[发明专利]一种磁芯及包含该磁芯的平面变压器

说明书

本发明公开了一种磁芯及包含该磁芯的平面变压器，所述的磁芯包括黏接在一起的上磁芯和下磁芯；下磁芯包括平板、至少一对绕线边柱和至少一个绕线中柱，绕线边柱分为两组设置在平板的对边两侧，绕线中柱设置在平板的中央；上磁芯为与下磁芯的平板形状相同的结构。本发明的绕线边柱和绕线中柱通过不同的排列方式及数量能实现输入输出电压不同变比，从而设计的平面变压器体积小、功率密度高、耦合性好，特别适合低压大电流的应用场合；另外，平面变压器的初级绕组和次级绕组采用三明治绕法。能大幅降低由高频效应带来的高频损耗，同时有效降低初级、次级绕组的交流阻抗，多个次级绕组线圈输出电流均流效果好，通过并联可以实现更大电流输出。

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及磁芯及平面变压器。

背景技术

随着开关电源技术在各个应用领域的高速发展，开关电源的功率密度也在不断提高，高效率、高可靠性、高频化设计和低成本成为电源的发展方向，特别是近几年来随着计算机、人工智能技术的不断发展，CPU、GPU所需电源的供电电压越来越低，电流越来越大，传统电源变压器逐渐无法满足设计规格要求。为了降低磁性器件的体积，进一步提升开关电源的功率密度，开关频率已达到MHz级别，高频效应带来的损耗越来越严重，甚至影响正常工作。为了配合电源产品的有效开发，磁性元件的磁芯结构通常需要进行客制化设计，这将对电源产品的开发产生重要影响。

平面变压器是采用印刷电路板制造工艺，在多层板上形成螺旋式线圈，通过将不同层的螺旋式线圈连接以形成初级绕组或次级绕组。目前，印刷电路板平面变压器形成初级绕组或次级绕组的连接方式比较单一，在输入输出电压大变比场合下，如果初级线圈的匝数较多，所需求印刷电路板的层数也越多，这样就会增加平面变压器的厚度，不利于其扁平化的发展。

如图1、图2所示，是现有技术提供的两种变压器原副边设计原理图，现有技术中，变压器能够实现原副边匝比n：1的电压变比(n为大于0的偶数)，如果需要实现大的输入输出电压变比，在副边需要对绕组进行并联，在图1和图2中根据变压器同名端原理，实际设计中，将w2和w3组成一匝次级绕组，w1和w4组成另外一匝次级绕组；变压器工作时，假设原边电流为逆时针流动，根据法拉第电磁感应定律，次级绕组感应电流的方向为顺时针，其流动路径为G-SR₂-w2-P和G-SR₃-w3-P。如图1所示：变压器的副边两个并列绕组中的G端是连在一起的，P端也是连在一起的，如图2所示，w2和w3两个并联的半匝绕组共同组成了一个一匝绕组，w2和w3同时工作所产生的磁通，与一匝普通绕组产生的磁通等效；初级绕组则是按照常规绕线方式进行绕制，电流顺时针工作原理相反。如果需要实现更大电压变比，则需要在图1和图2副边并联更多的绕组，这样势必会增大功率变压器体积，导致产品体积变大。

如图3、图4所示，是现有技术提供的两种平面变压器实现多种匝比的电路图，现有技术平面变压器实现多种匝比的方法为，在平面变压器的原边设置n+1个初级绕组，初级绕组之间通过电阻串联，相邻两个初级绕组之间的电阻设置2个，则设置有2n个电阻，即图3中的电阻Rc1、Rc2、……、Rc2n，通过对电阻Rc1、Rc2、……、Rc2n选用不同的电阻值可实现初级绕组之间的串联，最多可实现n+1个初级绕组的串联；初级绕组一端通过电阻Rb1、Rb1、……、Rbn连接，初级绕组另一端通过电阻Ra1、Ra2、……、Ran连接，通过对电阻Ra1、Ra2、……、Ran、Rb1、Rb2、……、Rbn选用不同的电阻值可实现初级绕组之间的并联。图4只选用了电阻Ra1、Ra2、Ra3、Rb1、Rb2、Rb3，没有选用Rc1等初级绕组之间的电阻，该方法实现了Np1、Np2、Np3、Np4的并联，则平面变压器实现的匝比为Np/Ns1，Np/Ns2，Np/Ns3，Np/Ns4等等。在实际应用中需要根据不同的应用场合选择不同的电阻进行设计，并且不同绕组之间的串并联方式不同，这样设计增加了设计的复杂度，并且同一电路应用范围受到极大地限制，平面变压器每个绕组外需要预留电阻接口，会增大电路体积和成本。

发明内容