如何把巧妙的在開關電源中應用平面變壓器
1、引言
近年來,隨著以ISDN、LAN、個人計算機和工作站為代表的電子設備的小型化、高效率化的不斷發(fā)展,輕、 薄、小成為衡量電子設備的重要標志。平面變壓器的出現(xiàn)為電源系統(tǒng)的小型化和高可靠性提供了一條可行的途徑。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電源的性能, 從而成為實現(xiàn)開關電源小、輕、薄的重要手段。
2、平面變壓器類型和特性
目前平面變壓器有許多不同的具體實現(xiàn)方法，應用比較廣的主要有矩陣式平面變壓器、箔式平面變壓器、印制板平面變壓器等。其中印制板平面變壓器又有兩種，一種是利用單塊多層板來實現(xiàn)；另一種是利用多塊雙面板來實現(xiàn)。后者集成度稍差，但成本低。平面變壓器在電路中可以分為獨立式、嵌入式、混合式和集成式四種類型，如圖1所示 。其中獨立式平面變壓器與常規(guī)變壓器使用方法類似,變壓器作為一個獨立的器件放置在一個單獨的線路板上,通過引出線與其他電路相連。嵌入式平面變壓器是在PCB 上預留插入槽,把變壓器放入,以降低整體高度，但其繞組仍然位于印制電路板的上方。混合式平面變壓器有部分繞組在主PCB板內部,而另一部分繞組是獨立的電路層面,主PCB 板留出槽以插入磁芯。集成式平面變壓器的繞組完全利用多層PCB 實現(xiàn),磁芯插入PCB 的預留位置。
平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比主要有如下優(yōu)點：
(1)一致性好。常規(guī)變壓器由于繞組間隔不規(guī)則和人工組裝的不一致性都會導致器件性能有較大的差 異。平面變壓器由于采用PCB技術要比常規(guī)變壓器更容易實現(xiàn)機械加工,故有利于提高變壓器繞組的一致性。
(2) 可重現(xiàn)性。繞組的幾何形狀及其有關寄生特性限定在PCB 制造公差之內(極小的公差) ,因此可實現(xiàn)特性重現(xiàn)，參數(shù)可重復性好。
(3) 低損耗性。繞組由薄銅層構成，同時整個變壓器可制成扁平狀，從而降低了集膚效應的損耗。
(4) 低漏感。漏感一般約為初級電感的0.2%。
(5) 小型化。能量密度高, 厚度遠小于常規(guī)變壓器，因而體積大為縮小。
(6) 絕緣性好。平面變壓器的繞組由PCB導線構成，兩層繞組間夾有樹脂絕緣片，從而能夠保證繞組間的可靠絕緣。
因此平面變壓器特別適合于在內部空間小、對節(jié)能和散熱要求苛刻的電子設備中使用。在國防、航空、航天等對重量和穩(wěn)定性要求較高的領域,平面變壓器將會發(fā)揮很大的作用。
3、平面變壓器結構設計
3.1 繞組結構
平面變壓器的繞組是利用印制板上的螺旋形印制線來實現(xiàn)的。印制板中間被挖空用于安裝磁芯。各印制板之間由絕緣膠布或空白印制板絕緣。磁芯直接將印制板夾在中間，然后通過膠帶或夾子固定。平面變壓器的高度得到了有效的降低，同時進一步節(jié)省了體積。印制線成扁平狀，其厚度一般為35μm/70μm。在頻率小于14MHZ時，銅的集膚深度都小于印制線厚度的一半。通常開關電源頻率遠小于這個值，所以平面變壓器的集膚效應可以忽略。
在多層印制電路板之間要有供繞組互聯(lián)的“通孔”，繞組間的匝數(shù)通過“通孔”以串聯(lián)或并聯(lián)的方式彼此構成電連接。圖2表示各層通過通孔用串聯(lián)方式互聯(lián)的布局圖。
每層印制板都布有一排通孔且位置對齊，但是每層繞組只用其中的兩個通孔，通過圖2方式實現(xiàn)繞組串聯(lián)。在低壓大電流的場合，也可以通過通孔實現(xiàn)繞組并聯(lián)，以提高變壓器的電流處理能力。如圖3所示。
3.2 變壓器磁芯
選擇合適的磁芯是保證變壓器性能的關鍵問題。平面變壓器一般采用高頻功率鐵氧體軟磁材料制成的E型、EC、ETD和EER型磁芯、RM型等磁芯。
E型磁芯制造工藝簡單，售價較便宜，是現(xiàn)在平面變壓器很流行的磁芯形狀。E型磁芯有大的繞組空間，能夠提供足夠的空間供大截面積的引線引出，可允許大電流通過。同時E型磁芯可以進行不同方向的安裝，又由于其散熱非常好，可以疊加應用更大的功率，一般大功率變壓器都使用這種磁芯。但是它的缺點是不能提供自我屏蔽，同時磁芯中間柱是長方體，不能有效利用PCB上的空間，使單匝繞組的長度增加，PCB繞組的橫截面積變大，變壓器的所占體積也相對較大。
RM這種類型磁芯有以下幾個優(yōu)點，一是由于磁芯中間柱和邊緣四周都呈圓形，可降低銅線的匝長，從而降低銅損。另一個優(yōu)點是能夠充分利用PCB上的空間，可以減小PCB繞組的橫截面積，將其設計成正方形形式，這樣磁芯漏感較小。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型和罐型之間。這類磁芯和E型磁芯一樣，它們能提供足夠的空間供大截面的引線引出，適合現(xiàn)在開關電源低壓大電流的趨勢；這類磁芯的散熱也非常好；由于中間柱為圓柱形，與E型相比具有RM型的一些優(yōu)點。但是這類磁芯和E型磁芯一樣屏蔽效果不好。
在我們研制的某320VDC/12VDC 25A變換器中對常規(guī)變壓器和平面變壓器進行了比較。主電路為雙管反激電路，開關頻率100KHZ。按照普通高頻變壓器設計方法采用兩個EI33型磁芯并起來使用，原邊30匝，繞組使用直徑0.81mm的漆包線；副邊2匝，繞組使用0.3mm的銅皮，2層并聯(lián)。
EI－33型磁芯的參數(shù)為：
有效截面積 Ae＝118 mm2
有效磁路長度 Le＝67.6 mm2
磁芯有效體積 Ve＝7940 mm2
磁芯重量 Me＝40 g
若磁芯不變，采用PCB繞組時，為減少成本，應用了多塊雙面板來實現(xiàn)。原邊繞組PCB每層安放3匝，線寬=1.5mm，每塊PCB上下兩面可布置6匝繞組（如圖7所示）構成原邊繞組需要5塊雙面板；副邊繞組電流大匝數(shù)少，PCB每層安放1匝每塊PCB上下兩面可布置2匝（如圖8所示），用4塊并聯(lián)。每塊PCB厚0.4mm，整個繞組窗口高度只需6.8mm。若采用多層PCB做繞組，整個繞組窗口高度只需3mm。
已知標準的EI－33磁芯的窗口高度為19.25mm，與線包的厚度相差很大，為此對兩個EI－33磁芯各作磨削加工，以減小磁芯窗口的高度并與線包得以良好配合。
經(jīng)磨削修正后的EI―33磁芯，除窗口高度恰好滿足包裝配外，磁芯的重量和體積也得以減少。最后裝配成的變壓器結構呈扁平型。這樣變壓器的表面散熱面積增加了，面積與體積的比值較大，與常規(guī)鐵芯相比，平面變壓器的熱阻較小，提高了熱性能。
3.3 寄生效應與繞組布局
平面變壓器的一、二次側繞組交織可以最大限度減小漏電感，并且可控制漏電感的大小。然而，平面變壓器漏電感減小的同時， 寄生電容卻增大。而若要減小寄生電容，則需增大層與層之間的距離，這就與減小漏感相矛盾。同時為提高平面變壓器的功率水平，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。
以二種類型的平面變壓器研究其寄生效應。每一類變壓器的繞組結構各不相同，所以它們有不同的漏感和寄生電容。圖9為所述的二種類型變壓器繞組的結構布局：
1＃：初級繞組和次級繞組對稱組合
2＃：初級繞組和次級繞組交替組合
由于初級繞組與次級繞組間的寄生電容CPS嚴重影響著變壓器的高頻特性，故要其盡量小。在多層印制電路板變壓器結構中，其繞組是由平行的扁平面導電條狀銅箔組成的，則兩個繞組間的電容可使用兩塊平行導電板之間的電容計算公式直接求得：CPS=ε•S/d。可見由于平面變壓器的結構特性將會有較大的寄生電容。
表1給出了兩個不同繞組結構的平面變壓器的寄生參數(shù)。從表1可見2＃變壓器繞組結構的漏感要比1＃要低，但是2＃變壓器的寄生電容要遠大于1＃變壓器。為了進行比較，表1同時列出了與平面變壓器使用相同磁芯的常規(guī)變壓器，標記為3＃。
從表1可以看出平面變壓器與常規(guī)變壓器相比漏感比較小，但是有相對較高的繞組間寄生電容。
4、實驗樣機
設計了一個運用平面變壓器的雙管反激變換器。變換器主要參數(shù)：Vin=290～360V，Vo=12V，Po=300W，ƒ=100KHZ。
平面變壓器繞組由厚度為0.4的印制電路板制作，線圈采用雙面印制電路板，共10層。初級印制板為5層，每層每面3匝，5層串聯(lián)共30匝，銅繞組寬1.5mm、厚0.035mm，繞組匝與匝之間間隔0.2mm；次級印制板為4層，每層每面1匝，4層并聯(lián)共2匝，銅繞組寬5.1mm，厚0.035mm。繞組布局選用3.3中1＃布局方式，平面變壓器原邊電感＝516.4ｕH，漏感Ls＝19.0ｕH，高度為16mm，重量為70g。
同時設計了一個滿足變換器參數(shù)要求的常規(guī)變壓器。常規(guī)變壓器選用相同磁芯，原邊30匝，繞組使用直徑0.81mm的漆包線；副邊2匝，繞組選用0.3mm銅皮，2層并聯(lián)。繞法為“三明治”繞法，先繞制15匝原邊，再繞制副邊，最后繞制15匝原邊。變壓器LI＝516.8ｕH，漏感Ls＝25.2ｕH，高度為30.2mm，重量為120g。
由圖10對比可以看出，平面變壓器不僅漏感比常規(guī)變壓器要小，而且體積、重量也要小很多。
圖11給出了反激變換器在不同變壓器下的效率曲線。由于平面變壓器漏感小和自身損耗比較小，在全范圍負載內都比常規(guī)變壓器的效率要高。
5、結語
本文論述了多層印制電路板變壓器設計制造技術，并以具體實例討論其特性。與傳統(tǒng)磁芯相比，平面型磁芯除了具有低造型、低漏感、低損耗等優(yōu)點外，還具有良好的熱特性、絕緣性、一致性和耦合性。因此，平面型功率變壓器與傳統(tǒng)功率變壓器相比能顯著提高變換器的性能、體積，具有明顯的優(yōu)勢，是開關電源的理想選擇。
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