DE69117403T2

DE69117403T2 - LOW-PROFILE FLAT TRANSFORMER FOR USE ON INDEPENDENTLY OPERATING SWITCHING POWER SUPPLIES

Info

Publication number: DE69117403T2
Application number: DE69117403T
Authority: DE
Inventors: Alexander Estrov
Original assignee: Multisource Tech Corp
Current assignee: Multisource Technology Corp Boca Raton Fla Us
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2011-03-19
Also published as: AU7665091A; DE9114783U1; DE69117403D1; EP0476114A1; HK1007829A1; EP0476114B1; WO1991015861A1

Description

FIELD OF INVENTION

Diese Erfindung betrifft den Entwurf von Hochfrequenztransformatoren und insbesondere Transformatoren des planaren Typs mit niedrigem Profil oder des Schaltungsplatinentyps, die die Isolationssicherheitsstandards erfüllen, die für eine Transformatorverwendung für eine Netz-Wechselspannung, beispielsweise in Off-Line-Schaltnetzteilen, vorgegeben sind.This invention relates to the design of high frequency transformers, and in particular to low profile planar type or circuit board type transformers that meet the insulation safety standards required for AC line voltage transformer use, for example in off-line switching power supplies.

BACKGROUND OF THE INVENTION

Wegen ihrer kompakten Größe im Verhältnis zu ihren linearen Entsprechungen sind Schaltnetzteile seit langem von großem Interesse für Produktentwickler. Allerdings dauerte es bis zur zweiten Hälfte der 80er Jahre, daß Schaltnetzteile (d.h. "Wandler") die Energieversorgung der Wahl bei dem Entwurf der meisten elektronischen Geräte würden. Ihre zugenommene Popularität war zum größten Teil die Folge der Verfügbarkeit von Wandlern, die kompakter, gewichtsmäßig leichter, genauso zuverlässig und dennoch nur geringfügig teurer als lineare Geräte mit einer äquivalenten Nennleistung waren.Because of their compact size relative to their linear counterparts, switching power supplies have long been of great interest to product designers. However, it was not until the second half of the 1980s that switching power supplies (i.e. "converters") became the power supply of choice in the design of most electronic devices. Their increased popularity was largely the result of the availability of converters that were more compact, lighter in weight, just as reliable, and yet only slightly more expensive than linear devices of equivalent power rating.

Der Schlüssel zur Entwicklung von höchst zuverlässigen, kompakten Wandlerentwürfen war die Verfügbarkeit von Hochfrequenz-Schalttransistoren, die hohe Spannungstransienten aushalten konnten, die auf der Netzspannung auftreten. Mit der Entwicklung von FETs und anderen Typen von schnellen Schalttransistoren, die in der Netzspannungsumgebung zuverlässig arbeiten konnten, wurden Schaltnetzteile vom Off-Line-Typ, die um kleine Transformatoren herum entworfen wurden, in der Praxis umgesetzt werden. Somit wurden die großen 50 und 60 Hertz Eisenkerntransformatoren, die in den klassischen linearen Energieversorgungen benötigt wurden, durch Hochfrequenztransformatoren ersetzt, die deren Größe und Gewicht beträchtlich verkleinerten. Demzufolge sind die heutigen Schaltnetzteile kleiner, gewichtsmäßig leichter und effizienter als vorangehende lineare Geräte.The key to developing highly reliable, compact converter designs was the availability of high frequency switching transistors that could withstand the high voltage transients that occur on the mains voltage. With the development of FETs and other types of fast switching transistors that could operate reliably in the mains voltage environment, off-line type switching power supplies, which were designed around small transformers have been put into practice. Thus, the large 50 and 60 Hertz iron core transformers required in classical linear power supplies have been replaced by high frequency transformers, which have significantly reduced their size and weight. As a result, today's switching power supplies are smaller, lighter and more efficient than previous linear devices.

Allerdings besteht mit der fortschreitenden Tendenz zur Miniaturisierung von elektronischen Produkten eine nicht enden wollende Nachfrage nach noch kleineren und leichteren Energieversorgungen. Dieses setzt sich in eine Nachfrage nach kleineren Transformatoren um, da der Transformator noch die größte und schwerste Komponente ist, selbst in heutigen Schaltnetzteilen.However, with the increasing trend towards miniaturization of electronic products, there is a never-ending demand for even smaller and lighter power supplies. This translates into a demand for smaller transformers, since the transformer is still the largest and heaviest component, even in today's switching power supplies.

Es ist wohlbekannt, daß kleine Transformatoren zur Verwendung bei Mega-Hertz-Frequenzen relativ realisierbar sind. Allerdings muß der Transformator in einem Off-Line-Wandler in der Netzspannungsumgebung arbeiten. Dies bedeutet, daß strengere Isolationsanforderungen bestehen, die jeder derartiger Transformatorentwurf erfüllen muß. Da eine Isolation hauptsächlich die Trennung und Isolation zwischen Drähten, Wicklungen, Schichten der Wicklungen und Verbindungen betrifft, ist es offensichtlich, daß die Isolationsanforderungen gegen eine Miniaturisierung der Größe arbeiten. Dieser Nachteil führt zu einer beträchtlichen Qualitätssteuerung, Inspektion und zu Kosten.It is well known that small transformers for use at megahertz frequencies are relatively feasible. However, in an off-line converter, the transformer must operate in the line voltage environment. This means that there are more stringent isolation requirements that any such transformer design must meet. Since isolation mainly concerns the separation and isolation between wires, windings, layers of windings and connections, it is obvious that the isolation requirements work against miniaturization in size. This disadvantage results in considerable quality control, inspection and cost.

Eine der vielversprechendsten Techniken zum Entwerfen von kleinen hochfrequenten Transformatoren ist der planare Typ mit niedrigem Profil oder der Schaltungsplatinen-Typ (d.h. PCB-Typ) von Transformatoren, die beispielsweise in der GB-A-2 087 656 gezeigt. Bei dieser Art von Transformator sind die Primärwicklungen, die eine Spirale von Spuren auf einer planaren Oberfläche sind, mit den Sekundärwicklungen gekoppelt, die eine unterschiedliche Spirale von Spuren auf einer getrennten planaren Oberfläche sind, indem die Wicklungen in einem magnetischen Gehäuse eingeschlossen werden. Typischerweise ist das magnetische Gehäuse aus Ferrit, Sumarium oder irgendein anderes Verbundmaterial hergestellt, welches als ein Topf-Kern, ein R-M-Kern, ein E- Kern, ein I-Kern etc. ausgebildet ist. Es kann aber fast irgendeine Gestalt sein, die leicht um die Wicklungen plaziert werden kann und effektiv das Magnetfeld auf das Gebiet um die Wicklungen herum beschränkt.One of the most promising techniques for designing small high frequency transformers is the low profile planar type or the circuit board type (ie PCB type) of transformers shown for example in GB-A-2 087 656. In this type of transformer the primary windings, which are a spiral of tracks on a planar surface, are coupled to the secondary windings, which are a different spiral of tracks on a separate planar surface, by enclosing the windings in a magnetic casing. Typically the magnetic casing is made of ferrite, sumarium or some other composite material which is formed as a pot core, an RM core, an E core, an I core etc. But it can be almost any shape which can be easily placed around the windings and effectively confines the magnetic field to the area around the windings.

Die Verwendung von planaren Spuren anstelle der klassischen Drahtwicklungen auf einem Wickelkörper ist ein wesentlicher Herstellungsfortschritt für Hochfrequenztransformatoren. Allerdings haben die internationalen Sicherheitsstandards für eine Wicklungszwischenisolation einen Stolperstein bei der Anwendung dieser Konstruktionstechnik auf die Miniaturisierung von Transformatoren für Off-Line-Wandler gelegt. Die Anforderungen für eine Isolation erfordern Wicklungszwischenabstände, die vor dieser Erfindung nur durch den Gewaltansatz der Verwendung von dicken Wickelkörpern und vielen Schichten von isolierenden Abstandsstücken angegangen werden konnten. Diese wären jedoch keine effizienten Transformatoren gewesen, da sie relativ große magnetische Elemente benötigen würden, um die schlechte Kopplung zwischen den Primär- und den Sekundärwicklungen zu kompensieren. Demzufolge hat die Unfähigkeit, die internationalen Sicherheitsstandards in kleinen, leichten effizienten Geräten zu erfüllen, planare Transformatoren mit niedrigem Profil aus Massenprodukten herausgehalten und von den Netzspannungen abgehalten.The use of planar tracks instead of the classic wire windings on a bobbin is a major manufacturing advance for high frequency transformers. However, the international safety standards for inter-winding insulation have created a stumbling block in the application of this design technique to the miniaturization of transformers for off-line converters. The requirements for insulation require inter-winding spacings that, prior to this invention, could only be addressed by the brute force approach of using thick bobbins and many layers of insulating spacers. However, these would not have been efficient transformers as they would require relatively large magnetic elements to compensate for the poor coupling between the primary and secondary windings. Consequently, the inability to meet international safety standards in small, lightweight efficient devices has led to the development of low-profile planar transformers made of kept out of mass products and away from mains voltages.

Planare Niederprofil-Transformatoren sind auf militärische Produkte beschränkt worden, bei denen eine geringere Isolation benötigt wird und auf DC-Zu-DC-Wandler, bei denen der Eingang eine niedrige DC-Spannung und nicht die Netzwechselspannung ist. Trotzdem stellt sich die tatsächliche Herausforderung nach planaren Transformatoren zur Verwendung in massenproduktorientierten Off-Line- Wandlern. Damit aber derartige Anwendungen zugelassen werden, existieren spezifische Isolationsanforderungen, die sie erfüllen müssen. Diese sind die Anforderungen der Sicherheitsnormungsausschüsse in der ganzen Welt. Diese Ausschüsse definieren, wie die Sicherheit in tatsächlich allen Konsumprodukten zu messen ist und diese gleichen Ausschüsse oder Behörden entscheiden, ob elektrische und mechanische Produkte ihre veröffentlichten Sicherheitsspezifikationen erfüllen oder nicht.Low profile planar transformers have been limited to military products where lower isolation is needed and to DC-to-DC converters where the input is a low DC voltage rather than AC line voltage. However, the real challenge is for planar transformers to be used in mass-produced off-line converters. However, in order to be approved for such applications, there are specific isolation requirements that they must meet. These are the requirements of safety standards committees around the world. These committees define how safety is to be measured in virtually all consumer products and these same committees or agencies decide whether or not electrical and mechanical products meet their published safety specifications.

Fast jedes Land hat seine eigene Sicherheitsbehörde, jedoch ist von den internationalen Behörden die einflußreichste und kommerziell am wichtigsten die Underwriters' Laboratory (U.L.) in den USA, der VDE in Deutschland und die CSA in Kanada. Im Fall von Leistungstransformatoren, die sowohl bei 110 VAC als auch 220 VAC arbeiten, sind die U.L.-, V.D.E.-, und C.S.A.-Standards, die die Transformatorentwickler herausfordern, die folgenden: (A) Die Primärwicklungs-Zu-SELV- Wicklungs- (sichere zusätzliche Niederspannungswicklungs-)-Isolationsdicke muß entweder ein Isolator sein, der wenigstens zwei mm (.080") dick ist, oder drei Isolationsschichten mit jeweils .1mm (.004") Dicke (d.h. 3 plys); (B) der "Kriechabstand" und der "Freiraum" zwischen der Niederspannungs-Sekundärwicklung und jeder Wechselspannungsleitung oder Masse muß wenigstens 6mm (.240") sein; und (C) der "Kriechabstand" und der "Freiraum" zwischen dem Kern und jeder Leitung oder Masse muß wenigstens 2mm (.080") betragen. Der "Kriechabstand" und der "Freiraum" werden zwischen Leitern, Leitern und Anschlüssen, mit Masse verbundenen oder nicht mit Masse verbundenen leitenden Teilen, Komponenten und Komponentenzuleitungen untersucht. Ein "Kriechabstand" wird als der kürzeste Pfad zwischen zwei leitenden Teilen oder zwischen einem leitenden Teil und der Masseoberfläche des Geräts, gemessen entlang der Oberfläche der Isolation, definiert. Der "Freiraum" ist der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen, so wie er durch Luft gemessen wird. Wenn eine Barriere dazwischen angeordnet ist, wird die Beabstandung um die Barriere herum gemessen, oder, wenn die Barriere aus zwei oder mehr unzementierten Teilen besteht, wird die Beabstandung durch einen Übergang oder um die Barriere herum gemessen, je nachdem was kürzer ist.Almost every country has its own safety agency, but of the international agencies, the most influential and commercially important are the Underwriters' Laboratory (UL) in the USA, the VDE in Germany, and the CSA in Canada. In the case of power transformers operating at both 110 VAC and 220 VAC, the UL, VDE, and CSA standards that challenge transformer designers are the following: (A) The primary winding to SELV (safe additional low voltage) winding insulation thickness must be either one insulator at least two mm (.080") thick or three layers of insulation each .1mm (.004") thick (i.e., 3 plys); (B) the "creepage distance" and "clearance" between the low voltage secondary winding and any AC line or ground must be at least 6mm (.240"); and (C) the "creepage distance" and "clearance" between the core and any line or ground must be at least 2mm (.080"). The "creepage distance" and "clearance" are examined between conductors, conductors and terminals, grounded or non-grounded conductive parts, components, and component leads. A "creepage distance" is defined as the shortest path between two conductive parts or between a conductive part and the ground surface of the equipment, measured along the surface of the insulation. The "clearance" is the shortest distance between two conductive parts as measured through air. If a barrier is interposed, the spacing is measured around the barrier, or, if the barrier consists of two or more uncemented parts, the spacing is measured through a transition or around the barrier, whichever is shorter.

Während der Bereitstellung eines niedrigen Profils und einer hohen Effizienz, hatten Transformatoren vom PC-Platinen(d.h. planaren Niederprofil-)-Typ für Off-Line-Wandler Schwierigkeiten, die obigen Anforderungen zu erfüllen.While providing low profile and high efficiency, PC board (i.e., planar low profile) type transformers for off-line converters have had difficulty meeting the above requirements.

Deshalb ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine planare Transformatorentwicklung mit niedrigem Profil und einem physikalischen Konstruktionskonzept bereitzustellen, die zur Erfüllung der oben angegebenen Isolationsanforderungen zur Verwendung in kommerziellen Off-Line-Wandlern verwendet werden können.Therefore, an object of this invention is to provide a low profile planar transformer design and physical construction concept that can be used to meet the above stated isolation requirements for use in commercial off-line converters.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die Herstellung eines kostengünstigen planaren Transformators mit niedrigem Profil zu ermöglichen, der ausgelegt werden kann, so daß er Kriechabstands- und Freiraumwerte aufweist, die leicht die VDE-Spezifikationen erfüllen können, während er eine Verpackung mit kleinem Volumen und kleiner Höhe aufweist.It is a further object of this invention to provide a low cost planar transformer with low profile that can be designed to have creepage distance and clearance values that can easily meet VDE specifications while having a small volume and small height package.

Es ist noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung, eine Wickelkörperkonstruktion für einen planaren Transformator bereitzustellen, die die Wicklungen in einem Gehäuse mit minimalem Profil hält, während sie die Erreichung des erforderlichen Kriechabstands und Freiraums zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen erlaubt.It is yet another object of this invention to provide a bobbin design for a planar transformer that maintains the windings in a minimum profile housing while allowing the required creepage distance and clearance to be achieved between the primary and secondary windings.

Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Hochfrequenztransformator bereitzustellen, der bei Konsumentenanwendungen nützlich ist, bei denen er eine Isolation von der Netzwechselspannung bereitstellen muß.Another object of this invention is to provide a high frequency transformer useful in consumer applications where it must provide isolation from the AC mains voltage.

Eine andere Aufgabe besteht darin, einen Transformator bereitzustellen, der die Basis für kosteneffektive Konsumenten-orientierte Off-Line-Wandler ist.Another task is to provide a transformer that is the basis for cost-effective consumer-oriented off-line converters.

Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Hochfrequenztransformator bereitzustellen, dessen Herstellung kostengünstig ist.It is yet another object of this invention to provide a high frequency transformer which is inexpensive to manufacture.

SUMMARY OF THE INVENTION

Diese und andere Aufgaben werden durch einen Transformatoraufbau gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei ein derartiger Transformator ein Transformator vom planaren Niederprofil-Typ mit einei einzigartigen Wickelkörperkonstruktion und einer minimalen Anzahl von anderen Teilen ist. Der Transformator wird zusammengebaut, indem einfach alle Teile, außer die Kernteile, in einer Sandwich-artigen Laminierung aufgestapelt und zwei geeignet ausgebildete Ferritkernstücke um den Stapel herum plaziert werden.These and other objects are achieved by a transformer structure according to claim 1, such transformer being a planar low profile type transformer with a unique bobbin construction and a minimal number of other parts. The transformer is assembled, by simply stacking all parts, except the core parts, in a sandwich-like lamination and placing two suitably designed ferrite core pieces around the stack.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Stapel in der genannten Reihenfolge die folgenden Schichten: (a) eine erste planare leitende Wicklung; (b) ein erstes Wickelkörperelement; (c) eine zweite planare leitende Wicklung; (d) ein zweites Wickelkörperelement; und zwei E- förmige Ferritkerne, die um den Stapel herum plaziert sind.In a preferred embodiment, the stack comprises the following layers in the order mentioned: (a) a first planar conductive winding; (b) a first bobbin element; (c) a second planar conductive winding; (d) a second bobbin element; and two E-shaped ferrite cores placed around the stack.

Jedes Wickelkörperelement besteht aus einem isolierenden Material und besitzt ein Paar von gegenüberliegenden planaren Oberflächen, sowie eine zentrale Öffnung darin. Das erste Wickelkörperelement hat eine hochgezogene Wand, die sich von wenigstens einer seiner planaren Oberflächen in Richtung auf das zweite Wickelkörperelement hin erstreckt. Das zweite Wickelkörperelement hat wiederum eine hochgezogene Wand, die sich von wenigstens seiner planaren Oberfläche, die auf das erste Wickelkörperelement gerichtet ist, in Richtung auf das erste Wickelkörperelement hin erstreckt. Die hochgezogenen Wände der Wickelkörperelemente stehen benachbart zueinander im Eingriff und umschließen die Öffnung und beabstanden das erste von dem zweiten Wickelkörperelement. Isolationsmittel (Abstandsstücke) sind zwischen den leitenden Wicklungen und den Kernstücken vorgesehen, bei denen ein Wickelkörperelement noch nicht zwischen der Wicklung und dem Kern angeordnet ist. Der zentrale Arm des "E" läuft durch ein Loch in der Mitte des Stapels, um den Strom in den zweiten planaren Wicklungen mit den Wicklungen des ersten und zweiten planaren Elements magnetisch zu koppeln.Each bobbin element is made of an insulating material and has a pair of opposing planar surfaces and a central opening therein. The first bobbin element has a raised wall extending from at least one of its planar surfaces toward the second bobbin element. The second bobbin element in turn has a raised wall extending from at least its planar surface facing the first bobbin element toward the first bobbin element. The raised walls of the bobbin elements engage adjacent to each other and enclose the opening and space the first bobbin element from the second bobbin element. Insulating means (spacers) are provided between the conductive windings and the core pieces where a bobbin element is not yet disposed between the winding and the core. The central arm of the "E" passes through a hole in the middle of the stack to magnetically couple the current in the second planar windings to the windings of the first and second planar elements.

Die Ersetzung des klassischen Transformators mit einem Draht, der um einen nähartigen Wickelkörper gewickelt ist, durch planare Wicklungen, die innerhalb eines plattenartigen Wickelkörpers plaziert sind, macht den gesamten Aufbau niederprofilartig und auf eine Massenproduktion mit niedrigen Kosten anwendbar. Die Einfachheit der Konstruktion erlaubt eine einfache Zusammensetzung des Transformators von Hand oder maschinell. Sobald der Transformator zusammengebaut ist, stellt die Konstruktion ferner sicher, daß er die Isolationsanforderungen der Sicherheitsbehörden erfüllen wird, wie voranstehend erwähnt. Insbesondere ist es die Konstruktion der Wickelkörperelemente, die diese Erfüllung sicherstellt.The replacement of the classic transformer with a wire wound around a seam-like bobbin by planar windings placed inside a plate-like bobbin makes the whole structure low-profile and applicable to mass production at low cost. The simplicity of the design allows the transformer to be easily assembled by hand or machine. Once the transformer is assembled, the design further ensures that it will meet the insulation requirements of the safety authorities as mentioned above. In particular, it is the design of the bobbin elements that ensures this compliance.

Tatsächlich ist es der Pfad entlang der Oberfläche jedes Wickelkörperelements von seiner oberen Oberfläche zu seiner unteren Oberfläche, der dem Transformator erlaubt, die Kriechabstands- und Freiraumanforderungen zu erfüllen. Jedes Wickelkörperelement umfaßt eine flache Oberfläche (d.h. ein planares Element) mit einer zentralen Öffnung. Wie voranstehend angegeben, erstreckt sich auf jeder Oberfläche des planaren Elements eine Wand um den Bereich, in dem die Wicklung sitzen wird. Wände erstrecken sich ebenfalls um die zentrale Öffnung, sowohl von den oberen als auch den unteren Oberflächen des planaren Elements. Die Wände erzeugen eine plattenartige Anordnung und wirken als Pfadverlängerungen für die Kriechabstands- und Freiraummessungen, während sie kaum das Profil des Transformators beeinträchtigen.In fact, it is the path along the surface of each bobbin element from its top surface to its bottom surface that allows the transformer to meet the creepage and clearance requirements. Each bobbin element comprises a flat surface (i.e., a planar element) with a central opening. As stated above, on each surface of the planar element, a wall extends around the area where the winding will sit. Walls also extend around the central opening from both the top and bottom surfaces of the planar element. The walls create a plate-like arrangement and act as path extensions for the creepage and clearance measurements while barely affecting the profile of the transformer.

Somit ist der Transformator dieser Erfindung kostengünstig herzustellen, weist ein niedriges Profil auf und erfüllt (mit geeigneten Dimensionen) die internationalen Sicherheitsstandards für eine elektrische Isolation.Thus, the transformer of this invention is inexpensive to manufacture, has a low profile, and (with appropriate dimensions) meets international safety standards for electrical insulation.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Zum vollständigen Verständnis der Erfindung wird sie nachstehend beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:For a full understanding of the invention, it is described below by way of example and with reference to the accompanying drawings. In the drawings: show:

Figur 1 eine Explosionsansicht der bevorzugten Ausführungsform eines Transformatoraufbaus gemäß dieser Erfindung;Figure 1 is an exploded view of the preferred embodiment of a transformer assembly according to this invention;

Figur 2A eine Draufsicht, Figur 2B eine Frontdraufsicht und Figur 2C eine Seitenansicht des zusammengebauten Transformators aus Figur 1;Figure 2A is a top view, Figure 2B is a front view and Figure 2C is a side view of the assembled transformer of Figure 1;

Figuren 3A und 3B isometrische Darstellungen jeweils des Oberteils und Unterteils eines ersten Wickelkörperelements zur Verwendung in diesem Transformatoraufbau;Figures 3A and 3B are isometric views of the upper part and lower part, respectively, of a first bobbin element for use in this transformer structure;

Figuren 4A und 4B jeweils obere und untere Draufsichten des ersten Wickelkörperelements (Wickelkörper A);Figures 4A and 4B are top and bottom plan views, respectively, of the first winding body element (winding body A);

Figur 4C eine Vorderansicht, Figur 4D eine Linksseitenansicht, Figur 4E einen Seitenaufriß entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 4A und Figur 4F eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 4A;Figure 4C is a front view, Figure 4D is a left side view, Figure 4E is a side elevation along the section line B-B of Figure 4A and Figure 4F is a sectional view along the section line A-A of Figure 4A;

Figuren 5A und 5B isometrische Darstellungen jeweils des Oberteils und des Unterteils des in den Figuren 1, 2A und 2B gezeigten zweiten Wickelkörperelements;Figures 5A and 5B are isometric views of the upper part and the lower part, respectively, of the second winding body element shown in Figures 1, 2A and 2B;

Figuren 6A und 6B jeweils eine obere und untere Draufsicht des zweiten Wickelkörperelements;Figures 6A and 6B are top and bottom plan views of the second winding body element, respectively;

Figur 6C eine Vorderansicht, Figur 6D eine linke Seitenansicht, Figur 6E eine Seitenschnittansicht entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 6A und Figur 6F eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Figur 6A;Figure 6C is a front view, Figure 6D is a left side view, Figure 6E is a side sectional view taken along the line B-B of Figure 6A, and Figure 6F is a sectional view taken along the line A-A in Figure 6A;

Figur 7 eine isometrische Darstellung der zwei zusammengesetzten Wickelkörper (Wickelkörper A und Wickelkörper B);Figure 7 is an isometric view of the two assembled winding bodies (winding body A and winding body B);

Figur 8A einen Seitenaufriß des Wickelkörpers A und des Wickelkörpers B, die zusammengesetzt sind, entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 4A und Schnittlinie B-B aus Figur 6;Figure 8A is a side elevation of the bobbin A and the bobbin B assembled together, taken along the section line B-B of Figure 4A and the section line B-B of Figure 6;

Figur 8B eine Frontschnittansicht des Wickelkörpers A und des Wickelkörpers B, die zusammengesetzt sind, entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 4A und der Schnittlinie A-A aus Figur 6A;Figure 8B is a front sectional view of the bobbin A and the bobbin B assembled together, taken along the section line A-A of Figure 4A and the section line A-A of Figure 6A;

Figur 9 eine Draufsicht einer PC-Platine mit einer Transformatorwicklung, zur Verwendung als eine sekundäre Teilwicklung in dem Transformator aus Figur 1;Figure 9 is a plan view of a PC board with a transformer winding for use as a secondary winding in the transformer of Figure 1;

Figur 10 eine Draufsicht einer anderen PC-Platine mit einer Transformatorwicklung zur Verwendung als eine primäre Teilwicklung;Figure 10 is a plan view of another PC board with a transformer winding for use as a primary part winding;

Figur 11 eine Draufsicht eines dielektrischen Isolators zur Verwendung in dem Transformator;Figure 11 is a plan view of a dielectric insulator for use in the transformer;

Figur 12 eine isometrische Darstellung einer Hälfte eines E-förmigen Magnetkerns des Transformators;Figure 12 is an isometric view of one half of an E-shaped magnetic core of the transformer;

Figur 13 ein Endansichtsdiagramm, welches ein Beispiel von "Freiraum"- und "Kriechabstands"-Messungen auf einer generischen Anordnung von elektronischen Teilen darstellt; undFigure 13 is an end view diagram showing an example of "clearance" and "creepage" measurements on a generic array of electronic parts; and

Figur 14 eine vergrößerte Reproduktion der Ansicht aus Figur 8B, die mit Anmerkungen versehen ist, um die Kriechabstands- und Freiraummessungen für den Transformator der vorliegenden Erfindung zu zeigen.Figure 14 is an enlarged reproduction of the view of Figure 8B annotated to show the creepage distance and clearance measurements for the transformer of the present invention.

DETAILED DESCRIPTION

Die Figuren 1 bis 12 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform eines PCB-Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung und seiner Bestandselemente. Gewählte Dimensionen sind gezeigt, aber jeder Durchschnittsfachmann wird von selbst erkennen, daß viele Dimensionen und die Gestalt von der unteren Grenzfrequenzspezifikation des Transformators und anderen Konstruktionsfaktoren abhängen. Die angegebenen Dimensionen sind für einen Transformator vorgesehen, der in einem Bereich zwischen 100K-1M Hertz bei 100 bis 250 W arbeitet.Figures 1 through 12 show an exemplary embodiment of a PCB transformer according to the present invention and its constituent elements. Selected dimensions are shown, but one of ordinary skill in the art will recognize that many dimensions and the shape will depend on the lower cutoff frequency specification of the transformer and other design factors. The dimensions shown are for a transformer operating in the range of 100K-1M Hertz at 100 to 250 W.

Figur 1 zeigt eine Expiosionsansicht der bevorzugten Ausführungsform. Die Elemente des Transformators sind: ein erster dünner dielektrischer Isolator 1a; ein erstes planares Element (welches eine PC-Platine sein kann, die nicht ausdrücklich gezeigt ist), die eine erste planare Wicklung 10 enthält; zweite und dritte dünne dielektrische Isolatoren 1b und 1c unter der Wicklung 10; ein erste isolierendes Wickelkörperelement 20; ein zweites planares Element (das eine PC-Platine umfassen kann, die nicht ausdrücklich gezeigt ist), die eine zweite planare Wicklung 30a umfaßt; einen vierten dünnen dielektrischen Isolator 1d; ein drittes planares Element (welches ebenfalls eine PC-Platine umfassen kann, die nicht ausdrücklich gezeigt ist), die eine vierte planare Wicklung 30b enthält; ein zweites isolierendes Wickelkörperelement 40; fünfte und sechste dünne dielektrische Isolatoren 1e und 1f; ein viertes planares Element (welches unter Umständen auch eine PC-Platine aufweisen kann, die nicht ausdrücklich gezeigt ist), die eine vierte planare Wicklung 50 enthält; einen siebten dünnen dielektrischen Isolator 1g; und zwei E-förmige Ferritkern- Elemente 70a und 70b.Figure 1 shows an exploded view of the preferred embodiment. The elements of the transformer are: a first thin dielectric insulator 1a; a first planar element (which may be a PC board, not expressly shown) containing a first planar winding 10; second and third thin dielectric insulators 1b and 1c under the winding 10; a first insulating bobbin element 20; a second planar element (which may comprise a PC board, not expressly shown) comprising a second planar winding 30a; a fourth thin dielectric insulator 1d; a third planar element (which may also comprise a PC board, not expressly shown) comprising a fourth planar winding 30b; a second insulating bobbin element 40; fifth and sixth thin dielectric insulators 1e and 1f; a fourth planar element (which may also comprise a PC board, not expressly shown) comprising a fourth planar winding 50; a seventh thin dielectric insulator 1g; and two E-shaped ferrite core elements 70a and 70b.

Die Figuren 2A-2C sind eine Draufsicht, eine Vorderansicht und eine Seitenansicht des vollständig zusammengebauten Transformators, der in Figur 1 gezeigt ist.Figures 2A-2C are a top view, a front view and a side view of the fully assembled transformer shown in Figure 1.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 3A und 3B sind die Draufsicht und Unteransicht des ersten Wickelkörperelements 20 (auch manchmal als "Wickelkörper A" bezeichnet) in jeweiligen isometrischen Ansichten gezeigt. In Figur 3B ist das Wickelkörperelement relativ zu seiner Anordnung in Figur 3A umgedreht. Das Wickelkörperelement 20 ist in seiner Gesamtgestalt rechteckig und besitzt plattenartige Seiten 23 und 24, die senkrecht zu der oberen planaren Oberfläche 21 und der unteren planaren Oberfläche 22 sind. Das Wickelkörperelement 20 besitzt ferner in der Mitte ein rechteckiges Loch 25. Das Loch 25 ist auf der Oberseite und der Unterseite von Wänden 26 und 27 ringförmig umgeben. Wie dargestellt sind die Wände 26 und 27 parallel zu den Plattenseiten 23 und 24 auf der Oberseite als auch der Unterseite des Wickelkörperelements. Andere Anordnungen können natürlich für das erste Wickelkörperelement ausreichen, wobei diese Konfiguration nur ein Beispiel ist.Referring to Figures 3A and 3B, the top and bottom views of the first bobbin element 20 (also sometimes referred to as "bobbin A") are shown in respective isometric views. In Figure 3B, the bobbin element is inverted relative to its arrangement in Figure 3A. The bobbin element 20 is rectangular in overall shape and has plate-like sides 23 and 24 that are perpendicular to the upper planar surface 21 and the lower planar surface 22. The bobbin element 20 further has a rectangular hole 25 in the center. The hole 25 is annularly surrounded on the top and bottom by walls 26 and 27. As shown, the walls 26 and 27 are parallel to the plate sides 23 and 24 on the top as well as the Bottom of the bobbin element. Other arrangements may of course be sufficient for the first bobbin element, this configuration being only an example.

Die Figuren 4A-4D zeigen eine Draufsicht, eine Unteransicht, eine Frontansicht und eine linksseitige Ansicht des ersten Wickelkörperelements 20. Die Figuren 4E und 4F sind Querschnittsansichten.Figures 4A-4D show a top view, a bottom view, a front view and a left side view of the first winding body element 20. Figures 4E and 4F are cross-sectional views.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 5A und 5B sind die Draufsicht und die Unteransicht des zweiten Wickelkörperelements 40 (auch als "Wickelkörper B" bezeichnet) in jeweiligen isometrischen Ansichten gezeigt (wobei das Wickelkörperelement in Figur 5B relativ zu seiner Anordnung in Figur 5A umgedreht ist). Das Wickelkörperelement 40 ist in seiner Gesamtgestalt rechteckig und besitzt plattenartige Seiten 43 und 44, die senkrecht zu sowohl der oberen planaren Oberfläche 41 als auch der unteren planaren Oberfläche 42 sind. Das Wickelkörperelement 40 besitzt auch ein rechteckiges Loch 45 in der Mitte. Das Loch 45 ist ringförmig von Wänden 46 und 47 auf dem Oberteil und Unterteil umgeben. Wie dargestellt, sind die Wände 46 und 47 parallel zu den Plattenseiten 43 und 44 auf sowohl dem Oberteil als auch dem Unterteil des Wickelkörperelements. Wenn das erste Wickelkörperelement eine unterschiedliche Konfiguration annimmt, würden entsprechende Anderungen in dem zweiten Wickelkörperelement durchgeführt werden.Referring to Figures 5A and 5B, the top and bottom views of the second bobbin element 40 (also referred to as "bobbin B") are shown in respective isometric views (with the bobbin element in Figure 5B inverted relative to its arrangement in Figure 5A). The bobbin element 40 is rectangular in overall shape and has plate-like sides 43 and 44 that are perpendicular to both the upper planar surface 41 and the lower planar surface 42. The bobbin element 40 also has a rectangular hole 45 in the center. The hole 45 is annularly surrounded by walls 46 and 47 on the top and bottom. As shown, the walls 46 and 47 are parallel to the plate sides 43 and 44 on both the top and bottom of the bobbin element. If the first bobbin element assumes a different configuration, corresponding changes would be made in the second bobbin element.

Die Wickelkörperelemente 20 und 40 sind ähnliche, aber nicht notwendigerweise identische Teile. Die nach oben weisende Wand 46, die 0,100" hoch und 0,020" dick ist, um das Loch 45 des Wickelkörperelements 40 ist dimensioniert, so daß es fest in die nach unten weisende Wand 27 des Wickelkörperelements 20 paßt, die 0,100" hoch und 0,020" dick ist.The bobbin elements 20 and 40 are similar, but not necessarily identical, parts. The upwardly facing wall 46, which is 0.100" high and 0.020" thick, around the hole 45 of the bobbin element 40 is dimensioned so that it fits tightly into the downwardly facing wall 27 of the bobbin element 20 which is 0.100" high and 0.020" thick.

Die Wickelkörperelemente sind vorzugsweise geformt, aber sie können auch bearbeitet sein. Während verschiedene isolierende Materialien verwendet werden können, ist festgestellt worden, daß Nylon gut verwendet werden kann.The bobbin elements are preferably molded, but they may also be machined. While various insulating materials may be used, it has been found that nylon works well.

Die Figuren 6A-6D sind eine Draufsicht, eine Unteransicht, eine Frontansicht und eine linksseitige Seitenansicht des zweiten Wickelkörperelements 40. Die Figuren 6E und 6F sind Querschnittsansichten des Wickelkörpers 40.Figures 6A-6D are a top view, a bottom view, a front view and a left side view of the second bobbin element 40. Figures 6E and 6F are cross-sectional views of the bobbin 40.

Figur 7 ist eine isometrische Darstellung der zwei Wickelkörperelemente, die zeigt, wie sie fest ineinander eingepaßt sind. Die "Unterteile" der Wickelkörperelemente sind aufeinander zugekehrt.Figure 7 is an isometric view of the two bobbin elements showing how they are tightly fitted together. The "bottoms" of the bobbin elements are facing each other.

Die Figuren 8A und 8B zeigen jeweils eine Vorderquerschnittsansicht und eine linksseitige Querschnittsansicht der zwei zusammengepaßten Wickel körperelemente.Figures 8A and 8B show a front cross-sectional view and a left side cross-sectional view of the two mated winding body elements, respectively.

Figur 9 zeigt sowohl die erste planare Wicklung 10 als auch die vierte planare Wicklung 50 auf dem jeweiligen ersten planaren Element 11 und dem vierten planaren Element 51. In dieser Ausführungsform enthält jedes planare Element (11 und 51) das Leitermuster (d.h. Wicklungen 10 und 50) für eine Hälfte der Sekundärwicklung. Die Sekundärwicklung wird durch Reihenschaltung der Wicklungen 10 und 50 vervollständigt. Natürlich sind die Wicklungen 10 und 50 in diesem Beispiel identisch, sie können aber allgemein unterschiedlich sein. Planare Wicklungen 10 und 50 sind 0,030" von irgendeiner Kante der planaren Elemente 11 bzw. 51, die innerhalb der Umfänge der Wickelkörper 20 und 40 positioniert sind.Figure 9 shows both the first planar winding 10 and the fourth planar winding 50 on the respective first planar element 11 and the fourth planar element 51. In this embodiment, each planar element (11 and 51) contains the conductor pattern (i.e. windings 10 and 50) for one half of the secondary winding. The secondary winding is completed by connecting windings 10 and 50 in series. Of course, windings 10 and 50 are identical in this example, but they may generally be different. Planar windings 10 and 50 are 0.030" from any Edge of the planar elements 11 and 51, respectively, which are positioned within the circumferences of the winding bodies 20 and 40.

Figur 10 zeigt die Draufsicht von planaren Elementen 30a und 30b und 31a und 31b. Planare Elemente 30a und 30b sind bemessen und ausgebildet, so daß sie in den Raum innerhalb der "Platte" des Wickelkörperelements 20 passen. Planare Elemente 30a und 30b können spiralförmige Leiterspuren aufweisen, oder irgendein anderes Verdrahtungsmuster, welches einen Transformatorstrom führt. In dieser Ausführungsform sind die Wicklungen 31a und 31b als eine kontinuierliche Primärwicklung des Transformators in Reihe geschaltet. Die spiralförmigen Spuren der Wicklungen 31a und 31b führen den Netzwechselstrom dieses Transformators. Die Spuren besitzen ein ausreichendes Maß, um diesen Strom zu behandeln und sind innerhalb des Bereichs, der durch die gestrichelten Linien 33a und 33b eingerahmt isl, so daß sie nicht näher als 0,020" zu irgendeiner Kante des planaren Elements (z.B. des PCB-Substrats) sind, welches innerhalb der Umfänge der Wickelkörper 20 und 40 ist.Figure 10 shows the top view of planar elements 30a and 30b and 31a and 31b. Planar elements 30a and 30b are sized and shaped to fit into the space within the "plate" of bobbin element 20. Planar elements 30a and 30b may comprise spiral conductor traces or any other wiring pattern that carries a transformer current. In this embodiment, windings 31a and 31b are connected in series as a continuous primary winding of the transformer. The spiral traces of windings 31a and 31b carry the AC line current of this transformer. The traces are of sufficient size to handle this current and are within the area enclosed by dashed lines 33a and 33b so that they are no closer than 0.020" to any edge of the planar element (e.g., the PCB substrate) which is within the perimeters of the bobbins 20 and 40.

Figur 11 zeigt die dünnen isolierenden Abstandsstücke 1a, 1b, 1c und 1d, 1e, 1f und 1g. Sie können aus einem dielektrischen Material (z.B. Mylar oder Polyemid) ausgestanzt sein, welches 0,005" ± 0.001" ist, so daß sie 0,004" dick oder dicker sind. Die sieben Abstandsstücke 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f und 1g weisen typischerweise die gleichen Außendimensionen und das gleiche zentrale Lochmuster wie die planaren Elemente 11, 30a, 30b und 51 auf. Ein Abstandsstück ist auf dem Oberteil des planaren Elements 11 plaziert, eines auf dem Oberteil des planaren Elements 51, um sie von dem Kern zu isolieren, während die anderen verwendet werden, um die 3-ply- Spezifikation für eine Primärwicklung-Zu-SELV- Wicklungsisolation zu erfüllen.Figure 11 shows the thin insulating spacers 1a, 1b, 1c and 1d, 1e, 1f and 1g. They may be stamped from a dielectric material (e.g., Mylar or polyimide) which is 0.005" ± 0.001" so that they are 0.004" thick or thicker. The seven spacers 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f and 1g typically have the same outer dimensions and the same central hole pattern as the planar elements 11, 30a, 30b and 51. One spacer is placed on the top of the planar element 11, one on the top of the planar element 51 to insulate them from the core, while the others are used to insulate the 3-ply Specification for primary winding to SELV winding insulation.

Figur 12 ist eine isometrische Zeichnung einer der zwei identischen "E"-förmigen Ferritkernelemente 70a und 70b, die in dieser Ausführungsform verwendet werden. Der zentrale Vorsprung ist 0,250" breit, während jeder Endvorsprung 0,125" breit ist. Die Längen der drei Vorsprünge (71, 72 und 73) des Kernelements sind 0,250" von der oberen Oberfläche entfernt, so daß die Kerne 70a und 70b eng anliegend um die Wickelkörperelemente, die planaren Elemente und die Abstandsstücke des Aufbaus passen, wobei ihre E-Vorsprünge einander kontaktieren. Die zwei Kernelemente können zusammengeklebt werden.Figure 12 is an isometric drawing of one of the two identical "E" shaped ferrite core elements 70a and 70b used in this embodiment. The central protrusion is 0.250" wide while each end protrusion is 0.125" wide. The lengths of the three protrusions (71, 72 and 73) of the core element are 0.250" from the top surface so that the cores 70a and 70b fit snugly around the bobbin elements, the planar elements and the spacers of the assembly with their E protrusions contacting each other. The two core elements can be glued together.

Um die Einzigartigkeit und den Vorteil des Schichtaufbaus der voranstehend erwähnten Teile vollständig zu verstehen, ist es wichtig, zu verstehen, wie die Sicherheitsbehörden eine Leiter-Zu-Leiter-Isolation messen und welche minimalen Abstände sie für diese Messungen für einen Leistungstransformator fordern.To fully understand the uniqueness and advantage of the layered construction of the above mentioned parts, it is important to understand how safety authorities measure conductor-to-conductor insulation and what minimum distances they require for these measurements for a power transformer.

Es gibt zwei wichtige Messungen, die zur Bestimmung der elektrischen Isolation zwischen Leitern verwendet werden, nämlich den "Kriechabstand" und den "Freiraum". Wie voranstehend erwähnt, ist der "Kriechabstand" als der kürzeste Pfad zwischen zwei leitenden Teilen oder zwischen einem leitenden Teil und der Masseoberfläche des Geräts, gemessen entlang der Oberfläche der Isolation, definiert. Es ist wichtig zu beachten, daß der Kriechabstand entlang der Oberfläche der Isolation zwischen zwei Leitern gemessen wird. Figur 13 definiert die Pfade 91 und 92, entlang deren die Kriechabstandsmessung in zwei unterschiedlichen Situationen durchgeführt werden würde. Der "Freiraum" ist eine ähnliche Messung einer Leiter-Zu-Leiter-Trennung, aber sie wird durch Luft gemacht, entlang des kürzesten Pfads zwischen Leitern. "Freiraum" ist der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen, so wie er durch Luft gemessen wird, wie in dem Pfad 94. Wenn eine Barriere dazwischen angeordnet ist (z.B. 90), wird die Beabstandung um die Barriere herum gemessen, so wie im Pfad 95. Wenn eine Barriere zwischen Leitern aus zwei oder mehreren unzementierten Slücken besteht, wird die Beabstandung durch einen Übergang oder um die Barriere herum gemessen, je nachdem, was kürzer ist.There are two important measurements used to determine the electrical insulation between conductors, namely the "creepage distance" and the "clearance". As mentioned above, the "creepage distance" is defined as the shortest path between two conductive parts or between a conductive part and the ground surface of the equipment, measured along the surface of the insulation. It is important to note that the creepage distance is measured along the surface of the insulation between two conductors. Figure 13 defines the paths 91 and 92 along which the creepage distance measurement can be made in two different situations. would be done. The "clearance" is a similar measurement of conductor-to-conductor separation, but it is made through air, along the shortest path between conductors. "Clearance" is the shortest distance between two conductive parts as measured through air, as in path 94. When a barrier is interposed (e.g. 90), the spacing is measured around the barrier, as in path 95. When a barrier between conductors consists of two or more uncemented gaps, the spacing is measured through a transition or around the barrier, whichever is shorter.

Der "Kriechabstand" und der "Freiraum" werden zwischen allen Leitern, Leitern und Anschlüssen, mit Masse verbundenen oder nicht mit Masse verbundenen leitenden Teilen, Komponenten und Komponentenleitungen in einem Transformator gemessen.The "creepage distance" and "clearance" are measured between all conductors, conductors and terminals, grounded or non-grounded conductive parts, components and component leads in a transformer.

Die Worst-Case-Sicherheitsanforderungen für Leistungstransformatoren in den V.D.E.-, UL- und C.S.A.- Standards für Off-Line-Transformatoren sind: (A) die Primärwicklungs-Zu-SELV-Wicklungs- (sichere zusätzliche Niederspannungswicklungs-) Isolationsdicke muß entweder ein Isolator sein, der wenigstens 2mm (0,080") dick ist, oder drei Schichten einer Isolation, die jeweils mindestens 0,1mm (0,004") dick ist (d.h. 3 plys); (B) der "Kriechabstand" und der "Freiraum" zwischen der Sekundärwicklung und jeder Leitung oder Nasse muß wenigstens 6mm (0,0240) sein; (C) der "Kriechabstand" und der "Freiraum" zwischen dem Kern und jeder Leitung oder Masse muß wenigstens 2mm (0,080") sein.The worst-case safety requirements for power transformers in the V.D.E., UL and C.S.A. standards for off-line transformers are: (A) the primary winding to SELV winding (safe additional low voltage winding) insulation thickness must be either one insulator that is at least 2mm (0.080") thick or three layers of insulation, each at least 0.1mm (0.004") thick (i.e. 3 plys); (B) the "creepage distance" and "clearance" between the secondary winding and any line or ground must be at least 6mm (0.0240); (C) the "creepage distance" and "clearance" between the core and any line or ground must be at least 2mm (0.080").

Um zu verstehen, wie die Transformatorkonstruktion dieser Erfindung die obigen Spezifikationen erfüllt, während sie ein niedriges Profil beibehält, wird der Aufbau selbst nun untersucht.To understand how the transformer design of this invention meets the above specifications while providing a low profile, the structure itself is now being examined.

Nun wird wieder auf Figur 1 Bezug genommen, aus der ersichtlich ist, daß der Transformator durch die folgenden beispielhaften Schritte zusammengebaut werden kann: Zunächst wird ein erstes planares Element "PM" 31a (welches nicht ausdrücklich gezeigt ist, um eine Verwirrung zu vermeiden, die aber die Wicklung 30a trägt) auf der Unterseite 22 des Wickelkörperelements 20 plaziert. Die Lippe 27 um das Loch 25 in dem Wickelkörper 20 lokalisiert das PM und hält es an seinem Platz. Als nächstes wird ein dünner dielektrischer Isolator 1d über das PM 31a plaziert, dann wird ein PM 31b (welches ebenfalls nicht ausdrücklich gezeigt ist, um eine unnötige Verwirrung zu vermeiden, die aber die Wicklung 30b trägt) darauf plaziert. Ein Wickelkörperelement 40 wird über der PCB 31b, auf den Wickelkörper 20, plaziert, wobei das Loch 45 und die Lippe 47 des Wickelkörperelements 40 fest in das Loch 25 und die Lippe 27 des Wickelkörperelements 20 passen.Referring again to Figure 1, it can be seen that the transformer can be assembled by the following exemplary steps: First, a first planar element "PM" 31a (which is not explicitly shown to avoid confusion, but which carries the winding 30a) is placed on the bottom surface 22 of the bobbin element 20. The lip 27 around the hole 25 in the bobbin 20 locates the PM and holds it in place. Next, a thin dielectric insulator 1d is placed over the PM 31a, then a PM 31b (which is also not explicitly shown to avoid unnecessary confusion, but which carries the winding 30b) is placed on top of it. A bobbin element 40 is placed over the PCB 31b, on the bobbin element 20, with the hole 45 and lip 47 of the bobbin element 40 fitting tightly into the hole 25 and lip 27 of the bobbin element 20.

An diesem Punkt sind die Wicklungen 30a und 30b zwischen Wickelkörperelementen 20 und 40 eingebettet, wobei die Verbindungspunkte 32a und 32b (d.h. Lötleitungen) dieser Wicklungen von dem linken Ende der fest zusammengepaßten Wickelkörper (siehe Figur 1) vorstehen. Als nächstes werden zwei dielektrische Isolatoren 1c und 1b auf dem Wickelkörperelement 20 plaziert, dann wird ein PM 11 (mit der Wicklung 10) auf der unteren Oberfläche des Sandwich-Aufbaus plaziert, der durch das Oberteil der Platte 21 des Wickelkörperelements 20 gebildet wird. Als nächstes werden zwei dielektrische Isolatoren auf der äußeren Oberfläche des Wickelkörperelements 40 plaziert, dann wird ein PM 51 (mit einer Wicklung 50) auf der unteren Oberfläche des Sandwich- Aufbaus plaziert, der durch das Oberteil der Platte 41 des Wickelkörperelements 40 gebildet wird. Abstandsstücke 1a und 1b werden jeweils über die PMs 11 und 41 plaziert, nämlich als zwei neue äußere Schichten des Sandwich-Aufbaus. Die Verbindungspunkte 12 und 52 (d.h. Lötleitungen) der Wicklungen 10 und 50 der PMs 11 und 51 stehen von dem rechten Ende der Wickelkörperplatten vor (siehe Figur 1). Die zwei E- förmigen Ferritkernelemente 70a und 7db werden nun um den gesamten Sandwich-Aufbau plaziert, so daß ihre Mittelvorsprünge genau in das Loch (26, 46) in der Mitte des PM-Wickelkörper-Sandwich-Aufbaus passen. Der Kern-PM- Wickelkörper-Sandwich-Aufbau kann durch Preßpassung zusammengebracht werden oder für einen Antifeuchtigkeitsschutz kann ein herkömmlicher Industrieklebstoff auf die Eingriffsoberflächen der Kernelemente gebracht und ein Druck angewendet werden, während dieser Klebstoff aushärtet. Die geeigneten Zuleitungen auf den Wicklungen 10 und 50 werden miteinander verlötet, um die zwei Hälften der Sekundärwicklung in eine kontinuierliche Wicklung zusammenzufassen. Oder die Zuleitungen können zusammengelötet werden, um die Wicklung 10 parallel zu der Wicklung 50 zu machen. Die geeigneten Zuleitungen auf den Wicklungen 31a und 31b werden ebenfalls zusammengelötet, um die zwei Hälften der Primärwicklung in Reihe zu schalten. Andere Wicklungen (auf dem gleichen oder anderen PMs) und Abstandsstücke können je nach Anforderung hinzugefügt werden.At this point, the windings 30a and 30b are sandwiched between bobbin elements 20 and 40, with the connection points 32a and 32b (ie solder leads) of these windings protruding from the left end of the tightly fitted bobbins (see Figure 1). Next, two dielectric insulators 1c and 1b are placed on the bobbin element 20, then a PM 11 (with the winding 10) is placed on the lower surface of the sandwich structure formed by the top of the plate 21 of the bobbin element 20. Next, two dielectric insulators are placed on the outer surface of the bobbin element 40, then a PM 51 (with a winding 50) is placed on the lower surface of the sandwich structure formed by the top of the plate 41 of the bobbin element 40. Spacers 1a and 1b are placed over the PMs 11 and 41 respectively, as two new outer layers of the sandwich structure. The connection points 12 and 52 (ie solder leads) of the windings 10 and 50 of the PMs 11 and 51 protrude from the right end of the bobbin plates (see Figure 1). The two E-shaped ferrite core elements 70a and 70b are now placed around the entire sandwich structure so that their center projections fit exactly into the hole (26, 46) in the center of the PM bobbin sandwich structure. The core-PM bobbin sandwich structure can be press-fitted together or, for anti-moisture protection, a conventional industrial adhesive can be placed on the mating surfaces of the core elements and pressure applied while this adhesive cures. The appropriate leads on windings 10 and 50 are soldered together to combine the two halves of the secondary winding into one continuous winding. Or the leads can be soldered together to make winding 10 parallel to winding 50. The appropriate leads on windings 31a and 31b are also soldered together to connect the two halves of the primary winding in series. Other windings (on the same or other PMs) and spacers can be added as required.

Nachdem nunmehr der Transformatoraufbau beschrieben worden ist, ist ersichtlich, daß ein geringer Arbeitsaufwand benötigt wird, um ihn zusammenzubauen. Ferner sollte es einem Durchschnittsfachmann ersichtlich sein, daß die Zusammenbauprozedur automatisiert werden kann, wenn dies erwünscht ist.Having now described the transformer construction, it will be apparent that little labor is required to assemble it. Furthermore, it should be apparent to one of ordinary skill in the art that the Assembly procedure can be automated if desired.

Die Höhe des beispielhaften Niederprofiltransformators, so wie er voranstehend beschrieben wurde, beträgt ungefähr 0,500".The height of the exemplary low profile transformer as described above is approximately 0.500".

Im vorangehenden Text wurde bereits ein Abriß der drei kritischen Spezifikationen angegeben, die jeder Transformator erfüllen muß, um bei Konsumanwendungen nützlich zu sein.The previous text has already outlined the three critical specifications that any transformer must meet to be useful in consumer applications.

Die erste Spezifikation erfordert, daß die Isolation von der Primärwicklung-Zu-SELV-Wicklung entweder 0,080" als eine einzelne Schicht oder drei Schichten von wenigstens jeweils 0,004" ist. Zwischen der unteren Seite des PMs 11 und der Oberseite des PMs 31a zeigt Figur 14 zwei Isolatoren (d.h. Abstandsstücke) von jeweils 0,005"±0,001" und einen Wickelkörper A von 0,020" bis 0,025", was somit die 3-ply- Anforderung erfüllt. Die zweite Spezifikation erfordert, daß der Kriechabstand und der Freiraum zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung wenigstens 0,240" ist. Die obige Diskussion von Figur 13 zeigt, wie der Kriechabstand und der Freiraum allgemein gemessen werden. Unter Bezugnahme auf Figur 14 für den Kriechabstand und den Freiraum in der dargestellten Ausführungsform, zeigt der Pfad 101 den Kriechabstand und den Freiraum zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung durch das Mittenloch, was der Pfad des Worst-Case- (d.h. minimalen) Kriechabstands und Freiraums in diesem Transformator ist. Der Pfad 101 für den Kriechabstand und den Freiraum beginnt am Punkt A, der äußersten Erstreckung der Ätzung auf PM 31b, die so hergestellt ist, daß sie nicht näher als 0,030" von der Kante des PM in dieser Ausführungsform ist. Der Pfad 101 läuft weiter unter die Wand 27, die 0,020" dick ist, zum Punkt B. Die Länge des Pfads X von einem definierten Startpunkt (in diesem Fall an der äußeren Kante der Ätzung auf dem PM 31b) zu einer Stelle entlang des Pfads sei mit "LEN(X)" bezeichnet und die Länge entlang des Pfads vom Punkt A zum Punkt B sei mit "AB" bezeichnet. Unter Verwendung dieser Notation, gilt bei B, LEN(71)=0,030"+0,020"=0,050". Der Kriechabstands- und Freiraumpfad 101 läuft nun zwischen den Wänden 27 und 47 zum Punkt C. Am Punkt C ist LEN(101)=0,050"+0,100"=0,150". Der Pfad läuft von C nach D, wodurch weitere 0,020" addiert werden, dann zum Punkt E. Am Punkt E ist die Pfadlänge LEN(101)=0,030"+0,020+0,100"+0,020". Von E bis nach F werden 0,045" addiert und F bis G addiert weitere 0,030". Somit giltThe first specification requires that the insulation from the primary winding to the SELV winding be either 0.080" as a single layer or three layers of at least 0.004" each. Between the bottom of the PM 11 and the top of the PM 31a, Figure 14 shows two insulators (ie, spacers) of 0.005"±0.001" each and a bobbin A of 0.020" to 0.025", thus meeting the 3-ply requirement. The second specification requires that the creepage distance and clearance between the primary and secondary windings be at least 0.240". The above discussion of Figure 13 shows how the creepage distance and clearance are generally measured. Referring to Figure 14 for the creepage distance and clearance in the illustrated embodiment, path 101 shows the creepage distance and clearance between the primary and secondary windings through the center hole, which is the path of the worst case (i.e., minimum) creepage distance and clearance in this transformer. Path 101 for the creepage distance and clearance begins at point A, the outermost extent of the etch on PM 31b, which is made to be no closer than 0.030" from the edge of the PM in this embodiment. Path 101 continues under wall 27, which is 0.020" thick, to point B. Let the length of path X from a defined starting point (in this case at the outer edge of the etch on PM 31b) to a location along the path be denoted by "LEN(X)" and the length along the path from point A to point B be denoted by "AB". Using this notation, at B, LEN(71)=0.030"+0.020"=0.050". The creepage and clearance path 101 now runs between walls 27 and 47 to point C. At point C, LEN(101)=0.050"+0.100"=0.150". The path runs from C to D, adding another 0.020", then to point E. At point E, the path length is LEN(101)=0.030"+0.020+0.100"+0.020". From E to F, 0.045" is added and F to G adds another 0.030". Thus,

LEN(101)=AB+BC+CD+EF+FG=0,050"+0,100"+0,020"+0,045"+0,030 "=0,245"LEN(101)=AB+BC+CD+EF+FG=0.050"+0.100"+0.020"+0.045"+0.030 "=0.245"

was größer ist, als die erforderlichen 0,240", wie in der zweiten Spezifikation gezeigt.which is larger than the required 0.240" as shown in the second specification.

Die dritte Spezifikation erfordert, daß der Kriechabstand und der Freiraum zwischen dem Kern und der Primärwicklung "Leitung oder neutral) wenigstens 0,080" beträgt. Der Pfad 100 ist der gleiche wie Pfad 101 vom Punkt A zum Punkt D. Dieser Pfad demonstriert den minimalen Kriechabstand- und Freiraumpfad von dem Kern zu der Primärwicklung auf dem PM 30a. Somit giltThe third specification requires that the creepage distance and clearance between the core and the primary winding (line or neutral) be at least 0.080". Path 100 is the same as path 101 from point A to point D. This path demonstrates the minimum creepage distance and clearance path from the core to the primary winding on the PM 30a. Thus,

LEN(100)=AB+BC+CD=0,05"+0,100"+0,020"=0,170"LEN(100)=AB+BC+CD=0.05"+0.100"+0.020"=0.170"

Somit ist der Pfad 100 größer als 0,080". Somit erfüllt der Transformator die dritte Anforderung.Thus, the path 100 is greater than 0.080". Thus, the transformer meets the third requirement.

Demzufolge kann die resultierende Verpackung leicht alle Isolationsanforderungen erfüllen und noch ein sehr niedriges Profil aufweisen und ein extrem kompakter Transformator sein. Somit ist hier ein exzellenter Weg aufgezeigt, um einen planaren Transformator mit niedrigem Profil zu konstruieren, der leicht und kostengünstig hergestellt werden und erfolgreich als ein Leitungstransformator in Off-Line- Schaltnetzteilen, die bei Megahertz-Frequenzen arbeiten, verwendet werden kann.As a result, the resulting package can easily meet all isolation requirements and still have a very low profile and be an extremely compact transformer. Thus, an excellent way is shown to construct a low-profile planar transformer that can be easily and inexpensively manufactured and can be successfully used as a line transformer in off-line switching power supplies operating at megahertz frequencies.

Allen Personen, die mit dieser Technologie vertraut sind&sub1; sollte jedoch offensichtlich sein, daß trotz der hier durchgeführten Illustration einer Ausführungsform des Transformators, vielerlei Variationen existieren, die in dem Umfang der beanspruchten Erfindung durchgeführt werden können. Eine derartige Variation besteht darin, die Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen umzudrehen (was zusätzliche und dickere Isolationsunterlagen erfordern kann). Eine andere Variation würde darin bestehen, die zwei Sekundärwicklungen als unabhängige Sekundärwicklungen zu behandeln. Noch eine andere Version würde sein, die getrennten Isolatoren wegzulassen, die sich auf jeder Seite des PMs 11 und PMs 51 befinden. Eine andere würde darin bestehen, die Anzahl von Isolatoren in jedem Hohlraum zu verändern, während die 3-ply-Spezifikation erfüllt wird. Noch eine andere Ausbildung würde darin bestehen, ausgestanzte Metallteile zu verwenden, die aus einer leitenden Metallschicht gebildet sind, die nicht auf einem Substrat befestigt ist, anstelle der PC-Platinen für jede oder alle Wicklungen 10, 30a, 30b und 50. Eine andere Alternative würde darin bestehen, Wickelkörperelemente zu verwenden, die rund oder länglich sind oder irgendeine andere Gestalt aufweisen, mit ähnlich ausgebildeten PMs, Wicklungen und Abstandsstücken, anstelle der rechteckigen Elemente. Eine noch andere Veränderung würde darin bestehen, nur zwei PMs mit zwei Wickelkörperelementen zu verwenden. Alternativ könnte der Transformator auch mit mehr als zwei Wickelkörpern in einer Konstruktion eines Mehrfachhohlraum-Typs konstruiert werden. Viele andere Veränderungen für diese Erfindung können unter Verwendung von unterschiedlichen Kombinationen von magnetischen Elementen durchgeführt werden, die als E-Kerne, I-Kerne, R-Kerne, Topf-Kerne usw. ausgebildet sind. Andere Veränderungen können spezifisch zur Herstellung von Hochspannungstransformatoren oder Isolationstransformatoren existieren, die nicht die UL/VDE/CSA-Spezifikationen erfüllen müssen.However, it should be apparent to all persons familiar with this technology that, despite the illustration of one embodiment of the transformer made here, many variations exist which can be made within the scope of the claimed invention. One such variation is to reverse the arrangement of the primary and secondary windings (which may require additional and thicker insulating pads). Another variation would be to treat the two secondary windings as independent secondary windings. Still another version would be to omit the separate insulators located on each side of PM 11 and PM 51. Another would be to vary the number of insulators in each cavity while meeting the 3-ply specification. Still another embodiment would be to use stamped metal parts formed from a conductive metal layer not attached to a substrate instead of the PC boards for each or all of the windings 10, 30a, 30b and 50. Another alternative would be be to use bobbin elements that are round or oblong or of some other shape, with similarly shaped PMs, windings and spacers, instead of the rectangular elements. Yet another variation would be to use only two PMs with two bobbin elements. Alternatively, the transformer could be constructed with more than two bobbins in a multiple cavity type construction. Many other variations for this invention can be made using different combinations of magnetic elements formed as E-cores, I-cores, R-cores, pot cores, etc. Other variations may exist specifically for making high voltage transformers or isolation transformers that do not have to meet UL/VDE/CSA specifications.

Claims

1. A transformer assembly comprising at least a first (20) and at least a second (40) bobbin element, the bobbin elements both being made of an insulating material and arranged substantially parallel to one another, each bobbin element having a pair of opposing planar surfaces (21, 22; 41, 42) and a central opening (25, 45) defined therein, the transformer assembly further comprising first and second conductive windings (10 or 50; 30a or 30b) and a core (70a, 70b) defining a closed magnetic path through the opening and around the first and second bobbin elements, the core magnetically coupling the first planar conductive winding to the second planar conductive winding;

characterized in that

the at least one first bobbin element (20) has a raised wall (21) extending from at least one of its planar surfaces towards the second bobbin element (40), which in turn has a raised wall (47) extending from at least its planar surface facing the first bobbin element towards the first bobbin element, the raised walls of the bobbin elements being provided in engaging relation adjacent to one another and enclose the opening and keep the first from the second bobbin element at a distance;

at least a first planar conductive winding (30a or 30b) is disposed in a space between a first and a second bobbin element and substantially encloses the raised walls;

at least one second planar conductive winding (10 or 50) is disposed adjacent to another planar surface of one of the bobbin elements; and

an insulating device (1a, 1b) is provided between the planar windings and the parts of the core elements, which close the magnetic path in those situations in which a winding body element is not already arranged between the winding and core elements.

2. Transformer according to claim 1, characterized in that the conductive windings, the winding body elements and the insulation device are dimensioned such that

i) the insulation from the first winding to the second winding is at least three layers each having a thickness of at least 0.004";

ii) the creepage distance and clearance between the first and second windings is at least 0.240"; and

iii) the creepage distance and clearance between the core elements and the primary winding is at least 0.080", the primary winding being that of the first and second windings, which is intended for connection to the AC mains voltage.

3. Transformer assembly according to claim 1 or claim 2, characterized in that the first and second bobbin elements are formed using an insulating material.

4. Transformer assembly according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the first and second planar conductive windings is a track on a printed circuit board.

5. Transformer assembly according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the first and second planar conductive windings is formed from a conductive metal layer which is not attached to a substrate.

6. Transformer structure according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the first and second core elements are identical.