內(nèi)容摘要
概括了當(dāng)今開關(guān)電源中平面變壓器的技術(shù)特性、原理及應(yīng)用，總結(jié)了平面變壓器的實(shí)際制作過程及注意事項(xiàng)，介紹并簡要分析了目前平面變壓器仿真設(shè)計(jì)方法的原理及缺陷，指出了正確的仿真設(shè)計(jì)思路，并對平面變壓器未來的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測。
引 言
“短、小、輕、薄”是當(dāng)今開關(guān)電源發(fā)展的主要趨勢之一，其最主要的實(shí)現(xiàn)手段是提高功率密度和采用低造型及體積和重量小的元器件。采用常規(guī)變壓器的開關(guān)電源在朝高功率密度和低造型方向發(fā)展時暴露出諸多限制。由于變壓器涉及到的主要參數(shù)有電壓、電流、頻率、變比、溫度、磁心值、漏抗、損耗、外形尺寸等，所以一直無法像其他電子元器件那樣有現(xiàn)成的變壓器可供選用，常常要經(jīng)過繁瑣的計(jì)算來選擇磁心和繞組導(dǎo)線；而且繞組制作方式對變壓器性能也有較大影響，加之變壓器的許多重要參數(shù)不易測量，給使用帶來一定的盲目性，很難在頻率響應(yīng)、漏抗、體積和散熱等方面達(dá)到滿意效果。
采用平面變壓器可以顯著降低變壓器的高度，減小體積和重量，提高變壓器的功率密度及開關(guān)電源的性能，從而成為實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源“短、小、輕、薄”的重要手段。早期平面變壓器的應(yīng)用已證明：采用扁平狀導(dǎo)體可降低繞組集膚和鄰近效應(yīng)的損耗，且可控制如漏電感等寄生參數(shù)的大小，尤其適用于空間或高度存在限制或?qū)?jié)能及散熱要求苛刻的環(huán)境。
本文對平面變壓器的特性進(jìn)行了全面綜述，分析并總結(jié)了平面變壓器的應(yīng)用、設(shè)計(jì)制作、安全規(guī)范及仿真方法。最后對未來平面變壓器的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。
平面變壓器的特性
1 平面變壓器的結(jié)構(gòu)
平面變壓器沒有漆包線繞組，而是將扁平的連續(xù)銅質(zhì)螺旋線刻蝕在印制電路板上，然后疊放在磁心上。
高頻功率變換適宜采用平面變壓器是由于平面變壓器有如下主要特性：
（1）低造型 能量密度高，因而體積大為縮??；厚度遠(yuǎn)小于常規(guī)變壓器，適用于表面貼裝方式組裝。
（2）低損耗性 繞組由薄銅層構(gòu)成，同時整個變壓器可制成扁平狀，從而降低了集膚效應(yīng)的損耗。
（3）低漏感 漏感一般均小于0.2％，因此電磁干擾（EMl）輻射低，基本不受外界電磁干擾的影響。
由于采用PCB技術(shù)要比常規(guī)變壓器更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工，故有利于提高變壓器繞組的一致性。另外，繞組的幾何形狀及其有關(guān)寄生特性限定在PCB制造公差之內(nèi)（極小的公差），因此可實(shí)現(xiàn)特性重現(xiàn)。這兩個優(yōu)點(diǎn)降低了平面變壓器的成本。平面變壓器的另一個優(yōu)點(diǎn)是提高了熱性能，由于其面積與體積的比值較大，與常規(guī)鐵心相比，平面鐵心的熱阻較小。
但平面變壓器的特性并不全是優(yōu)點(diǎn)。平面變壓器一、二次側(cè)繞組之間的間距較小，儲存磁能少，所以漏感也較??；但這樣卻使得一、二次側(cè)產(chǎn)生的寄生電容變大。另外，PCB繞組的可重現(xiàn)化特性卻是以增大鐵心繞線窗中絕緣材料的比例為代價，降低了銅填充系數(shù)，限制了線圈匝數(shù)。
2 高頻繞組損耗
一些專家學(xué)者不斷對平面變壓器各種繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究繞組最佳結(jié)構(gòu)，對各種繞組制作技術(shù)進(jìn)行比較，優(yōu)化PCB板上的線圈布局，力求繞組總直流電阻最小。
文獻(xiàn)對采用實(shí)心圓導(dǎo)線、利茲線、PCB板和銅箔制成的各種繞組結(jié)構(gòu)的500kHz平面變壓器的性能進(jìn)行了比較，研究得出PCB繞組的交流電阻比實(shí)心圓導(dǎo)線繞組低約10％～15％，比利茲線繞組高約15％，但PCB繞組的漏電感均比實(shí)心導(dǎo)線和利茲線繞組低。因此平面變壓器大多采用PCB板做成的繞組。
為提高平面變壓器的功率水平，二次側(cè)繞組大多采用并聯(lián)形式，以提高電流處理能力。但是各繞組層之間的相對位置、連接方式或其他偶然因素的影響，都會造成各并聯(lián)繞組層之間不均流，從而給繞組帶來附加損耗，制約了平面變壓器在低壓大電流場合中的應(yīng)用。另外，平面變壓器一、二次側(cè)繞組大多采用交織技術(shù)的繞組結(jié)構(gòu)，削弱了鄰近效應(yīng)。但不同的交織方式產(chǎn)生的高頻效應(yīng)在各繞組層中引起的電流非線性分布各不相同，造成的損耗也不同。文獻(xiàn)基于1D磁場模型，對各種繞組層交織方案進(jìn)行了仿真，研究了并聯(lián)繞組額外損耗產(chǎn)生的原因，得出如下結(jié)論：最優(yōu)繞組設(shè)計(jì)不僅要充分考慮PCB板導(dǎo)體的厚度、工作頻率及一、二次側(cè)繞組的相對安放位置，還要考慮并聯(lián)方式和絕緣厚度。
3 漏電感與寄生電容
平面變壓器的一、二次側(cè)繞組交織可最大限度減小漏電感，并且可控制漏電感的大小。然而，在平面變壓器漏電感減小的同時，寄生電容卻增大，鄰近效應(yīng)導(dǎo)致線圈中電流非線性分布使得繞組的交流電阻變大。若要減小寄生電容和繞組的交流電阻，則需增大繞組層與層之間的距離。這就與減小漏感的要求相矛盾。鑒于此，文獻(xiàn)提出在滿足絕緣要求的前提下，在漏感許可的范圍內(nèi)，盡量減小繞組間的寄生電容和交流阻抗。
4 平面變壓器繞組制作技術(shù)
平面變壓器繞組的制作可采用多種技術(shù)。文獻(xiàn)比較了常用的幾種繞組制作技術(shù)的利弊，例如常規(guī)PCB板、柔性基印制板和銅箔等。
采用常規(guī)PCB技術(shù)可使平面繞組具有高度可重現(xiàn)化特性，且制作簡單。理論上繞組可作為系統(tǒng)電路板的一部分，消除變壓器與系統(tǒng)電路板的端部連接。然而實(shí)際中系統(tǒng)電路板不能滿足繞組層數(shù)的需求。采用常規(guī)PCB技術(shù)的缺陷是窗口利用系數(shù)很低，通常為0.25～0.3，這是因?yàn)閷?dǎo)體間的間距為150m，繞組層間的最小絕緣厚度為100 m。
為了提高窗口利用系數(shù)，也可采用柔性基印制板或鍍銅的柔性基材料制作平面變壓器繞組。因其絕緣厚度只需50m，故可將多層柔性基印制板疊放沖壓成一個類似常規(guī)PCB的剛性結(jié)構(gòu)，制作成繞組就可提高窗口利用系數(shù)。采用柔性基除了在引線端存在接點(diǎn)外，內(nèi)部直接通過折疊完成，避免了層間的連線連接。
采用折疊銅箔技術(shù)制作的繞組可應(yīng)用于大電流場合，且成本低。其主要缺陷是需額外提供絕緣層。
5 平面變壓器鐵心
平面變壓器鐵心有幾款形狀，但最常用的是平面EE和EI型兩種?，F(xiàn)在大部分生產(chǎn)廠家都提供這兩款鐵心。其他低造型標(biāo)準(zhǔn)平面鐵心還有RM、ER、PQ和罐型。由于EE型鐵心中心柱是矩形，使得線圈長度相對較長，因此會產(chǎn)生空間利用率低及潛在的EMI問題。諸如RM、ER、PQ等中心柱為圓形的鐵心，其線圈長度相對較短，可改善屏蔽效果，但其有效繞線窗面積比EE型鐵心小，因此其線圈匝數(shù)受限制。
平面變壓器的最優(yōu)化研究表明，對于任何規(guī)格的鐵心都存在一個使其功率密度最大的最佳高度。因此，對于特定的設(shè)計(jì)，很可能出現(xiàn)市面上諸多標(biāo)準(zhǔn)平面鐵心不符合最優(yōu)設(shè)計(jì)的情況。如果成本允許，設(shè)計(jì)人員可與廠家聯(lián)系定制設(shè)計(jì)所需的鐵心，以實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。
平面變壓器的應(yīng)用
平面變壓器在電力電子中的應(yīng)用主要為開關(guān)電源變壓器和脈沖變壓器。下面重點(diǎn)討論平面變壓器在不同實(shí)際應(yīng)用中的特性。
1 開關(guān)電源變壓器
設(shè)計(jì)平面開關(guān)電源變壓器必須滿足的要求與常規(guī)開關(guān)電源變壓器相同，包括損耗和溫升的限制。平面變壓器的鐵心損耗計(jì)算與常規(guī)線繞變壓器類似，包括選擇合適的開關(guān)頻率、鐵心形狀、尺寸及材料，主要區(qū)別在于鐵心型號的選擇。
高頻變壓器的銅耗計(jì)算要求設(shè)計(jì)者對集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的原理有較深的理解。采用交織技術(shù)可減小高頻效應(yīng)，從而減小平面繞組損耗。但交織的程度受寄生電容和繞組層間絕緣等級的限制。在許多實(shí)際應(yīng)用中，繞組層之間深度交織會使絕緣材料占鐵心繞線窗空間的比重增大。若變壓器的輸出電流較大，且二次側(cè)繞組為單匝線圈的單個繞組層結(jié)構(gòu)，則可采用加厚的銅箔代替PCB繞組層。
有時采用1D分析來預(yù)測變壓器高頻效應(yīng)就已足夠，但在許多應(yīng)用中通常需采用2D甚至3D分析，這將在下面仿真章節(jié)中討論。
總之，過分強(qiáng)調(diào)減小漏電感會導(dǎo)致寄生電容和繞組交流阻抗增大，從而影響變壓器的性能。
2 脈沖變壓器
平面變壓器可作為脈沖變壓器，用于開關(guān)元件的門極驅(qū)動電路。但其應(yīng)用不如開關(guān)電源變壓器廣泛。由于常規(guī)脈沖變壓器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)低造型，即使是采用傳統(tǒng)的繞線繞制繞組，因此不必進(jìn)一步降低脈沖變壓器的高度以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的低造型。
平面變壓器的制作
為了優(yōu)化電路性能，最大限度降低損耗及最終產(chǎn)品的封裝高度，通常將平面變壓器鑲嵌在主電路板上。圖2展示了該結(jié)構(gòu)的平面變壓器。
在設(shè)計(jì)平面變壓器時，首先，根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定鐵心的允許損耗密度Pcore
接著便可進(jìn)行一、二次側(cè)繞組匝數(shù)和電流有效值的計(jì)算，檢驗(yàn)平面變壓器的溫升是否在允許范圍內(nèi)，進(jìn)而優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)。注意，由于受高頻集膚和鄰近效應(yīng)的影響，導(dǎo)體的寬度最好小于兩倍集膚深度。如果繞線窗還能容納一定匝數(shù)的繞組，可采用并聯(lián)繞組層以減小繞組電阻，從而減小繞組損耗。市面上出售的平面變壓器鐵心有帶夾槽和無夾槽兩種。帶夾槽鐵心通過廠家提供的夾板來固定；無夾槽鐵心之間的固定采用樹脂膠合的方式。采用帶夾槽鐵心的變壓器適用于高溫升場合，且比較牢固，如圖3a所示；無夾槽鐵心制成的變壓器高度比帶夾槽的變壓器要低一些。設(shè)計(jì)者可按實(shí)際情況選擇鐵心。若選擇無夾槽鐵心，注意樹脂不可粘在兩塊鐵心的結(jié)合面，這樣鐵心之間會存在氣隙，應(yīng)把樹脂粘在鐵心的外側(cè)。
在制作平面變壓器時還得注意各PCB繞組層間以及PCB繞組與鐵心之間的絕緣。PCB繞組層間的絕緣采用兩層聚酯膠片就已足夠。安規(guī)EN60950中規(guī)定，PCB繞組層上導(dǎo)體與鐵心中心柱和外柱之間的距離必須為400m；另外，PCB繞組層上的阻焊層作為PCB板與鐵心之間的絕緣是不可靠的，可在鐵心與PCB板之間添加薄片材料（例如聚酰亞胺）來加強(qiáng)鐵心與PCB板之間的絕緣。
平面變壓器的仿真和設(shè)計(jì)
由于電磁場問題的復(fù)雜性，要想仿真求解出電磁場的各場量，為平面變壓器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)是很困難的。因此，人們采用了大量的簡化分析，通常將電磁場的場問題簡化為一維線性問題，通過求解Maxwell微分方程來得到一個完全解。即認(rèn)為變壓器當(dāng)中的磁場強(qiáng)度與導(dǎo)體的長邊方向平行，如圖4所示平面變壓器的1D磁場模型，在導(dǎo)體表面上的磁場強(qiáng)度是一定值，這樣就可采用Dowell方程計(jì)算高頻損耗。
采用1D方法可很方便計(jì)算高頻變壓器的繞組損耗。然而，上述簡化會帶來誤差，原因在于忽略了導(dǎo)體的邊緣效應(yīng)。另外，由于平面變壓器繞線窗的利用系數(shù)很小，扁平導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)磁場引起的實(shí)際高頻損耗比1D方法預(yù)測的結(jié)果大得多。對于多層繞組層結(jié)構(gòu)的繞組，通過1D分析方法得到的結(jié)果只能作為選擇合適繞組結(jié)構(gòu)的依據(jù)，而不能用于預(yù)測高頻損耗的實(shí)際值。因此，在某些情況下必須采用2D方法甚至3D方法來預(yù)測平面變壓器的高頻損耗。
在建立平面變壓器2D或3D磁場模型時可采用一些商業(yè)FEA仿真軟件。目前，2D或3D商業(yè)FEA仿真軟件可建立包含一、二次側(cè)各繞組層之間絕緣層的模型，故很容易預(yù)測出絕緣層對平面變壓器高頻損耗的影響，而Dowell的1D分析卻不行。
平面變壓器漏電感的仿真分析可采用Dowell的1D方法，但采用2D或3D商業(yè)FEA軟件來預(yù)測高頻運(yùn)行時的漏電感要比Dowell的1D方法要有效得多。然而，利用2D商業(yè)FEA仿真軟件建立模型分析得到的漏電感值可能大大低于實(shí)際值。造成誤差的原因可能是由于實(shí)際測量漏電感時變壓器的二次側(cè)輸出端是短接的。很顯然，3DFEA工具可分析這些端部效應(yīng)對漏電感造成的影響。由3D FEA仿真分析建立的一個平面變壓器模型。
綜上所述，平面變壓器的仿真設(shè)計(jì)思路是：將3DFEA分析計(jì)算與電路仿真工具結(jié)合使用，對平面變壓器的繞組阻抗、漏感和寄生電容等參數(shù)進(jìn)行綜合分析。這樣，首先由3DFEA分析得到一個高精度的平面變壓器等效模型，再結(jié)合電路仿真分析軟件分析，計(jì)算變壓器磁場重要參數(shù)，最后對平面變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，即可得到性能更加優(yōu)良的平面變壓器。
平面變壓器未來發(fā)展趨勢
目前平面變壓器已廣泛應(yīng)用于DC-DC變換器模塊和類似的產(chǎn)品中。但是按照目前平面變壓器的生產(chǎn)制造工藝，其制作成本仍然高居不下。各生產(chǎn)廠家之間可通過制定相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)來降低平面變壓器的成本。然而，由于變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，而且繞組制作技術(shù)及這些設(shè)備的相關(guān)費(fèi)用仍然相當(dāng)昂貴，將平面變壓器標(biāo)準(zhǔn)化并不是輕而易舉的事。如何降低平面變壓器的生產(chǎn)成本依舊是一個難題，而且平面變壓器的結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步的優(yōu)化。
研究人員采用磁集成技術(shù)已成功將變換器輸出電感和平面變壓器在結(jié)構(gòu)上集成在一起，但如何進(jìn)一步將變壓器、電感和電容等電磁元件都集成到一起，使之成為一個高度集成的能量處理模塊還在研究中。如今的研究熱點(diǎn)是如何在一塊半導(dǎo)體芯片上集成多種高質(zhì)量的有源和無源器件，包括銅電感和變壓器，以優(yōu)化系統(tǒng)性能并顯著減少外部元件的數(shù)量。
微處理器和便攜式電子設(shè)備的DC-DC變換器特點(diǎn)是負(fù)載變化大，多數(shù)情況下工作低于備用模式，長期輕載運(yùn)行。要求DC-DC變換器具有如下特征：負(fù)載變化的整個范圍內(nèi)效率高；輸出電壓低，由于CMOS電路的損耗與電壓的平方成正比，供電電壓低，則電路損耗??；功率密度高，采用集成芯片的封裝形式。這些都需要平面變壓器及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，從而突破目前平面變壓器的應(yīng)用瓶頸，拓寬應(yīng)用前景。
結(jié)束語
本文對平面變壓器進(jìn)行了全面綜述。介紹了平面變壓器的特性、原理、應(yīng)用、制作和仿真方法，指出平面變壓器的仿真設(shè)計(jì)思路，最后對平面變壓器在功率變換產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。
（轉(zhuǎn)載）
