電子變壓器/電感器器件及其製造方法

2023-12-11 14:13:52

專利名稱：電子變壓器/電感器器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及電感元件以及製造這些元件的方法。
背景技術：
電感元件通常是用鐵磁芯和絕緣電線的繞組製造的。鐵磁芯典型地是環形磁芯、杆形磁芯，或者是如圖1所示由下部的E形鐵磁部分以及連接這個E的三條腿的鐵磁蓋構成的組件。
用絕緣銅導線來手工或者自動地環繞環形磁芯和杆形磁芯，從而形成用於一個變壓器的多個多匝繞組或者用於一個電感器的單個繞組。所述組件然後通常被封裝起來以便保護導線。電路連接是按照用途的要求，通過焊接導線的終端來形成的。這種方式要付出高昂的人工代價，因為要處理單個零件。它在電子參數如漏電感、分布電容和繞組間電容以及繞組之間的共模不平衡(common mode imbalance)上具有很大的可變性，這是因為難以精確地布置銅導線。
圖1中的被製成E形的且包含蓋的組件按照要求，通過手工或自動的方式，環繞E的各個腿而繞上銅絕緣導線，以製成一個電感元件。使蓋粘合或夾緊就位並最後封裝從而完成這個子組件。類似地，電路連接是按照用途的要求，通過焊接導線的終端來形成的。這一器件不僅受到上述的環形磁芯和杆形磁芯的局限，而且它一般是一個大得多的器件。由於上述的蓋是一個獨立器件，所以在E和蓋之間的磁路具有一非鐵磁性磁阻的間隙，降低了變壓器的效率。
如圖1所示構造的電源變壓器具有另外的缺點，即由各繞組中的電阻損耗產生的熱不容易消散，這是因為E形磁芯和蓋使得這些繞組與散熱片隔離開。

發明內容
本發明的實施例提供了電感器和變壓器以及製造這些器件的方法，它們提供了優於現有技術的優點。依據本發明的這些電感器和變壓器在電子、電信和計算機領域具有許多用途。在下面所描述的一個實施例中，在印刷電路之間封裝一種鐵磁材料的矩形片。在製造該矩形片時，從片的頂面到片的底面鑽通或形成多個通孔(vias)，孔的數量對應於所需的繞組匝數。這個實施例以一種非常新穎的方式利用安培定律來製造電路板內的變壓器、電感器等等，而不是在電路板上使用或裝配分立的電感器件。因此，繞組不是絕緣的電導線。相反，穿過片的這些孔藉助於通孔電鍍(through hole plating)等被製成是導電的，並且和封裝片的印刷電路電性連接。這個被電鍍的通孔的圖案和印刷電路便形成電感器和變壓器繞組，其中這些電感器和變壓器的磁芯是被鑽通的或被形成的鐵磁材料片。這個實施例提供了實質性的改進，特別是在製造高頻電感器和變壓器方面。
在下面所描述的另一個實施例中，電感器或變壓器的磁芯包括由一系列多層薄同心鐵磁金屬環形成的磁芯，這些磁芯支撐在合適的襯底如柔性電路(FLEX)或印刷電路板(PCB)上。靠近這些同心環的通孔提供了與印刷電路的電性連接，從而構成電感器和變壓器繞組。這個實施例能夠構造具有最小渦流效應的高磁導率的電感器和變壓器。這樣構造的電感器和變壓器對於小型低頻率電源具有特殊用途。
在下面描述的又一個實施例中，在一個薄鐵磁片中的通孔內形成單個導體以產生單匝電感器。流過所述導體的電流在靠近通孔的一部分片中產生一個環形磁場。
在下面描述的其他實施例中，在一個鐵磁片的同一通孔內形成第一導體和第二導體，從而製造出一個匝數比為1比1的單元磁芯變壓器。通過以串聯和並聯組合的方式來連接多個通孔的第一導體和第二導體，便可以構造具有所需匝數比的變壓器。通過在鐵磁片中的附加通孔內形成附加的感應導體，即可對電感器或變壓器附加額外的繞組。這樣構造的電感器和變壓器對於具有高次級電路電流的小型電源變壓器具有特殊的用途。
除了上述優點之外，本發明的實施例尚具有許多額外的優點。這包括較好的散熱，對簡化電性連接來說更易操作的外部連接，對改善磁性來說更短的磁通路徑，更簡單的製造，集成度更高的互連，更小的電感器件，更優良的性能，以及極好的製造重複性。


在這樣總結了本發明的一般特點及其特徵和優點後，根據本說明書參考附圖所作的詳細描述，本發明的特定實施例及其修改對於本領域技術人員將變得顯而易見，附圖中圖1是一個現有技術的鐵磁E形磁芯的概念示意圖，該磁芯具有一個匹配的鐵磁蓋；圖2A是一個傳統環形變壓器的俯視圖；圖2B是一個傳統變壓器的側視圖；圖3是一個代表性的鐵磁片的俯視圖，有25個通孔穿過該鐵磁片；圖4A是一個「虛擬(virtual)」環形變壓器的俯視圖；圖4B是圖4A所示的虛擬變壓器的側視圖；圖5顯示了一個虛擬變壓器的其他實施例的俯視圖；圖6是一個代表性的「虛擬」環形變壓器的俯視圖；圖7顯示了一個具有70個磁芯的陣列，這70個磁芯層疊到一個大柔性電路(FLEX)板上，其中移去了頂部柔性電路(FLEX)層以顯示單個的磁芯；圖8是一個放大側視圖，顯示層疊到一單個磁晶片上的頂部和底部柔性電路(FLEX)；圖9顯示單個片中的一個通孔的橫截面；圖10顯示一個PCB半固化片(prepreg)的示例，該PCB半固化片具有25個孔的陣列，用於放置25個磁芯；圖11是一單個磁芯的放大側視圖，顯示了層疊到該磁芯上的頂部PCB和底部PCB；圖12所示是在一單個鐵磁片中的通孔的放大橫截面；圖13所示是一個用屏蔽導電膠(screened conductive paste)填充的通孔的放大橫截面；圖14顯示了虛擬磁芯的其他實施例的俯視圖；圖15通過改進的表面積和體積比圖解說明本發明的熱量消散特徵；圖16顯示了金屬環形磁芯，圖解說明渦流產生的方式；圖17圖解說明通過蝕刻鐵磁金屬的同心環而形成的多個磁芯疊片(core laminations)；圖18是圖17所示的其中一個磁芯疊片的放大視圖；圖19A是一個橫截面圖，顯示多個層疊的磁芯疊片；圖19B是圖19A所示的其中一個磁芯疊片組(core stack)的放大視圖；圖20A是一個橫截面圖，顯示加上頂部和底部印刷電路之後的圖19A的磁芯疊片組；圖20B是圖20A所示的其中一個磁芯疊片組的放大視圖；圖21A是一個橫截面圖，顯示經過電鍍的通孔已經被鑽通之後的圖20A的層疊結構；圖21B是圖21A所示的其中一個磁芯疊片組的放大視圖；圖22是在一鐵磁片中形成的60個「單元磁芯(cell core)」的陣列、及電流交替的方向所導致的磁通量取向的俯視圖；圖23顯示根據安培定律由通過筆直導體的電流產生的磁通密度；圖24顯示根據法拉第定律當導體的路徑包圍具有隨時間變化的磁通密度的區域時、在該導體中產生的電場強度；圖25是由40個單元磁芯組成的一個陣列的俯視圖，說明對應於所示電流方向的磁通量取向；圖26是由40個單元磁芯組成的一個陣列的俯視圖，說明對應於一致的電流方向的磁通量取向；圖27是穿過6個單元磁芯而形成一個1比1匝數比變壓器的初級和次級繞組的示意性表示；圖28是穿過6個單元磁芯而形成一個2比1匝數比變壓器的初級和次級繞組的示意性表示；圖29是穿過6個單元磁芯而形成一個3比1匝數比變壓器的初級和次級繞組的示意性表示；圖30是穿過6個單元磁芯而形成一個3比1匝數比變壓器的初級和次級繞組的示意性表示，其中次級繞組已經由圖29所示的次級繞組重新作了排列；圖31是穿過6個單元磁芯而形成一個6比1匝數比變壓器的初級和次級繞組的示意性表示；
圖32A～32I是穿過6個單元磁芯而形成更多變壓器實施例的初級和次級繞組的串聯和並聯的符號化表示；圖33A是一個單元磁芯電源變壓器的第一頂部導電層的俯視圖，用於圖解說明在50個通孔的一陣列中，穿過每個通孔的各初級導體之間的電性連接；圖33B是圖33A所示的單元磁芯電源變壓器的第二頂部導電層的俯視圖，用於圖解說明在50個通孔的一陣列中，穿過每個通孔的各次級導體之間的並聯的電性連接；以及圖33C是圖33A所示的單元磁芯電源變壓器的橫截面側視圖。
具體實施例方式
圖2圖解說明了具有環形磁芯30的一個典型的現有技術變壓器。為簡單起見，這個變壓器具有兩個絕緣導線繞組2匝繞組32和4匝繞組34。每匝線圈36包圍磁芯30材料，從而當電流通過一個繞組時，便在磁芯30內形成一個環繞的磁通路徑38。圖2A圖解說明繞組32、34，繞組32、34穿過磁芯30的中心並圍繞磁芯30的外部。圖2所示的繞組32和34是通過磁芯30而電感耦合在一起的。磁芯30提供了一條磁通路徑，該磁通路徑使第一繞組32與第二繞組34耦合，因此當在第一繞組上有電壓出現時，在第二繞組上便產生電壓。
本發明的實施例具有與圖2所示非常不同的磁芯和繞組排列。圖3顯示了具有多個適當隔開的通孔12的鐵磁片10，這些通孔12從鐵磁片10的頂部表面14延伸到底部表面16，由此可以形成電感器或變壓器。雖然圖3顯示總共25個通孔12已經被鑽通或形成於片10內，但所使用的通孔12的數量應當取決於特定應用所需要的繞組數量。正如以下將變得明顯的，通過在頂部表面14和底部表面16二者上選擇地排列通孔12，並且在通孔12之中及其之間電鍍(plating)導體，以形成初級和次級繞組，即可形成電感器或變壓器。次級繞組也可藉助於穿過通孔12而設置第二組絕緣導體來形成。
術語「片(slab)」和「鐵磁片(ferromagnetic slab)」被用於整個本申請中，並且被規定為描述任何鐵磁材料的有用結構的廣泛術語，所述有用結構包括但不限於鐵磁材料的板(sheets)、薄片(thin sheets)、平面構件(planar members)和層(layers)。
「虛擬磁芯」圖4圖解說明依據本發明的「虛擬磁芯(virtual core)」。由於通孔56、58形成的方式，圖4所示的實施例在這裡也稱為「虛擬環形磁芯」或「虛擬環形」。在圖4中，鐵磁材料片50具有頂部表面52和底部表面54，以及在橫截面中顯示的片50內的兩個外孔(通孔)56和一個內孔(通孔)68。如下面的描述，對於小型電感器和變壓器，有利的是片50為一薄鐵氧體(ferrite)層，具有相對高的電阻率。
圖4A和4B顯示一個虛擬磁芯，其被用作依據本發明而構造的虛擬環形變壓器，使用具有8個外通孔56和6個內通孔68(圖4B中沒有顯示全部的孔)的片50。導體58是形成在所述片的頂部表面52和底部表面54上的。該導體具有用於連接到其他器件或者電路的焊盤60。如下面的描述，這些外通孔和內通孔56、68是從頂到底被電鍍的，並且和導體58電性連接，所以完整的電路舉例來說延伸於焊盤60和60′之間。如下面的描述，這樣形成的虛擬環形變壓器62具有環形路徑64。
圖5圖解說明一個鐵磁片70，其中在這同一個鐵磁片70上有兩個獨立的虛擬磁芯72、74。第二個變壓器74說明本發明的另一個實施例，其中通孔被重新排列成特定的圖案。這種重新排列形成了一個矩形的虛擬環形75，其具有內矩形76和外矩形77。
圖6圖解說明虛擬磁芯的另一個實施例，該虛擬磁芯形成於具有頂部表面80和底部表面(沒有顯示)的鐵磁片78中。鐵磁片78有8個外通孔82，其排列形成一個虛擬環形的外徑84，以及8個內通孔83，其排列形成虛擬環形的內徑85。導體86形成在片78的頂部表面80和底部表面上，並且被電鍍通過外通孔82和內通孔83，從而形成一個連續的電路徑或者繞組。如下面所描述的，圖6所示虛擬磁芯形成了具有一個8匝繞組的虛擬環形電感器。
作為FLEX的一部分的製造一種製造方法是在如圖7、8、9所示的FLEX 92電路的頂層和底層內嵌入多重鐵磁片(磁芯90)。對應於所需繞組的銅電路圖案92形成在環氧樹脂板110上，環氧樹脂板110由粘合劑115粘合到鐵磁片的頂部表面112和底部表面114。這樣就通過層疊處理而使磁芯90被包含在電路92中。通孔是穿過FLEX 92的複合層和磁芯來形成的，用於形成頂部FLEX 116電路到底部FLEX 117電路之間的連接，如圖8和圖9所示。用導電墨水(conductive inks)填充通孔和標準的工業電鍍工藝是用來同時連接大量虛擬磁芯的方法。這個結構的橫截面顯示在圖8和圖9中。
作為PCB的一部分的製造在圖10、11、12中所顯示的另一種製造方法是在PCB電路的頂層170和底層172之間嵌入多重鐵磁零件(pieces)150。圖10顯示了在一個PCB粘合劑或半固化片(prepreg)陣列156中的孔154的陣列。這個半固化片156板是被形成用來安置各個磁芯零件150的。如圖11所示，在零件150被插入孔154之後，PCB的頂層部分170和底層部分172被層疊到陣列156上。這樣便通過使得零件150被夾在兩個環氧樹脂板之間的層疊處理，而將零件150包含在內。通孔190是穿過PCB 192的複合層和零件150而形成的，用於形成頂部PCB電路194到底部PCB電路196之間的連接。有利的是，用導電墨水198或標準的工業電鍍工藝來填充的通孔190被用於同時連接大量磁芯。這種結構的橫截面類似於圖8和9所示的FLEX 117結構。主要的不同在於PCB材料的不彎曲特性不適合單個的零件150。
沿有FLEX和PCB的製造另一種製造方法顯示在圖13中，其中多個磁芯210被置於載體212上。各磁芯210是用合適的孔214模製的。然後用標準的工業導電墨水屏蔽(screening)工藝在磁芯210的頂部215和底部216上形成電路，同時填充孔214以在頂部215和底部216之間建立所需的連接。
使用安培定律的虛擬磁芯上述的本發明的實施例有導電通孔穿過磁片，以一種非常新穎的方式利用了安培定律。所述通孔的形成方式使得形成在襯底上的兩個繞組之間存在磁通路徑。因此，如圖4A所示，落入內通孔68內的任何封閉路徑將包含零值淨電流(net current)，因此這種路徑就沒有磁通量。包圍外通孔56的任何路徑也將包含零值淨電流，這是因為對流到外通孔56中的電流來說，內通孔68具有大小相等而方向反向的電流，從而在包圍外通孔56的區域中產生零值磁通量。但是，由於內通孔68的封閉，內通孔68和外通孔56之間的封閉路徑將具有淨磁通量。部分包圍內通孔68或外通孔56的其他路徑將沒有有效的磁通量，這是因為磁通量會選擇最短的物理路徑，類似於電流。因此，這種結構的工作將類似於圖2的環形，並被表示為虛擬環形62。
安培定律由以下方程表示∮H·(dl)＝∑I (方程1)其中圍繞閉合路徑的磁場強度H的線積分等於穿過被該路徑包圍的區域的電流I之和。參考圖6，安培定律說明落入內通孔83中的任何閉合路徑的線積分將包含零值淨電流，因為在這個區域內沒有帶電流的通孔。因此，在虛擬環形的內徑85內便不會產生磁通量。包圍外通孔82的任何閉合路徑的線積分也具有穿過被包圍區域的零值淨電流，這是因為有電流流出的8個內通孔83被流入8個外通孔82的等量電流所抵消。因此，在包圍所示虛擬環形的外徑84的任何區域內將沒有磁通量產生。
存在連續磁通量的唯一區域是介於虛擬環形磁芯的內徑85和外徑84之間的區域。在這個區域中，閉合路徑的線積分將包括來自8個內通孔83的穿過被包圍區域的電流之和。因此，圖6中顯示的通孔圖案形成了一個虛擬環形電感器，其中內徑85和外徑84構成一個由8匝繞組勵磁的虛擬環形磁芯。點劃線圓圈88表示被限定到環形磁芯的區域上的磁通路徑的方向。
顯而易見，適當選擇通孔，便可使襯底上有許多不同形狀的虛擬磁芯和磁芯排列。因此，可以在同一襯底上構造許多獨立的磁路。正因如此，通過在圖4所示的鐵磁片50的頂部表面52和底部表面54上適當設置通孔和電路導體，就有可能構造比簡單的電感器和變壓器更為複雜的電路。例如利用傳統PCB和柔性電路板(FLEX)工業中所用的工藝(光沉積、蝕刻和電鍍)，即能將多個元件如電阻器、電容器和集成電路設置在同一襯底上，從而形成微型電路組件。
圖14圖解說明位於同一鐵磁片218上的多個虛擬磁芯220、222、224。每個虛擬磁芯220、222、224獨立工作，並且可以如圖6所示那樣具有介於電鍍的通孔之間和穿過這些通孔的電路連接，從而形成虛擬環形變壓器或虛擬環形電感器。第一虛擬磁芯220可由一個8匝繞組如圖6所示的虛擬環形磁芯來勵磁。第二虛擬磁芯222說明另一個實施例，其中用和圖6中虛擬環形磁芯相同的幾何圖形來排列各通孔，但通孔數較少，從而形成一個可由4匝繞組來勵磁的虛擬環形磁芯。點劃線圓圈223表示磁通路徑的方向，該磁通路徑封閉上述虛擬環形磁芯的區域。第三個虛擬磁芯224說明又一個實施例，其中通孔圖案已經被重新排列，從而形成一個由內部矩形226和外部矩形227界定的矩形虛擬環形磁芯。矩形虛擬磁芯224可以由一個12匝繞組來勵磁。點劃線圓圈228表示磁通路徑的方向，該磁通路徑封閉矩形虛擬環形磁芯的區域。
對高頻電路如用於典型範圍在100KHz到100MHz的射頻頻率的電路，可以依據前述的實施例來構造適用的電感器和變壓器。有利的是，前述實施例中的鐵磁片可以用鐵氧體(ferrite)材料的薄層形成，該鐵氧體材料所具有的典型磁導率範圍為100到10000，而電阻率範圍為1000歐姆/cm到10.sup.9歐姆/cm。典型的鐵氧體合成物包括鐵氧體氧化物(ferric oxide)和鋁鎳鈷(alnico)。這類鐵氧體材料具有足夠高的電阻率以使得穿過鐵磁片的電鍍通孔相互絕緣。這樣構造的電感器和變壓器適於小型化。它們不需要複雜的引線和引線框(lead-frames)。因此，1.5英寸長、1英寸寬和0.05英寸厚，具有0.03英寸直徑通孔的片能為兩個或更多個變壓器提供磁芯。鐵磁片可以非常小。頂部表面和底部表面上的表面焊盤形成連接，並且能夠被直接地平面式安裝到PCB，因而減少了器件的底面積(footprint)且給其他組件提供了更多空間。所示繞組實際處於兩個平行的平面中。因此一個典型應用的十(10)層的平面變壓器器件的繞組的總高度可以被減少1/5。鐵磁片可以非常薄，例如為0.05英寸，因此本發明的電感器和變壓器能夠實際上被構造於一個非常薄的平面中，而不是一個三維E形磁芯中，這進一步以更大因數減少了總高度。
具有高柔性密度(Flex Densities)和最小渦流的變壓器/電感器器件的更多實施例許多電感器件如低頻電源變壓器都要求磁芯有相對高的磁導率，典型地處於10000到100000的範圍。但是，本發明的實施例所提供的改進適用於更低和更高的數值，例如1000到1000000。某些金屬和金屬合金，包括鋼、鐵、矽鐵(silica iron)、78坡莫合金、鎳鐵高磁導率合金、純鐵和高導磁合金，提供了這些高柔性密度。雖然這些高柔性密度在構造變壓器和電感器時能夠提供顯著的益處，但這些金屬的低電阻率讓感應出的渦流能夠流動，抵消了較高柔性密度的優點。圖16示意說明由磁通量引起的感應渦流300流進金屬磁芯。目前使用金屬作為磁芯的變壓器/電感器通常通過層疊的金屬E形片來構造環形或E形磁芯，其中每個片被某種類型的絕緣體粘合材料分隔開。整個E形磁芯包含許多這樣的片，從而形成完整的磁芯。使用這種結構，渦流便被限制在每個片的橫截面區域內。如下面的描述，本發明的一個特徵是進一步減少磁芯部分區域。
在圖17～21中，示意說明了本發明的一個實施例的製造，其能夠將鐵磁金屬用作磁芯材料，其中柔性電路或印刷電路板290支撐一系列層疊的薄金屬環，這些薄金屬環形成於柔性電路或印刷電路板上並被絕緣板所隔開。電鍍的通孔處於這些環的中心內和外部，並被電鍍而圍繞磁芯構成電氣匝(electrical turns)。如下面的描述，這個實施例通過實質上減少每個層疊的磁芯部分的橫截面面積而實際使渦流達到最小。
通過首先將鐵磁金屬片層疊到印刷電路板或柔性電路290，然後蝕刻掉部分鐵磁片，以形成多個緊密間隔、狹窄而連續的磁芯段的圖案，來形成多個磁芯疊片。因此，圖17顯示了具有16個被蝕刻磁芯的陣列的PCB或FLEX 310的單個層。應該理解的是本領域公知的層疊和蝕刻工藝一般允許製造超過16的這種陣列，這取決於陣列和圖案的尺寸。有利的是，使用眾所周知的雙面工藝來蝕刻磁芯陣列315，以便在片310的頂部和底部上形成相同的陣列。
圖18圖解說明了一單個磁芯陣列315的放大視圖，其中顯示了具有16個同心鐵磁導電金屬環320a～320p的陣列，金屬環320a～320p通過各自被蝕刻出間隔或空隙325a～325o而彼此絕緣。類似地，在陣列315外部的區域330以及在最裡面的環320內部的區域335是磁材料的空隙。但是本發明不局限於同心環陣列，而是可構造其他磁芯陣列如一系列相互絕緣的、漸次更大的正方形或矩形磁芯陣列，這對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。
下一個製造步驟是層疊多個印刷電路板(PCB)和柔性電路(FLEX)層310，其中陣列315基本對齊。如圖19A所示，同心環磁芯陣列315a～315h彼此層疊在頂部，其中在每一層上的磁芯圖案是對齊的。結果是製成了多個高磁通量、具有非常小渦流區的金屬磁芯。因此，被用於蝕刻陣列315的原始片的厚度能夠非常薄，典型範圍是0.0005到0.010英寸。ky可以使用傳統的PCB或FLEX(FPC)蝕刻技術來將同心環蝕刻到非常窄的寬度，其量級為0.002英寸到0.003英寸。結果使得稱為磁芯的橫截面的渦流產生區域的尺寸被極大減少了。
作為層疊工藝的一部分，絕緣材料340的薄層被放置在鄰近每個被蝕刻的同心環陣列315的頂部表面。典型的是使用環氧樹脂材料。這個絕緣板和該絕緣板支撐的被蝕刻的鐵磁環可能是不同材料。代表性d的材料包括由Dupont and Rogers Corp.製造的用於製作印刷電路板和柔性電路(FLEX)的環氧樹脂和丙烯酸樹脂。環氧樹脂和半固化片(以及帶有玻璃的環氧樹脂)一般被用於構造印刷電路板，而丙烯酸樹脂(acrylics)一般被用於製造FLEX。在層疊過程中，圖18中顯示的空隙325、空隙330和335被用圖21A和圖21B中所顯示的絕緣材料加以填充。
如上所述，有利的是，由磁芯結構的兩面上的與印刷電路接觸的導電通孔，來提供本發明的實施例的電繞組。圖17～21的實施例的繞組的製造步驟顯示在圖20A、20B、21A、21B中。
參考圖20A和圖20B，附加的銅層350、355分別層疊在頂部表面和底部表面，有兩個附加的絕緣層360、365將銅表面與被蝕刻的金屬表面分隔開。
圖21A和21B中圖示說明完整的結構，其中通孔370鑽通了整個層疊陣列。這些通孔位置靠近低電阻率的鐵磁環但典型地不與其接觸，使得由被電鍍通孔所提供的繞組線匝從電氣上絕緣。然後用導電材料，通常是銅，來電鍍這些通孔370。也可以利用這些通孔內的導電墨水和導電膠。銅層350、355然後受到蝕刻，從而形成和被電鍍通孔370電接觸的電路圖案，用以形成圍繞同心環磁芯陣列315的繞組。
為簡化說明，圖21A和21B所示的實施例圖解說明了用於每個變壓器的少量通孔370a、370b、370c、370d。圖17～21的實施例通過增加附加的通孔能夠具有多個繞組，這對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。如果必要，尚可在層350和355上層疊附加的銅層，以提供對附加通孔的必要連接。
通過從陣列「模」切(「die」cutting)或銑切(routing)一些零件的通常方法，從圖21A、21B的層疊陣列中取出各個變壓器和電感器器件。每個這樣的器件能夠被用於替代圖1和16中所顯示的傳統電感器件。而且，由於蝕刻的金屬磁芯是如圖19所示的陣列的一部分，它能夠與其他組件互連。
具有「單元磁芯」的變壓器/電感器器件的更多優選實施例圖22圖解說明了本發明的另一個實施例，它被稱為「單元磁芯」，其中一個或多個電感器件是由60個通孔402形成的，60個通孔402形成鐵磁片400內的一個陣列。如圖22所示，電流要麼流入要麼流出陣列內的每個通孔402。電流可以如圖4B所示，由穿過通孔402和介於通孔402之間的被電鍍的導體(圖中未示)攜載。如下面的討論，每個通孔402和鐵磁片400的一個圍繞部分(由點劃線圓圈404表示)建立一個「單元磁芯」，其單獨地、或者與一個或多個其他單元磁芯組合，而形成一個電感器件。
可以使用前述的用於製造虛擬磁芯的方法來製造圖22。例如，可以像前述圖7、8、9所公開的那樣作為柔性電路(FLEX)的一部分，像前述圖10、11和圖12所公開的那樣作為印刷電路板(PCB)的一部分，來製造圖22，或者如前述圖13所公開的那樣沒有FLEX和PCB而製造圖22。
單元磁芯對安培定律的使用根據安培定律，在圖22中，穿過通孔402的每個攜帶電流的導體將產生如點劃線圓圈404表示的環形磁場。儘管傳統的電感器件典型地使用絕緣導體來環繞鐵氧體環形磁芯，從而構造出通過磁芯的中心孔的「線匝」，但這種繞組或線匝並不一定在磁芯內產生磁力線構成的磁場。例如，圖23圖解說明了安培定律的一種形式，其中環形磁場410是由流過筆直導體412的電流產生的。因此，彎曲的導體不一定產生磁場。但是，磁場路逕取決於電流路徑。例如，環形電流路徑會產生通過該電流路徑的中心的一個直線場。
因此，根據安培定律，可以通過讓單個載流導體穿過圖22中的通孔22，而在基本包圍通孔402的一部分鐵磁片400內產生磁場，來製造相當於單匝電感器的單個電感器件。如點劃線圓圈404所表示的，由載流導體產生的磁通量位於直接圍繞鐵磁片400的區域內。
單元磁芯對法拉第定律的使用在本發明的另一個優選實施例中，設置穿過圖22的一個或多個通孔402的第二個絕緣導體而形成一個變壓器，這裡稱之為「單元磁芯變壓器」或「單元變壓器」。通過圖解說明的方式，圖24顯示了法拉第定律的一種形式，其中當導體420的路徑包圍攜帶隨時間變化的磁通密度B的區域A時，在導體420中產生電場強度E。這個定律是由以下方程描述的∮E·(dl)＝∮dB/dt·(dA) (方程2)當圍繞一個閉合路徑的電場強度E的線積分等於穿過該路徑所包圍的區域A的隨時間變化的磁通量B之和時，它是感應的電壓。
因此，在圖22所示的實施例中，由通孔402的次級導體所檢測到的磁通量等於由同一個通孔402內的初級電流所產生的直接環繞的磁通量。相當於一個1∶1匝數比變壓器的單個電感器件，是通過讓初級載流導體和次級導體或感應導體穿過圖22中的同一個通孔402，來製造的。如下面詳細描述的，多個通孔402的初級導體和次級導體可以通過串聯和並聯組合的方式，在電氣上耦合，從而產生具有所需匝數比的單元變壓器的初級繞組和次級繞組。只要當合併來自每個通孔402的信號時，感應電壓的極性是正的，則合成繞組就會作為一個有效變壓器的一部分來工作。
圖22的電流流動圖案被排列成使得在陣列的同一行或同一列中，任何單個通孔402中的電流流動方向都和任何鄰近通孔402中的電流流動方向相反。表示圍繞每個通孔402的環繞的磁通量方向的點劃線圓圈404說明，在兩個相鄰磁場交叉的情況下，在每個通孔402之間產生的合成磁通量具有相同的方向。但是，這樣的取向不是必需的，而且各種電流圖案都是可能的。例如，圖25圖解說明了本發明的一個實施例，其中40個通孔432形成了鐵磁片434內的一個陣列。如圖25表示的電流圖案被排列成在一列內，使電流以相同的方向流過每個通孔432，而且在每一列內，流過通孔432的電流方向與任何相鄰列的電流方向相反。點劃線圓圈436說明，在同一行中的兩個相鄰通孔432之間，所產生的合成磁通量具有相同的方向，但是在同一列中的兩個相鄰通孔432之間，所產生的磁通量具有相反的方向。圖26圖解說明了本發明的另一個實施例，其中在鐵磁片440內形成的40個通孔438中，每一個通孔的電流都在同一個方向上。點劃線圓圈442說明，在兩個相鄰的磁場交叉的情況下，在每個通孔438之間產生的合成磁通量具有相反的方向。
無論電流流動的圖案是怎樣的，由單個通孔所產生的磁通量繼續位於圍繞通孔的鐵磁材料的鄰近區域內。因此，當產生繞組的串聯和並聯的組合時，可以選擇各種電流流動的圖案來簡化電路路徑。
單元磁芯組合如上所述，穿過圖22的單個通孔402來放置第二絕緣導體，將會形成一個1∶1匝數比的單元變壓器。多個通孔402內的初級導體和次級導體也可用串聯和並聯方式組合，從而形成任何具有所需匝數比的單元變壓器。圖27圖解說明了本發明的一個實施例，其中6單元變壓器456是用形成於鐵磁片460(其一部分被表示為圍繞著每個通孔458)中的6個通孔458來製造的。單元變壓器456包括初級繞組462，該初級繞組提供一條電流路徑，使得出現在初級繞組462的兩端466、468上的電壓信號Vin導致電流Iin通過每個串聯的通孔458，從第一端466流到第二端468。單元變壓器456還包括次級繞組464，該次級繞組提供一條通過每個串聯通孔458的電流路徑。初級繞組462和次級繞組464可以包括在鐵磁片460的頂部表面470和底部表面472上，穿過通孔458和介於通孔458之間的導體(圖中未示)。
由於初級繞組462是串聯的，電流Iin流過每個通孔458，並且在通過每個通孔458的那部分次級繞組464中感應出一個等於Iin的電流。由於次級繞組464也是串聯的，因此通過每個通孔458的次級繞組464中的最大電流是Iout，該電流等於Iin。因此Vout等於Vin且圖27所示的6單元變壓器具有匝數比1∶1。
圖28圖解說明了本發明的又一個實施例，其中圖27的6單元變壓器456的次級繞組464已經被重新排列，以便提供並聯穿過兩個通孔組488、490的電流路徑，其中穿過每個組488、490的電流路徑以串聯方式穿過三個通孔458。在通過每個通孔458的那部分次級繞組464中感應出一個等於Iin的電流，導致電流I1和I2都等於Iin。因此，根據歐姆定律和能量守恆，Iin等於Iout除以2而Vin等於Vout乘以2。所得到的單元變壓器具有2∶1匝數比(初級比次級)，其中在次級繞組464中通過每個通孔458的最大電流等於Iout的一半。
圖29圖解說明了本發明的再一個實施例，其中圖27所示的6單元變壓器456的次級繞組464已經重新排列，以提供並聯穿過三個通孔組492、494、496的電流路徑，其中穿過每個組492、494、496的電流路徑以串聯方式穿過兩個通孔458。在通過每個通孔458的那部分次級繞組464中感應出一個等於Iin的電流，導致各電流I3、I4和I5都等於Iin。因此，Iin等於Iout除以3而Vin等於Vout乘以3。所得到的單元變壓器具有3∶1匝數比(初級比次級)，其中在次級繞組464中通過每個通孔458的最大電流等於Iout的三分之一。
圖30圖解說明了本發明的另外一個實施例，其中圖27的6單元變壓器456的次級繞組464已被重新排列，以提供串聯穿過兩個通孔組499、500的電流路徑，其中穿過每個組498、500的電流路徑以並聯方式穿過三個通孔458。這種配置產生與上圖29中所使用的次級繞組464的配置相同的結果，說明許多不同的繞組配置能夠取得相同的結果。
圖31圖解說明了本發明的另一個實施例，其中圖27所示的6單元變壓器456的次級繞組464已被重新排列，以提供並聯穿過所有6個通孔458的電流路徑。根據歐姆定律和能量守恆，使用和以上相同的原理，Iin等於Iout除以6而Vin等於Vout乘以6。所得到的單元變壓器具有6∶1匝數比(初級比次級)，其中在次級繞組464中通過每個通孔458的最大電流等於Iout的六分之一。
圖32A～32I使用圖27中的6單元變壓器456的初級繞組462和次級繞組464的符號表示法，來圖解說明本發明的具有各種匝數比的其他實施例。在初級繞組462和次級繞組464中所顯示的實箭頭符號512表示當每個繞組通過通孔時的方向。實箭頭符號512之間的串聯連接514和並聯連接516僅僅作為舉例，說明讓初級繞組462和次級繞組464通過圖27的6個通孔458的各種組合，用來產生所需的匝數比。
本發明的6單元變壓器456的前述實施例不限於圖27～32I中所表示的。如以下表1所示，對於圖27中的6單元變壓器456，有36種可能的連接組合，雖然並非每種組合都是平衡的。正如這裡所使用的，「平衡的」單元變壓器有相同的電流量通過每個通孔。表1顯示總共有16種可能的平衡配置(以灰度高亮來表示)，其中10種是唯一的組合(下面劃線)。
表16單元變壓器及同等匝數比的可能的繞組組合

本發明不限於圖27～32I的前述描述中公開的6單元變壓器456。可以用任何數量的通孔來形成具有所需匝數比的單元變壓器。隨通孔數量的增加，繞組組合的數量急劇增加，可以用各種各樣的匝數比、電感和配置來滿足設計需求。例如，在一個鐵磁片中形成的20個單元磁芯的陣列會產生400種不同的配置，36種是平衡的而21種是完全唯一的。
單元磁芯電源變壓器在電源和其他高二次電流應用中，圖26中顯示的電流圖案的均勻性有利地簡化了初級繞組連接以及高電流次級繞組連接，其中大部分或全部單元磁芯是並聯的。圖33A、33B和33C顯示了單元磁芯電源變壓器530的一個實施例，其包括嵌入PCB粘合劑528中的鐵磁片534。僅僅作為舉例，圖33A、33B和33C中的單元磁芯電源變壓器530被配置成具有5∶1匝數比和50安培的二次輸出電流。由於為了電鍍能夠攜帶超過1安培的電流穿過一個通孔的導體，所必需付出的成本和大量時間，通常必須限制每個通孔中的電流不得超過1安培。如下面描述的，圖33A、33B和33C中顯示的50個通孔536被並聯以提供50安培的次級電流輸出，最大為1安培的電流通過每個通孔536中的次級導體。
參考圖33A、33B和圖33C，50個通孔536穿過頂部PCB複合層550、鐵磁片534和底部PCB複合層552，而形成具有5行的一個陣列。為了討論目的，在圖33A中將這些行標記為R1到R5。50個通孔536中，每一個可包括彼此相互絕緣的初級導體(圖中未示)和次級導體(圖中未示)。4個電鍍通孔538穿過不包含鐵磁片534的印刷電路板532區域。為簡潔起見，在圖33C的橫截面側視圖中，顯示了穿過鐵磁片的10個電鍍通孔536和穿過印刷電路板532區域的兩個電鍍通孔。頂部PCB電路550包括第一頂部導電層540和第二頂部導電層544，它們被絕緣層548分隔開。底部PCB電路552包括第一底部導電層542和第二底部導電層546，它們被絕緣層548分隔開。
圖33A顯示了單元磁芯電源變壓器530的俯視圖，其中第二頂部導電層544和絕緣層548被移去以暴露第一頂部導電層540。第一頂部導電層540的一部分形成在鐵磁片534的一個面上的行R1中的每個通孔536的初級導體之間的電性連接，而第一底部導電層542的一部分形成在鐵磁片534的另一個面上的行R1中的每個通孔536的初級導體之間的電性連接。因此，行R1中的所有10個初級導體是以並聯方式連接於第一頂部導電層540的一部分和第一底部導電層542的一部分之間的。類似地，每個通孔536的初級導體是沿著行R2到行R5的每一行以並聯方式連接的。此外，位於印刷電路板532區域中的通孔538被電性連接到第一頂部導電層540和第一底部導電層542部分，從而在行R1到行R5之間產生串聯連接。如圖33A所示，流過該陣列中的每個通孔536的初級電流都是處於同一方向。
圖33B顯示了單元磁芯電源變壓器530的俯視圖。第二頂部導電層544形成在鐵磁片534的一個面上的每個通孔536的次級導體之間的電性連接，而第二底部導電層546形成在鐵磁片534的另一面上的每個通孔536的次級導體之間的電性連接。因此所有50個次級導體都是以在並聯方式連接於第二頂部導電層544和第二底部導電層546之間。
參考圖33A、33B和33C中所示的單元磁芯電源變壓器的工作，施加在節點554的10安培初級電流將並行通過行R1中的每個通孔536。因此，當初級電流從行R1中的一部分第一頂部導電層540通過，到達一部分第一底部導電層542時，每個通孔536將只傳導1安培初級電流。10安培初級電流然後將從行R1上的這部分第一底部導電層542通過，穿過PCB區域532中的通孔538，到達行R2上的一部分第一頂部導電層540。通過這種方式，這10安培初級電流便從行R1中的節點554通過，穿過印刷電路板區域中串聯的4個通孔538，並且穿過每一行中並聯的每個通孔536，通過每一個後續的行，而到達行R5中的節點556，因此所有50個通孔536都攜帶穿過鐵磁片534的1安培初級電流。為了攜帶10安培電流，僅作為舉例，印刷電路板532區域中的4個通孔538可包括加大的槽，多個通孔，實心(solid)高載流引線，單條厚導線和多條導線。
通過每個通孔536的1安培初級電流將在穿過每個通孔536的次級導體中感應出1安培次級電流。由於在第二頂部導電層544和第二底部導電層546之間，各個通孔536的次級導體是並聯連接的，所以50安培的次級電流將從第二頂部導電層544中的節點558流到第二底部導電層546中的節點560。因此，單元磁芯電源變壓器530具有5∶1的匝數比及50安培的次級電流。
圖33A、33B和33C中所示的實施例具有非常簡單的排列，並使初級繞組和次級繞組的電阻率達到最小。高電流下的次級電阻非常低，這是因為第二頂部導電層544和第二底部導電層546都有利地包含導電材料如銅平面。同時，由於穿過每個通孔536的實際路徑長度相同，每個通孔536中的初級導體和次級導體趨於具有相等的電流。此外，對於初級繞組(由節點554和556表示)和次級繞組(由節點558和560表示)的輸入和輸出連接是便於安排的。
虛擬和單元磁芯的組合圖33A、33B和圖33C中所示的實施例使用了圖26中顯示的電流方向，它能夠被容易地改變以實現許多不同的輸出電流和匝數比的技術規格。圖26中所顯示的電流圖案的均勻性也可以被有利地和虛擬磁芯的安排結合使用，以形成包括兩個或更多個次級繞組的變壓器。具有穿過單個通孔的兩個或更多個次級導體的單元磁芯，可能對製造來說非常難且昂貴。但是，具有附加的次級導體的通孔可以被安排得靠近單元磁芯，以便感應在圍繞該單元磁芯的鐵磁材料內流動的環繞磁通量。例如，如在前面對圖33A、33B和圖33C的描述中所討論的，鐵磁片534內的每個通孔536具有形成於其中的一個初級載流導體和一個次級載流導體，初級導體在次級導體中感應出次級電流。通過在鐵磁片534的各區域中形成電鍍通孔，便可將一個或更多個附加的次級繞組耦合到初級導體，在鐵磁片534上例如在陣列的外部周邊處，磁通量表現為流出圍繞單元磁芯的緊鄰區域。
實施例的優點單片磁芯在E形磁芯構造中，如圖1所示，在E形磁芯和蓋之間形成一個間隙。大多數變壓器所用的E形磁芯要求利用例如環氧樹脂和夾具來使磁芯的一半和另一半相結合。這些工藝是耗時而且導致損失的，並且由於在E形磁芯和蓋之間形成的間隙而引起器件的參數變化。相反，本說明書所公開的磁芯有利地包括一種連續式元件，因此提供了改善的變壓器效率。這種單片設計也消除了以單獨一個處理步驟來結合兩個分開的部件的需要。
如果在圖17～21的實施例中，希望有一個間隙來避免磁飽和，那麼可以在圖18所示的各同心環中蝕刻出間隙。這種蝕刻間隙環消除了E形磁芯的傳統機械隔離參數的大幅變化。
渦流的減少以圖17～21的方式構造的電感器和變壓器通過在兩個方向上隔離金屬疊片而提供了更好的性能，且渦流遠為更少。這是因為所示實施例具有的磁芯由於以下事實而比傳統的層疊磁芯都薄(a)與使用印刷電路板或柔性電路製造材料相比，用來蝕刻環320的金屬片可以薄很多；和(b)可以將單個絕緣環製造得非常窄。由於渦流與器件截面面積的平方成正比，因此與傳統的變壓器或電感器的製造方法相比，所述實施例極大地減小了渦流。例如，參考圖1所示的傳統E形磁芯，這種磁芯的金屬疊片是不能在兩個方向上被隔離的，這是因為這些條塊會分開，或者完全不具備機械完整性。
表面安裝依據本發明的實施例所形成的繞組能夠形成表面安裝引線，而不需要隔離的引線框結構、複雜的引線或端部電鍍(end plating)。依據本發明構造的平面電感器件對於表面安裝技術來說，是非常被容易修改而安裝到在其他表面、如PCB或FLEX電路上的。
互連由於蝕刻的變壓器/電感器是使用被用來製造印刷電路板或柔性電路的相同工藝製造的，變壓器能夠有利地成為電源或電路組件的一個組成部分，因此減少了物理尺寸，減少了連接，並且總體而言使得組件更為緊湊和更小。電路元件能夠被直接置於蝕刻的變壓器之上或之下，利用變壓器的表面積作為載體以使電路平衡，所以整個電路的面積會和變壓器的面積一樣小。例如，在電源應用中，開關器件(如二極體和場效應二極體(FET)半導體)能夠被直接安裝在鐵磁片的頂部，因此便減少了電源電路的長度和尺寸。
磁學效果依據本發明的實施例所構造的磁芯與傳統變壓器相比，提供的磁通路徑更為高效而損耗則更少。這些特徵在設計和功能上更類似於環形磁芯。該磁通路徑與使用傳統磁芯如E形磁芯和PQ磁芯的可比變壓器相比更短。
單元磁芯實施例，如圖22～33C所示，具有優於傳統電感器件的改善性能。通過穿過與初級繞組相同的通孔來設置次級繞組，在初級繞組和次級繞組之間的漏電感能夠被顯著減少，因為這些繞組擁有相同的磁通量。通過穿過與初級繞組相同的通孔來設置次級繞組，由於初級繞組和次級繞組的抵消效應以及初級電路與次級電路之間的隔離，鄰近效應能夠被顯著減少。因為製造PCB或FLEX電路所用的普通工藝能夠實現導體的布局，所以能夠實現有利的繞組圖案，來減少各個導體中的電流和降低導體的電阻。
尺寸所述實施例能夠被製造得比傳統電感器件小，因為它們不需要複雜的引線和引線框。在頂部表面和底部表面上的表面焊盤自己形成連接，並且它們可以被直接表面安裝到印刷電路板上，由此便減少了器件的面積並為其他組件讓出更多空間。各繞組處於兩個平面中，所以一個典型應用的十(10)層平面變壓器器件的繞組的整體高度能夠被減少1/5。這個「磁芯」位於一個平面中而不是一個三維E形磁芯結構中，這進一步使整體高度以更大的因子減少。可以建造非常平的變壓器或電感器，所述因為鐵磁片是一個薄平表面。通過在薄鐵磁片內製造小且間隔緊密的通孔，可以構造非常微型的電感器件。如圖22～33C所示的單元磁芯的安排便能夠被有利地用來實現基本鐵磁磁芯，該鐵磁磁芯包括一個通孔以及圍繞著它的緊鄰的鐵磁區域。
成本所述實施例能夠用柔性電路製造，並且比多層平面繞組低廉得多。變壓器或電感器所必需的導體能夠用通常用來構造PCB或FLEX電路的自動處理技術來設置。而且，消除了對引線框、封裝(potting)和蓋粘合的需要，使得器件更易於製造。
熱量消除依據本發明的實施例所構造的電感器和變壓器的一個特徵是產生熱量的繞組不像傳統的變壓器那樣，不是埋在組件內或盤繞在各自的頂部，也不像在平面變壓器中那樣層疊在一起。相反，電鍍的繞組基本處於變壓器或電感器器件的頂部平面和底部平面上。這種布局提供了更好的熱量耗散且沒有截留的熱量埋在繞組內。印刷電路板能夠有利地附著到散熱片上，只由通常僅0.005英寸厚的薄焊接掩模隔開，一半繞組和散熱片熱學接觸，因此提供了更好的表面積熱量比(surfacearea to heat ratio)。圖15顯示了一個直接安裝到散熱片232如銅和鋁上從而消除熱量極佳的大表面積230的例子。
廣泛的應用藉助當前本發明的實施例，可以實現許多不同的可能的匝數比。此外，通過層疊具有對齊通孔的鐵磁片，能夠用大量等效的繞組線匝來實現多維器件。
雖然本說明書參考特定實施例來描述本發明，但這些實施例僅僅是作為例子，並不限制本發明的範圍。因此，本發明的範圍應該僅僅根據所附權利要求來限定。
權利要求
1.一種具有顯著減少的初級繞組和次級繞組間漏電感的單元磁芯變壓器，所述變壓器具有一基本平坦表面，並且與所述變壓器相關的電路元件是直接安裝到所述平坦表面上的，包括a.一鐵磁材料片，其具有一系列行和列的從其中穿過的間隔通孔；b.一第一初級導體，其延伸穿過形成於所述鐵磁材料片中的第一個所述通孔，用於攜帶電流以在基本包圍所述通孔的一部分所述鐵磁材料內產生磁場；c.一第二初級導體，其延伸穿過形成於所述鐵磁材料片中的第二個所述通孔，所述第二個通孔和所述第一個通孔是相鄰的；d.所述第一和第二初級導體是耦合在一起的，流進所述第一個通孔的電流方向和流進所述第二個通孔的電流方向相反，而由此在所述第一個和所述第二個通孔之間，在兩個鄰接的磁場相交處，產生的合成磁通量具有相同的方向；e.一第一次級導體，其在所述鐵磁材料片中，延伸穿過與所述第一初級導體相同的通孔，由流進所述第一初級導體的電流產生的磁通量，由此而在所述第一次級導體中感應出電壓；f.一第二次級導體，其在所述鐵磁材料片中，延伸穿過與所述第二初級導體相同的通孔，由流進所述第二初級導體的電流產生的磁通量，由此而在所述第二次級導體中感應出電壓；g.耦合在一起的所述初級導體和耦合在一起的所述次級導體，用於為所述單元變壓器提供所需匝數比；以及h.電子印刷電路，其形成於所述片的頂部表面和底部表面上，具有與所述的第一和第二初級導體以及所述的第一和第二次級導體電接觸的電路。
2.一種單元磁芯變壓器，其具有一基本平坦表面，以及與所述變壓器相關的、直接安裝到所述平坦表面的電路元件，包括a.一鐵磁材料片，其具有一系列從其中穿過的間隔通孔；b.多個初級導體，其分別延伸穿過所述通孔，而使得通過所述導體的電流在基本包圍所述通孔的一部分所述鐵磁材料內形成多個相應的磁場；c.多個次級導體，其分別延伸穿過與所述初級導體穿過的通孔相同的通孔；d.耦合在一起的所述初級導體和耦合在一起的所述次級導體，用於為所述單元變壓器提供所需匝數比；以及e.電子印刷電路，其形成於所述片的頂部表面和底部表面上，具有與所述的初級導體和次級導體電接觸的電路。
3.如權利要求2所述的單元磁芯變壓器，其中所述多個初級導體是耦合在一起的，使得通過任一通孔的電流和通過其相鄰通孔的電流方向相反，由此在鄰近通孔之間，在兩個鄰接的磁場相交處，產生的合成磁通量具有相同的方向。
4.如權利要求2所述的單元磁芯變壓器，其中所述多個次級導體是串聯耦合的。
5.如權利要求2所述的單元磁芯變壓器，其中所述多個次級導體是並聯耦合的。
6.如權利要求2所述的單元磁芯變壓器，其具有x+y個次級導體，x個所述次級導體是串聯耦合的，而y個所述次級導體是串聯耦合的，所述的x個串聯導體是與所述的y個串聯導體並聯耦合在一起的，以提供一降壓變壓器。
7.如權利要求2所述的單元磁芯變壓器，其具有b+c個初級導體和x+y個次級導體，b個所述初級導體是串聯耦合的，而c個所述初級導體是串聯耦合的；所述的b個串聯導體是與所述的c個串聯導體並聯耦合的；x個次級導體是串聯耦合的，所述的y個次級導體是串聯耦合的；所述的x個串聯導體是與所述的y個串聯導體並聯耦合在一起的，以提供一選定匝數比的變壓器。
8.一種用於製造具有高效磁通路徑且損耗減少的單元磁芯變壓器的方法，包括形成穿過一基本平坦鐵磁材料的多個通孔；在一頂部PCB和一底部PCB中形成對應的通孔，而且一個或多個通孔在所述鐵磁材料的外部；形成初級導體，其穿過每個延伸穿過所述鐵磁材料的所述通孔；形成次級導體，其與所述初級導體絕緣，穿過每個延伸穿過所述鐵磁材料的所述通孔，而使得每個通孔和鄰近該通孔的一部分所述鐵磁材料起到一1∶1匝數比變壓器的功能；在所述頂部PCB和所述底部PCB中形成PCB電路，以通過並聯或串聯電路來連接所述初級導體和所述次級導體，其中所述並聯或串聯電路是由所述單元磁芯變壓器的所需匝數比確定的；形成電導體，其穿過在所述鐵磁材料的外部的一個或多個所述通孔，以連接在所述頂部PCB和所述底部PCB中的電路；以及在所述頂部PCB和所述底部PCB之間層疊所述平坦鐵磁材料。
9.一種用於製造具有高效磁通路徑且損耗減少的單元磁芯變壓器的方法，包括形成穿過一基本平坦鐵磁材料的多個通孔；在柔性電路中形成對應的通孔，而且一個或多個通孔在所述鐵磁材料的外部；形成初級導體，其穿過每個延伸穿過所述鐵磁材料的所述通孔；形成次級導體，其與所述初級導體絕緣，穿過每個延伸穿過所述鐵磁材料的所述通孔，而使得每個通孔和鄰近該通孔的一部分所述鐵磁材料起到一1∶1匝數比變壓器的功能；在所述柔性材料中形成電路，以通過並聯或串聯電路來連接所述初級導體和所述次級導體，其中所述並聯或串聯電路是由所述單元磁芯變壓器的所需匝數比確定的。
10.一種製造具有高效磁通路徑且損耗減少的單元磁芯變壓器的方法，包括形成穿過一基本平坦鐵磁材料的多個通孔；形成初級導體，其穿過每個延伸穿過所述鐵磁材料的所述通孔；形成次級導體，其與所述初級導體絕緣，穿過每個延伸穿過所述鐵磁材料的所述通孔，而使得每個通孔和鄰近該通孔的一部分所述鐵磁材料起到一1∶1匝數比變壓器的功能；形成電路，以通過並聯或串聯電路來連接所述初級導體和所述次級導體，其中所述並聯或串聯電路是由所述單元磁芯變壓器的所需匝數比確定的。
11.一種單元磁芯變壓器，其具有一基本平坦表面，以及與所述變壓器相關的、直接安裝到所述平坦表面的電路元件，包括a.一磁性材料片，其具有一系列從其中穿過的間隔通孔；b.一第一導體，其穿過所述通孔之一；c.一第二導體，其穿過所述通孔，所述第二導體與所述第一導體電絕緣；以及d.電子印刷電路，其形成於所述片的頂部表面和底部表面上，所述印刷電路與所述的第一導體和第二導體電接觸。
12.一種單元磁芯變壓器a.一包括磁性材料的部件，有一系列的間隔通孔穿過至少一部分所述磁性材料；b.一第一導體，其穿過所述通孔之一；c.一第二導體，其穿過所述相同通孔的，所述第二導體是與所述第一導體電絕緣的；以及d.電子印刷電路，其形成於所述片的頂部表面和底部表面上，所述印刷電路與所述第一導體和第二導體電接觸。
全文摘要
本發明涉及變壓器/電感器器件以及電感元件如電感器、扼流器和變壓器的製造方法。穿過鐵磁襯底來形成多個通孔。初級導體和次級導體被設置穿過同樣的通孔以形成多個具有1∶1匝數比的單元(cell)變壓器。電路以並聯和串聯的組合來連接這些初級繞組和次級繞組，從而提供具有所需匝數比的變壓器。
文檔編號H05K1/16GK1682325SQ03821901
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月15日 優先權日2002年9月16日
發明者P·A·哈丁 申請人:M-福來克斯多精線電子學公司