淺談平面變壓器在開關電源中的技術優(yōu)勢

　　在雙面PCB板的每一層都是由一到多匝的繞組組成的，而且所有的層都保持著一樣的物理特性：即相同的形狀和相同的外部連接點。在有些多匝的層次中，這個外部連接點是不同匝數間的電氣連接點。如果有些層只有一匝，它也可以被印制在PCB的雙面來降低交流阻抗。使用銅箔直接印制在PCB板上來替代傳統(tǒng)的導線，即使在許多需要很多匝數的開關電源中，變壓器依舊能保持一個很小的體積，這便大大減小了整機的體積。圖6顯示了一個頂層的標準匝數設計的例子，它使用的是罐形（RM）磁芯。

　　銅箔高度按照對應于最大開關頻率時的趨膚深度選取，這樣可以使銅箔的所有部分都成為電流通路，大大減少集膚效應的影響。因此，應該使每一種開關頻率對應于不同的銅箔高度。

　　4 實驗論證

　　為了比較平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器，分別做了兩種變壓器的模型，一種使用平面結構并使用了插入技術，另一種使用銅線分別在初級和次級繞制而成。兩種變壓器都被運用于一個互補控制的半橋變換器中。兩個變壓器的參數如下：

　　初級 12匝：

　　次級兩個l匝的繞組（1：1中心抽頭）。

　　傳統(tǒng)變壓器使用漆包線作為繞組，雖然在這些線圈中電流密度不盡相同，選擇電流密度小于7.5A／mm。

　　平面變壓器初級繞組做成4層，有4個并列的次級。這個變壓器的最終結構如圖7所示。

　　兩種變壓器都使用了同樣的磁芯RM10，比較了兩種變壓器的漏感，交流阻抗和占用的面積，結果列于表1。

　　由表1可知，平面變壓器的漏感僅為傳統(tǒng)變壓器的1／5，交流阻抗也僅為l／3，由此可見這將大大提高變換器的工作特性。而且，由于結構的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯。

　　5 結語

　　平面變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有著非常大的優(yōu)點，并且因為體積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。給出了一種標準的設計平面變壓器的方法，使得設計平面變壓器變得更加容易，成本也將大大降低?？梢灶A見，平面變壓器將有著相當好的應用前景。

高功率密度是當今開關電源發(fā)展的主要趨勢，要做到這一點，一個重要的技術就是提高電源中磁元件的功率密度。平面變壓器因為特殊的平面結構和繞組的緊密耦合，使得高頻寄生參數得到了很大的降低，極大地改進了開關電源的工作表現(xiàn)，因此在近些年得到了廣泛的應用。本文研究了幾種不同的平面結構和繞組制作的方式，并且談到了設計平面變壓器的一個標準方法，這將使得設計過程變得更加簡單，而且可以大大降低設計成本。最后實際比較了平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器的一些參數，并給出了設計方針。

　　引言磁元件的設計是開關電源中一個重要的設計，因為平面變壓器在提高開關電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢，因此在近些年得到廣泛的應用。對于一個理想的變壓器來說，所有的磁路穿過次級線圈，即沒有漏磁通。對普通變壓器來說，并不是初級線圈中產生的所有磁通都穿過次級線圈。

　　1 平面變壓器的特性研究

　　平面磁芯開發(fā)成功，可實現(xiàn)平面化的變壓器設計。由于平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結構，所以應該采用多層PCB繞組?，F(xiàn)在，已有許多公司開發(fā)出了平面變壓器，Pulse公司開發(fā)出了平面磁性元件，以色列佩頓公司 Payton已開發(fā)了Planetics平面變壓器，功率由5W到20KW、頻率自20KHz到2MHz，效率通?？蛇_98%，是電信、電焊機、計算機和外設、網絡、醫(yī)療電子、工業(yè)控制、安全系統(tǒng)和電子設備的理想選擇。平面變壓器的特點是高頻，低造型，高度很小而工作頻率很高。 　　變壓器是電源中的一個關鍵元件。傳統(tǒng)的變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構成，體積龐大而且容易產生電磁干擾。平面變壓器（Planar Transformer）可有效地解決體積及高頻問題。

　　平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比最大的區(qū)別在于鐵芯及線圈繞組。平面變壓器采用小尺寸的E型、RM型或環(huán)型鐵氧體磁芯，通常是由高頻功率鐵氧體材料制成，在高頻下有較低的磁芯損耗；繞組采用多層印刷電路板迭繞而成，繞組或銅片迭在平面的高頻鐵芯上構成變壓器的磁回路。這種設計有低的直流銅阻、低的漏感和分布電容，可滿足諧振電路的設計要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射頻干擾。

　　如前所述，平面變壓器的優(yōu)點主要集中在較低的漏感值和交流阻抗。繞組問的間隙越大意味著漏感越大，也就產生更高的能量損失。平面變壓器利用銅箔與電路板間的緊密結合，使得在相鄰的匝數層間的間隙非常的小，因此能量損耗也就很小了。

　　在平面型變壓器里，其“繞組”是做在印制電路板上的扁平傳導導線或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開關頻率較高時趨膚效應的損耗，也就是渦流損耗。因此，能最有效地利用銅導體的表面導電性能，效率要比傳統(tǒng)變壓器高得多。圖1給出了一個平面變壓器的剖面圖，并且利用兩層繞組間距離的不同，而獲得在不同間隙下的漏感和交流阻抗值。

　　圖2與圖3給出了在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化，可以明顯地看出間隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在間隙增加1mm的狀況下漏感值增加了5倍之多。因此，在滿足電氣絕緣的情況下，應該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。

　　然而，容性效應在平面變壓器中是非常重要的，在印制電路板上緊密繞制的導線使得容性效應非常的明顯。而且絕緣材料的選取對容性值也有著非常大的影響，絕緣材料的介電常數越高，變壓器的容性值越高。而容性效應會引起EMI，因為從初級到次級的繞組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾。因此，如果需要一個比較低的電容值，則必須在漏感和電容值之間做出一個折中的選擇。

　　2 插入技術

　　插入技術是指在布置變壓器原、副邊繞組時，使原邊繞組與副邊繞組交替放置，增加原、副邊繞組的耦合以減小漏感，同時使得電流平均分布，減小變壓器損耗。

　　現(xiàn)在插入技術的研究被分為兩個方面，即應用于變壓器的插入（正激電路）和應用于連接電感器的插入（反激電路）。因此，插入技術現(xiàn)在已經被放在不同的拓撲中作為不同的磁性部件來研究。