芯延伸到所述散热鳍。

2.根据权利要求1所述的平面变压器，其中所述芯包括铁氧体陶瓷。

3.根据权利要求1所述的平面变压器，其中所述芯包括铁。

4.根据权利要求1所述的平面变压器，其中所述芯包括高导热率材料的表面涂层。

5.一种平面变压器，包括：

a.层压衬底，具有金属迹线缠绕于其周围以形成初级绕组和次级绕组的开口，其中所述初级绕组引起所述次级绕组上的电压信号的生成；

b.芯，具有配置成适配于所述开口内部并且围绕所述开口的顶部芯和装配到所述顶部芯的底部芯；

c.散热鳍，其中所述散热鳍一体地形成于所述底部芯上；

d.跨所述底部芯的表面设置的连续散热槽，其中所述连续散热槽形成在所述散热鳍之间，从而形成风道，以及

e.不间断热路径，其中所述热路径从所述底部芯延伸到所述散热鳍。

6.根据权利要求5所述的平面变压器，其中所述芯包括铁氧体陶瓷。

7.根据权利要求5所述的平面变压器，其中所述芯包括铁。

8.根据权利要求5所述的平面变压器，其中所述芯包括高导热率材料的表面涂层。

9.根据权利要求5所述的平面变压器，还包括至少一个散热鳍，其中所述至少一个散热鳍一体地形成于所述顶部芯上。

10.根据权利要求5所述的平面变压器，其中所述散热鳍指向PCB。

11.一种形成平面变压器的方法，包括：

a.层压衬底，所述衬底具有金属迹线缠绕于其周围以形成初级绕组和次级绕组的开口，其中所述初级绕组引起所述次级绕组上的电压信号的生成；

b.将芯装配到所述变压器，所述芯具有配置成适配于所述开口内部并且围绕所述开口的顶部芯和装配到所述顶部芯的底部芯，其中所述顶部芯具有一体地形成的散热鳍；

c.形成跨所述顶部芯的表面设置的连续散热槽，其中所述连续散热槽形成在所述散热鳍之间，以及

d.形成不间断热路径，其中所述热路径从所述顶部芯延伸到一体形成的所述散热鳍。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述芯包括铁氧体陶瓷。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述芯包括铁。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括用高导热率材料涂覆所述芯的表面的步骤。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括形成所述顶部芯，所述顶部芯包括在挤压工艺中一体形成的所述至少一个散热鳍。

16.一种形成平面变压器的方法，包括：

a.层压衬底，所述衬底具有金属迹线缠绕于其周围以形成初级绕组和次级绕组的开口，其中所述初级绕组引起所述次级绕组上的电压信号的生成；

b.将芯装配到所述变压器，所述芯具有配置成适配于所述开口内部并且围绕所述开口的顶部芯和装配到所述顶部芯的底部芯，其中所述底部芯具有一体地形成的散热鳍；

c.形成跨所述底部芯的表面设置的连续散热槽，其中所述连续散热槽形成在所述散热鳍之间，从而形成风道，以及

d.形成不间断热路径，其中所述热路径从所述底部芯延伸到一体形成的所述散热鳍。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述芯包括铁氧体陶瓷。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述芯包括铁。

19.根据权利要求16所述的平面变压器，还包括用高导热率材料涂覆所述芯的表面的步骤。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括至少一个散热鳍，其中所述至少一个散热鳍一体地形成于所述顶部芯上。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括形成所述底部芯，所述底部芯包括在挤压工艺中一体形成的所述至少一个散热鳍。