如何把巧妙的在开关电源中应用平面变压器
1、引言
近年来,随着以ISDN、LAN、个人计算机和工作站为代表的电子设备的小型化、高效率化的不断发展,轻、 薄、小成为衡量电子设备的重要标志。平面变压器的出现为电源系统的小型化和高可靠性提供了一条可行的途径。采用平面变压器可以显著降低变压器的高度, 减小体积和重量, 提高变压器的功率密度及开关电源的性能, 从而成为实现开关电源小、轻、薄的重要手段。
2、平面变压器类型和特性
目前平面变压器有许多不同的具体实现方法，应用比较广的主要有矩阵式平面变压器、箔式平面变压器、印制板平面变压器等。其中印制板平面变压器又有两种，一种是利用单块多层板来实现；另一种是利用多块双面板来实现。后者集成度稍差，但成本低。平面变压器在电路中可以分为独立式、嵌入式、混合式和集成式四种类型，如图1所示 。其中独立式平面变压器与常规变压器使用方法类似,变压器作为一个独立的器件放置在一个单独的线路板上,通过引出线与其他电路相连。嵌入式平面变压器是在PCB 上预留插入槽,把变压器放入,以降低整体高度，但其绕组仍然位于印制电路板的上方。混合式平面变压器有部分绕组在主PCB板内部,而另一部分绕组是独立的电路层面,主PCB 板留出槽以插入磁芯。集成式平面变压器的绕组完全利用多层PCB 实现,磁芯插入PCB 的预留位置。
平面变压器与传统的变压器相比主要有如下优点：
(1)一致性好。常规变压器由于绕组间隔不规则和人工组装的不一致性都会导致器件性能有较大的差 异。平面变压器由于采用PCB技术要比常规变压器更容易实现机械加工,故有利于提高变压器绕组的一致性。
(2) 可重现性。绕组的几何形状及其有关寄生特性限定在PCB 制造公差之内(极小的公差) ,因此可实现特性重现，参数可重复性好。
(3) 低损耗性。绕组由薄铜层构成，同时整个变压器可制成扁平状，从而降低了集肤效应的损耗。
(4) 低漏感。漏感一般约为初级电感的0.2%。
(5) 小型化。能量密度高, 厚度远小于常规变压器，因而体积大为缩小。
(6) 绝缘性好。平面变压器的绕组由PCB导线构成，两层绕组间夹有树脂绝缘片，从而能够保证绕组间的可靠绝缘。
因此平面变压器特别适合于在内部空间小、对节能和散热要求苛刻的电子设备中使用。在国防、航空、航天等对重量和稳定性要求较高的领域,平面变压器将会发挥很大的作用。
3、平面变压器结构设计
3.1 绕组结构
平面变压器的绕组是利用印制板上的螺旋形印制线来实现的。印制板中间被挖空用于安装磁芯。各印制板之间由绝缘胶布或空白印制板绝缘。磁芯直接将印制板夹在中间，然后通过胶带或夹子固定。平面变压器的高度得到了有效的降低，同时进一步节省了体积。印制线成扁平状，其厚度一般为35μm/70μm。在频率小于14MHZ时，铜的集肤深度都小于印制线厚度的一半。通常开关电源频率远小于这个值，所以平面变压器的集肤效应可以忽略。
在多层印制电路板之间要有供绕组互联的“通孔”，绕组间的匝数通过“通孔”以串联或并联的方式彼此构成电连接。图2表示各层通过通孔用串联方式互联的布局图。
每层印制板都布有一排通孔且位置对齐，但是每层绕组只用其中的两个通孔，通过图2方式实现绕组串联。在低压大电流的场合，也可以通过通孔实现绕组并联，以提高变压器的电流处理能力。如图3所示。
3.2 变压器磁芯
选择合适的磁芯是保证变压器性能的关键问题。平面变压器一般采用高频功率铁氧体软磁材料制成的E型、EC、ETD和EER型磁芯、RM型等磁芯。
E型磁芯制造工艺简单，售价较便宜，是现在平面变压器很流行的磁芯形状。E型磁芯有大的绕组空间，能够提供足够的空间供大截面积的引线引出，可允许大电流通过。同时E型磁芯可以进行不同方向的安装，又由于其散热非常好，可以叠加应用更大的功率，一般大功率变压器都使用这种磁芯。但是它的缺点是不能提供自我屏蔽，同时磁芯中间柱是长方体，不能有效利用PCB上的空间，使单匝绕组的长度增加，PCB绕组的横截面积变大，变压器的所占体积也相对较大。
RM这种类型磁芯有以下几个优点，一是由于磁芯中间柱和边缘四周都呈圆形，可降低铜线的匝长，从而降低铜损。另一个优点是能够充分利用PCB上的空间，可以减小PCB绕组的横截面积，将其设计成正方形形式，这样磁芯漏感较小。并且RM磁芯的屏蔽效果也比E型磁芯要好。
EC、ETD和EER型磁芯介于E型和罐型之间。这类磁芯和E型磁芯一样，它们能提供足够的空间供大截面的引线引出，适合现在开关电源低压大电流的趋势；这类磁芯的散热也非常好；由于中间柱为圆柱形，与E型相比具有RM型的一些优点。但是这类磁芯和E型磁芯一样屏蔽效果不好。
在我们研制的某320VDC/12VDC 25A变换器中对常规变压器和平面变压器进行了比较。主电路为双管反激电路，开关频率100KHZ。按照普通高频变压器设计方法采用两个EI33型磁芯并起来使用，原边30匝，绕组使用直径0.81mm的漆包线；副边2匝，绕组使用0.3mm的铜皮，2层并联。
EI－33型磁芯的参数为：
有效截面积 Ae＝118 mm2
有效磁路长度 Le＝67.6 mm2
磁芯有效体积 Ve＝7940 mm2
磁芯重量 Me＝40 g
若磁芯不变，采用PCB绕组时，为减少成本，应用了多块双面板来实现。原边绕组PCB每层安放3匝，线宽=1.5mm，每块PCB上下两面可布置6匝绕组（如图7所示）构成原边绕组需要5块双面板；副边绕组电流大匝数少，PCB每层安放1匝每块PCB上下两面可布置2匝（如图8所示），用4块并联。每块PCB厚0.4mm，整个绕组窗口高度只需6.8mm。若采用多层PCB做绕组，整个绕组窗口高度只需3mm。
已知标准的EI－33磁芯的窗口高度为19.25mm，与线包的厚度相差很大，为此对两个EI－33磁芯各作磨削加工，以减小磁芯窗口的高度并与线包得以良好配合。
经磨削修正后的EI―33磁芯，除窗口高度恰好满足包装配外，磁芯的重量和体积也得以减少。最后装配成的变压器结构呈扁平型。这样变压器的表面散热面积增加了，面积与体积的比值较大，与常规铁芯相比，平面变压器的热阻较小，提高了热性能。
3.3 寄生效应与绕组布局
平面变压器的一、二次侧绕组交织可以最大限度减小漏电感，并且可控制漏电感的大小。然而，平面变压器漏电感减小的同时， 寄生电容却增大。而若要减小寄生电容，则需增大层与层之间的距离，这就与减小漏感相矛盾。同时为提高平面变压器的功率水平，绕组大多采用并联形式以提高电流处理能力。但是各绕组层之间的相对位置、连接方式或其他偶然因素的影响，都会造成各并联绕组层之间不均流, 从而给绕组带来附加损耗。
以二种类型的平面变压器研究其寄生效应。每一类变压器的绕组结构各不相同，所以它们有不同的漏感和寄生电容。图9为所述的二种类型变压器绕组的结构布局：
1＃：初级绕组和次级绕组对称组合
2＃：初级绕组和次级绕组交替组合
由于初级绕组与次级绕组间的寄生电容CPS严重影响着变压器的高频特性，故要其尽量小。在多层印制电路板变压器结构中，其绕组是由平行的扁平面导电条状铜箔组成的，则两个绕组间的电容可使用两块平行导电板之间的电容计算公式直接求得：CPS=ε•S/d。可见由于平面变压器的结构特性将会有较大的寄生电容。
表1给出了两个不同绕组结构的平面变压器的寄生参数。从表1可见2＃变压器绕组结构的漏感要比1＃要低，但是2＃变压器的寄生电容要远大于1＃变压器。为了进行比较，表1同时列出了与平面变压器使用相同磁芯的常规变压器，标记为3＃。
从表1可以看出平面变压器与常规变压器相比漏感比较小，但是有相对较高的绕组间寄生电容。
4、实验样机
设计了一个运用平面变压器的双管反激变换器。变换器主要参数：Vin=290～360V，Vo=12V，Po=300W，ƒ=100KHZ。
平面变压器绕组由厚度为0.4的印制电路板制作，线圈采用双面印制电路板，共10层。初级印制板为5层，每层每面3匝，5层串联共30匝，铜绕组宽1.5mm、厚0.035mm，绕组匝与匝之间间隔0.2mm；次级印制板为4层，每层每面1匝，4层并联共2匝，铜绕组宽5.1mm，厚0.035mm。绕组布局选用3.3中1＃布局方式，平面变压器原边电感＝516.4ｕH，漏感Ls＝19.0ｕH，高度为16mm，重量为70g。
同时设计了一个满足变换器参数要求的常规变压器。常规变压器选用相同磁芯，原边30匝，绕组使用直径0.81mm的漆包线；副边2匝，绕组选用0.3mm铜皮，2层并联。绕法为“三明治”绕法，先绕制15匝原边，再绕制副边，最后绕制15匝原边。变压器LI＝516.8ｕH，漏感Ls＝25.2ｕH，高度为30.2mm，重量为120g。
由图10对比可以看出，平面变压器不仅漏感比常规变压器要小，而且体积、重量也要小很多。
图11给出了反激变换器在不同变压器下的效率曲线。由于平面变压器漏感小和自身损耗比较小，在全范围负载内都比常规变压器的效率要高。
5、结语
本文论述了多层印制电路板变压器设计制造技术，并以具体实例讨论其特性。与传统磁芯相比，平面型磁芯除了具有低造型、低漏感、低损耗等优点外，还具有良好的热特性、绝缘性、一致性和耦合性。因此，平面型功率变压器与传统功率变压器相比能显著提高变换器的性能、体积，具有明显的优势，是开关电源的理想选择。
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