論平面變壓器在開關電源中的技術優勢
高功率密度是當今開關電源發展的主要趨勢，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，因此在近些年得到了廣泛應用。 這篇文章研究了幾種不同的平面結構和繞組制作的方式，并且他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，而且可以降低設計成本。最后實際比較了平面變壓器和傳統變壓器的一些參數，并給出了設計方針。
敘詞：平面變壓器 漏感 插入技術
1.引言
磁元件的設計是開關電源中重要的一個設計，因為平面變壓器在提高開關電源的特性
方面有著很大的優勢，因此在近些年得到了廣泛應用。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。對普通電器來說，并不是初級線圈中產生的所有磁通都能穿過次級線圈。也就是說，初級線圈所產生磁通并非穿過伴隨次級線圈的所有繞線和導線。線圈或導線未耦合的部分就產生了自感，并且該能量儲存在“電感器”中，由于該“電感器”與主要功率傳送電路無耦合，故不能完全滿足在電源斷電時對隔離度的要求。另外，為了得到更好的電磁兼容器。電磁耦合的緊密要求也無法滿足。而平面變壓器只有一匝網狀次級繞組， 這一匝繞組也不同于傳統的漆包線，而是一片銅皮，貼繞在多個同樣大小的沖壓鐵氧化磁芯表面上。所以，平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的個數，而且平面變壓的輸出電流可以通過并聯進行擴充，以滿足設計的要求。因此平面部變壓器的特點就是顯而易見的了。首先因為平面繞組的緊密耦合使得漏感大大的減小，另外一個非常重要的特征是因為平面變壓器特殊的結構使得他的高度非常低，這使得使用平面變壓器做一個板上變換器的設想得到現實。另外，平面結構好存在很高的容性效應等問題，這些也都大大限制了平面變壓器的大規模使用。但是這些缺點在某些應用當中，也可能轉換為一種優點。另外，平面的磁芯結構增大了散熱面積，有利于百年壓器的散熱。
這篇論文對不同結構的平面變壓器做了一些分析，并對繞組的如何設計都進行了討論。一個標準的設計平面變壓器的程序也被提出。這比那些傳統使用PCB板變壓器的做法來的更加容易，而且會大大節約成本。
研究主要包括以下幾點：
★平面變壓器的特征研究；
★在不同的磁性部件中插入及散戶的研究；
★ 體積的減小和在多繞組應用中平面變壓器的特性；
★ 在不同的拓撲中平面變壓器的使用特點。
2．平面變壓器的特性研究
如前面所講到的，平面變壓器的優點主要集中在較低的漏感值和交流阻抗。漏感是一個感應值，它是因為一部分不穿過主能量回路中流動的磁通所造成的。因為原副邊線圈并不能完全耦合，所以漏感總是存在，那么就出現能量損耗了。繞組間越大的間隙就意味著越高的漏感，也就是更高的能量損失。不同于別的結構和材料，平面變壓器沒有像傳統變壓器那樣很長的產生漏感的詞導線，而是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，因此在其中的能量耗損也就很小。
平面變壓器中的交流損耗也是非常小的。而在平面變壓器里，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箔。扁平的幾何形狀降低了開關頻率較高時趨膚效應的損耗，也就是傳統所說的渦流損耗。因此，最能有效地利用銅導體的表面導電性能，效率要比傳統變壓器高的多。圖2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，而獲得漏感和交流阻抗值在不同的匝數間隙下的數值。
兩個圖給出了在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化，可以明顯的看出間隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在間隙增減1ｍｍ的狀況下漏感值增加了５倍之多。因此在滿足電氣絕緣需要的情況下，應該選用最細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結合的導線間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。絕緣材料的容性越高，將會使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阻擾中只有容性回路的阻繞傳播這種干擾。為了驗證，筆者做了一個試驗，在銅導線的間隙增加0.2mm的情況下，電容值就增加了20%。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作出一個平衡的選擇。
3．交叉技術
交叉技術指的是，在初級和次級的層次的間隙中有足夠的位置去放置初級繞組�，F在插入技術的研究被分為兩個方面：應用于變壓器的交叉（正激電路）和應用于連接電感器的交叉（反激電路）。因此交叉技術現在已經被放在不同的拓撲中作為不同的磁性部件來研究。
3．1應用于平面變壓器的交叉技術
應用于變壓器中的交叉技術的主要優點顯示如下：
★ 在變壓器中磁性能量儲存空間的減少，導致漏感的減少。
★ 電流傳輸過程中，在導體上的理想分布，導致交流阻抗的減少。
★ 阻繞間更好的藕合作用，導致更低的漏感。
為了說明交叉技術的特征，下圖顯示了三種應用了交叉技術的不同結構。P代表初級繞組，S代表次級繞組。三種結構運用了交叉技術，但是顯示SPSP結構是最好的。因為初級和次級的繞組都是間隔交叉的。圖7和圖8顯示了在500KHZ時，三種結構的交流阻抗和漏感值，通過比較可以容易的發現，應用了交叉技術的變壓器中，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。
3．2外形特點和在多繞組變壓器中平面結構的優點
平面變壓器另外一個重要的優點是高度很低，這使得在磁芯上可以設置比較多的匝數。一個非常高功率的變換器需要一個體積比較小的磁性元件，平面變壓器很好地滿足了這樣的要求。例如在多繞組的變壓器中需要非常多的匝數，如果是普通的變壓器將會造成體積和高度過大，會影響電源的整體設計，而平面變壓器因為特殊的結構特點，很好地解決了這一問題。
并且對于繞組的變壓器來說，繞組間保持很好的藕合非常重要。在這些變壓器中，如果漏感值很大的話，將會使得次級電壓的誤差非常的大，而平面變壓器因為很好的藕合作用，使得它成為很好的選擇。
3．３
在不同的拓撲中，磁性部件的作用也是不同的．在正激變換器的變壓器中，磁性能量在主開關管開通的時候由初級繞組傳遞到次級繞組中．然而，在反激變變換其中的“變壓器”并不完全是一個變壓器，而是兩個連接的電感器。在反激拓撲中的“變壓器”在主開關管開通的時候，次級繞組儲存能量，而在關閉的時刻將能量傳送到次級繞組。因此這種交叉技術的優點同上面的相比是不同的。應用于這種變壓器的交叉技術的特點如下所示：
★ 在磁芯中儲存的能量沒有減少，因為電流在某時刻只能在一個繞組中流動，并且沒有電流補償。
★ 電流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻饒也沒有減小。
★ 交叉使得繞組空間產生較好的耦合，因此又比較小的漏感值。最后的實驗參數將給出平面結構和非平面結構間漏感值的比較。
4．平面變壓器設計
平面變壓器的優點在前面已經論述了，但是這種結構的變壓器追主要的缺點是設計的過程非常復雜，而且設計成本也非常高。這里提供了一種標準的設計平面變壓器的程序步驟，這大大佳話了設計過程。它通過提供一個標準的匝數設計，能夠被使用于不同體積和匝數比要求的變壓器當中。
這里介紹一種標準的設計平面變壓器的方法，它通過設計了一個標準的匝數模型，這將使得設計過程大大簡化，而且費用也會大大降低。在雙面PCB板的每一層都是由一到多匝的繞組組成的，而且所有的層面都保持著一樣的物理特性：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。因為使用銅箔來直接印在PCB板上來替代傳統的導線，這個特性使得即使砸在許多需要很多匝數的開關斷垣中，變壓器依舊能保持一個很小的體積，這也大大減小了整機的體積。所有的涂層都有不同的形狀，根據電流密度標準，一個涂層可以并聯保持多層匝數。圖5顯示了一個頂層的標準匝數設計的例子，它使用的是RM磁芯。
每匝的銅箔高度的選擇應該去對應最大的開關頻率時得到的最佳效應，這樣可以使銅箔的所有部分都成為電流通路，這樣可以大大減少積膚效應的影響。因此，應該使得每一種開關頻率對應于不同的銅箔的高度來更加便利。
5．實驗論證
為了比較平面變壓器和傳統變壓器的區別，于是分別做了兩種變壓器的模型。一種使用平面結構并使用了交叉技術；另一種使用銅線在初級和次級繞制而成。兩種變壓器都將被運用于一個互補控制的半橋變換器中。兩個變換器的參數顯示如下：
初級：12匝
次級：兩個1匝的繞組（1：1中心抽頭）
傳統變壓器使用銅線為800＊0.07,雖然在這些線圈中電流密度不盡相同，但是所有部分都被選擇滿足電流密度小于7.5mm2
插入部分：平面變壓器初級繞組做成四層，有四個并列的次級。為了滿足插入技術的條件，這些次級被認為是非獨立的，因為它們不可能在同一時刻作用(因為變壓器被運用
于半橋互補控制電路當中)。這個變壓器的最終結構顯示于下圖。
兩種變壓器的比較：為了論證兩種變壓器的不同，比較了漏感、交流阻抗和占用的面積。兩種變壓器都使用了同樣的磁芯RM10比較如下表所示：
|
平面變壓器 |
傳統變壓器 | |
|
漏感 |
510 |
2480 |
|
交流阻抗 |
122 |
380 |
|
占用窗口面積（%） |
30 |
75 |
由上表可知，平面變壓器的漏感僅為傳統變壓器的五分之一，交流阻抗也僅為三分之一，由此可見，這將大大提高變換器的工作表現。而且，由于結構的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8。由這種比較，可以看出平面變壓器有著相當好的應用前景。
6．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點，并且因為體積的小巧，
使之成為了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。
| 【上一個】 開關電源設計技巧 | 【下一個】 開關電源的兩種測試方案 |
| ^ 論平面變壓器在開關電源中的技術優勢 |