變壓器設(shè)計(jì)與DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)同步發(fā)展

引言

近年來，從事于dc/dc轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和制造公司都承受著巨大的競爭壓力，因?yàn)槭袌鲂枨蟛粩喑◇w積、更高功率密度和更高效率的產(chǎn)品發(fā)展。無論從成本、體積還是性能來講，變壓器都是dc/dc轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵器件，對dc/dc轉(zhuǎn)換器的整體性能有著舉足輕重的作用。雖然傳統(tǒng)的繞線型變壓器仍在許多較大波形因數(shù)電源中使用，但近年來幾種變壓器新技術(shù)的涌現(xiàn)為dc/dc轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)帶來了顯著效益，平面變壓器就是一例。

獨(dú)立式和嵌入式平面變壓器

獨(dú)立式平面變壓器是利用平面銅引線框架或蝕刻/印制的銅線為繞組而構(gòu)成，比傳統(tǒng)的在支架上繞銅線的變壓器占用的空間要小很多。較之線繞變壓器，精密的銅引線框架或印制繞組能更精確地符合設(shè)計(jì)規(guī)格要求，器件間的重復(fù)性水平也得到提高。 被蝕刻/印制的銅引線框架或印制繞組堆疊在平面中，與高頻鐵氧體磁芯構(gòu)成變壓器的磁路，為一種低剖面的變壓器組件設(shè)計(jì)方案。在平面設(shè)計(jì)中，可獲得較大的銅導(dǎo)體橫截面積，更容易實(shí)現(xiàn)高功率密度和高電流設(shè)計(jì)。平面繞組和鐵氧體的高表面容量比，為產(chǎn)品提供了良好散熱功能。

線繞型變壓器在高頻工作時(shí)，受到“趨膚效應(yīng)”的影響，當(dāng)高頻電流通過圓柱形導(dǎo)體時(shí)，迫使電子由中部流向邊緣集中在銅線表面，從而減少了導(dǎo)體橫截面積流過的電流。而平面變壓器在高頻工作時(shí)則沒有此類情況發(fā)生，使變壓器的效率大大提高。 從制造和裝配的角度來看，平面變壓器也優(yōu)于線繞變壓器。線繞變壓器通常要求手工操作來剝?nèi)ダ@線端的涂料，然后蘸錫或手工焊錫。平面變壓器的壓制或蝕刻的銅片引出端，通常能形成表面貼裝終端，提高了裝配速度，降低了成本。與嵌入平面變壓器結(jié)合在一起此優(yōu)點(diǎn)將更為突出：鐵氧體從dc/dc轉(zhuǎn)換器pcb上穿過，而且繞組呈螺旋狀一層層地繞在印制電路板上。 盡管與嵌入式設(shè)計(jì)相比，獨(dú)立式平面變壓器占用較多的空間，但獨(dú)立式平面變壓器在近年來卻越來越受到設(shè)計(jì)人員的青睞。全嵌入式變壓器利用dc/dc轉(zhuǎn)換器的電路板作為繞線，每一組輸入/輸出電壓都需要設(shè)計(jì)不同的電路板。而且，對于嵌入式平面設(shè)計(jì)，蝕刻線圈需要使用多層電路板，總體成本較高。一些混合設(shè)計(jì)普遍利用主pcb作為初級繞線，然后用分離的小pcb作為次級來產(chǎn)生不同的輸出電壓。

雖然嵌入式設(shè)計(jì)具有高功率密度、良好的熱性能以及占用空間少等優(yōu)勢，但是由于其在成本、設(shè)計(jì)靈活性、可互換性方面的限制，嵌入式設(shè)計(jì)并沒有獲得廣泛應(yīng)用。若生產(chǎn)批量較大，則可在一定程度上降低嵌入式設(shè)計(jì)的高昂成本。

抽頭繞線設(shè)計(jì)

c&d technologies公司開發(fā)出一種 “交錯(cuò)”或“抽頭繞線變壓器”技術(shù)，并在公司的wpa60雙輸出1/4磚dc/dc轉(zhuǎn)換器上應(yīng)用。相對于標(biāo)準(zhǔn)的平面變壓器，這種變壓器可提供更高的效率。
此設(shè)計(jì)交錯(cuò)了初級和次級繞線，以減少不必要的漏電感。高漏電感將會(huì)引起不完整的耦合、損耗和瞬態(tài)電壓等缺陷 。一個(gè)直接的“初級 - 次級 - 初級”或“次級 - 初級 - 次級”的“三明治”式結(jié)構(gòu)可減少漏電感。

盡管抽頭次級（或主級）變壓器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些重要因素需要考慮。例如，因?yàn)橛休^多端子，初級和次級電路的隔離將會(huì)更加復(fù)雜。而且，設(shè)計(jì)中需要的初級和次級之間的emi 屏蔽物也會(huì)增多。

其他變壓器設(shè)計(jì)

現(xiàn)有變壓器的設(shè)計(jì)都是基于磁性技術(shù)的。聲耦技術(shù)的大規(guī)模使用，將會(huì)使未來的變壓器更加小巧。目前，在一些低功率高電壓輸出的dc/dc轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，已經(jīng)在一定程度上采用了聲耦技術(shù)。聲耦變壓器利用壓電材料的特性，通過一個(gè)振動(dòng)結(jié)構(gòu)來耦合電能。在聲耦變壓器中，一個(gè)轉(zhuǎn)換器激發(fā)一種壓電材料的共振模式，然后被第二個(gè)次級轉(zhuǎn)換器截取并轉(zhuǎn)換為次級電壓。 此外，還有一些其他變壓器新技術(shù)，如使用極高工作頻率產(chǎn)生有效的空氣耦合進(jìn)而取消鐵氧體；將變壓器和其他磁性器件（如輸出扼流圈）結(jié)合到電路中，來減少dc/dc設(shè)計(jì)的總波形因數(shù)；新磁芯材料的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)低損耗高頻工作，有助于為既定的電源提供更小的變壓器。

小結(jié)

線繞變壓器已逐漸不能滿足諸如dc/dc轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用需求，受到體積大、效率低等很多不足之處的限制，使線繞變壓器正在快速地被新興產(chǎn)品所取代。嵌入式和獨(dú)立式平面變壓器有各有所長，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體要求選取。抽頭次級（或主級）變壓器是一個(gè)創(chuàng)新，提供了一些優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。未來，從磁性變壓器到聲學(xué)變壓器的發(fā)展，將會(huì)引發(fā)出更多更廣的新產(chǎn)品，為dc/dc轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者的提供更加豐富的選擇。