平面變壓器

平面磁芯開發成功，可實現平面化的變壓器設計。由於平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結構，所以應該採用多層PCB繞組。現在，已有許多公司開發出了平面變壓器，Pulse公司開發出了平面磁性元件，以色列佩頓公司 Payton已開發了Planetics平面變壓器，功率由5W到20KW、頻率自20KHz到2MHz，效率通常可達98%，是電信、電焊機、計算機和外設、網絡、醫療電子、工業控制、安全系統和電子設備的理想選擇。

平面變壓器的特點是高頻，低造型，高度很小而工作頻率很高。

變壓器是電源中的一個關鍵元件。傳統的變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構成，體積龐大而且容易產生電磁干擾。平面變壓器（Planar Transformer）可有效地解決體積及高頻問題。

平面變壓器與傳統的變壓器相比最大的區別在於鐵芯及線圈繞組。平面變壓器採用小尺寸的E型、RM型或環型鐵氧體磁芯，通常是由高頻功率鐵氧體材料製成，在高頻下有較低的磁芯損耗；繞組採用多層印刷電路板迭繞而成，繞組或銅片迭在平面的高頻鐵芯上構成變壓器的磁迴路。這種設計有低的直流銅阻、低的漏感和分佈電容，可滿足諧振電路的設計要求。而且由於磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射頻干擾。

平面變壓器的分類 ：平面變壓器按設計製作工藝的不同，可分為印刷電路(PCB)型，厚膜型、薄膜型、亞微米型 4 種。

平面變壓器與常規變壓器相比，磁芯尺寸大幅度縮小，特別是高度縮小最大。這一特色對電源設備中在空間受到嚴格限制的場合下具有相當大的吸引力，從而可成為許多電源設備中首選的磁性元件。平面變壓器結構上的優勢，也為它的電氣特性帶來了許多優點：功率密度高，效率高，漏感低，散熱性好，成本低等。 ^[1] 

印刷電路 PCB(printed circuit board)型變壓器可省去繞組骨架，能增大散熱面積，能減小在高頻工作時由集膚效應和鄰近效應所引起的渦流損耗，也能增大電流密度，其電流密度最高可達 20A/mm，功率大，工藝簡單。但用 PCB，窗口利用率低，僅為0.25~0.3，傳統變壓器的窗口利用率為 0.4，其體積也較大。PCB 型變壓器其功率可高達 20kW ，頻率可達兆赫數量級。採用 pulse 的平面技術，多層 PCB 夾在磁芯之間，薄型高效鐵氧體平面變壓器，其底部面積小，高度只有7.4mm，工作頻率為 150~750kHz，工作温度為-400~1300。

厚膜變壓器是為了克服薄膜變壓器中導體電阻大的缺陷而提出的。以氧化鋁作基體，採用厚膜工藝，在其上、下表面各印製了初級和次級繞組，用鐵氧體制作的平面變壓器在 2MHz，輸出功率為 75W 時，效率達 85%。厚膜工藝製造出的平面變壓器效率一般較低，因此尋求更進一步的工藝技術以完善平面變壓器製造的厚膜工藝是實現平面變壓器高頻集成化的關鍵。

薄膜型變壓器是一種用磁性薄膜研製的疊層微型變壓器，採用薄膜後高度低於 1mm，工作頻率超過 1MHz，其體積小，易於集成，但只適用於小功率情況。它們絕大多數採用金屬磁性材料，如坡莫合金、鐵硅鋁和非晶合金。主要是因為它們有高 BS 和高磁導率。Tsuijimotl 等人用帶式(銅厚 35μm，長 34mm，寬 3mm)加以絕緣膜(厚 100μm)，非晶 CoNbZr 膜(1.8μm)構成一種能在高頻下輸出電壓可控的薄膜變壓器——針孔型變壓器，還製成了厚度為 210μm的片式變壓器。它是採用兩層 10μm 厚的 CoZr 非晶薄膜做成的，用於 5V、0.3A、1MHz 的開關電源，77.5% 鐵氧體材料(以 MnZn係為主)也可以製成薄膜型變壓器，但用常規的方法很難製出合適的微型磁膜，故需開發新的成膜技術。目前國外主要採用 PVD、CVD 等沉積技術配合化學蝕刻，激光燒蝕法、光照射低温鍍膜法等成膜技術。Yamaguchi K 等設計製作的微型變壓器，其面積只有2.4mm×3.1mm，在 10MHz 時效率可達 67%。

亞微米變壓器是利用化學法合成，採用低温(900℃)燒結的 NiCuZn 鐵氧體為介質材料，以 Ag 為內電極，用流延和絲網印刷技術的方法制備而成的，其體積小、質量輕、易於集成、工藝簡單。兩種片式亞微米型變壓器，外形尺寸分別為 2.1cm×2.1cm×1mm和 8mm×8mm×1mm，設計變壓比分別為 6 和 4，工作頻率為1~10MHz。 亞微米型平面變壓器結構新穎，改變了傳統變壓器的結構特徵，將變壓器原邊和副邊繞組採用絲網印刷技術燒製在鐵氧體材料中，外型類似表貼的集成電路器件。對亞微米型平面變壓器的電氣性能測試表明：①空載情況下，變壓比先隨着輸入電壓的增加而增大，而後隨着輸入電壓的增加而減小，範圍內達到最大值。另外，變壓比隨着輸入信號頻率的增加而增大。②在一定輸入頻率和電壓情況下，輸出功率隨負載的增大先升高再降低，存在一個輸出功率最大的負載電阻值。③在一定輸入電壓和輸出負載的情況下，隨着輸入電壓頻率的增加，變壓器的變壓比逐漸增大，當輸入電壓頻率高於某一臨界值後，變壓比基本保持不變。波形畸變程度隨着輸入電壓頻率的增加而減小。④在一個固定輸入頻率下，存在一個飽和負載電阻值，當負載電阻值小於飽和負載電阻值時，則變壓器的輸出電壓隨負載增大而增大，但當負載電阻值大於飽和負載電阻值時，輸出電壓的變化很小或基本保持不變。隨着頻率的升高飽和負載電阻值逐漸增大。在負載電阻值等於飽和負載電阻值時，變壓器的變壓比基本不隨輸入電壓的變化而變化，但隨着輸入電壓的升高，輸入輸出電壓的波形畸變程度增強。

（1）高電流密度。平面變壓器的導線實際上是一些平面的導體，因而電流密度大。

（2）高效率。效率可達98%～99%。

（3）低漏感。約為初級電感的 0.2% 。

（4）熱傳導好。熱通道距離短，温升低。

（5）低EMI輻射。良好的磁芯屏蔽可使輻射降到很低。

（6）體積小。採用了小型磁芯可相應減小體積。

（7）參數可重複性好。因為繞組結構固定、容易預先加工，所以參數穩定。

（8）工作頻率範圍寬。頻率可從50　kHz～ 2　MHz。

（9）工作温度範圍寬。工作温度為 -40　℃～ 130　℃。

（10）絕緣性好。平面變壓器由導電電路與絕緣片互相重疊構成，從而保證繞組之間、初— 次級及次—次級間可達4 kV絕緣隔離。

(1)除了合理佈局和控制電路採用了表面貼工藝來節省空間外，還採取了更有效的措施來避免傳統體積較大的高頻功率變壓器佔用有限的空間。

(2) 工作環境温度高。相對於其它整流模塊 -25　℃ ～ +50　℃ 的工作環境，

該模塊能工作在 -25　℃ ～ +70　℃ 的環境中，以滿足一些惡劣條件的需求。因此，正常工作時，模塊內部温升會更加高，要求變壓器能承受高温。

(3) 該模塊的EMI、雜音等指標要求高。要求有切實的措施來改進這些方面。

(4) 模塊體積小，效率高，間接要求模塊的熱損耗小。

鑑於以上的幾點要求，結合平面變壓器的優點，在變壓器設計方案中優先考慮採用平面變壓器。在結構體積很小的情況下，平面變壓器的電流密度高，漏抗小，非常適合低電壓大電流的開關電源。應該注意的是，由於常規變壓器都是將圓柱形導線纏繞在鐵氧體磁芯上，高頻電流集中在導線表面的附近（趨膚效應），會降低有效傳導性能。而在平面型變壓器裏，其“繞組”是做在敷銅印製電路板上的扁平傳導導線。扁平的幾何形狀降低了開關頻率較高時趨膚效應的損耗。因此，能最有效地利用銅導體的表面導電性能，效率要比傳統的高。

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，必須提高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，使得高頻寄生參數大大降低，極大地改進了開關電源的工作狀態，因此近年來得到了廣泛的使用研究了幾種不同的平面結構和繞組製作的方式,介紹了設計平面變壓器的一個標準方法，從而使得設計過程變得更加簡單，大大降低了設計成本。最後，比較了平面變壓器和傳統變壓器的一些參數，並給出了設計方針.

關鍵詞：平面變壓器；漏感；插入技術

磁性元件的設計是開關電源的重要部分，因為平面變壓器在提高開關電源的特性方面有着很大的優勢，因此近年來得到了廣泛的應用。對於一個理想的變壓器來説，初級線圈所產生的磁通都穿過次級線圈，即沒有漏磁通。而對普通變壓器來説，初級線圈所產生的磁通並非都穿過次級線圈，於是就產生了漏感，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，這一匝繞組也不同於傳統的漆包線，而是一片銅皮，貼繞在多個同樣大小的衝壓鐵氧體磁芯表面上。所以，平面變壓器的輸出電壓取決於磁芯的個數，而且平面變壓器的輸出電流可以通過並聯進行擴充，以滿足設計的要求。因此，平面變壓器的特點就顯而易見了：平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減小；平面變壓器特殊的結構使得它的高度非常的低，這使變換器做在一個板上的設想得到實現。但是，平面結構存在很高的容性效應等問題，大大限制了它的大規模使用，不過，這些缺點在某些應用中，也有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，有利於變壓器散熱。

如前所述，平面變壓器的優點主要集中在較低的漏感值和交流阻抗。繞組問的間隙越大意味着漏感越大，也就產生更高的能量損失。平面變壓器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，因此能量損耗也就很小了。

在平面型變壓器裏，其“繞組”是做在印製電路板上的扁平傳導導線或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開關頻率較高時趨膚效應的損耗，也就是渦流損耗。因此，能最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得多。

在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化，可以明顯地看出間隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在間隙增加1mm的狀況下漏感值增加了5倍之多。因此，在滿足電氣絕緣的情況下，應該選用最薄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，在印製電路板上緊密繞制的導線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着非常大的影響，絕緣材料的介電常數越高，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繞組中只有容性迴路的繞組傳播這種干擾。為了驗證，筆者做了一個試驗，在銅導線的間隙增加O．2mm的情況下，而電容值就減少了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做出一個折中的選擇。

插入技術是指在佈置變壓器原、副邊繞組時，使原邊繞組與副邊繞組交替放置，增加原、副邊繞組的耦合以減小漏感，同時使得電流平均分佈，減小變壓器損耗。

現在插入技術的研究被分為兩個方面，即應用於變壓器的插入(正激電路)和應用於連接電感器的插入(反激電路)。因此，插入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。

應用於變壓器中的插入技術的主要優點如下：

1)使變壓器中磁性能量儲存的空間減少，導致漏感的減少；

2)使電流傳輸過程中在導體上理想分佈，導致交流阻抗的減少；

3)繞組間更好的耦合作用，導致更低的漏感。

為了説明插入技術的特徵，應用3種不同插入技術的結構，P代表初級繞組，s代表次級繞組。試驗顯示SPSP結構是最好的，因為初級和次級的繞組都是間隔插人的。在500 kHz時，3種結構的交流阻抗和漏感值，通過比較可以很容易地發現應用了插入技術的變壓器，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。

平面變壓器另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。一個高功率密度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一要求。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，影響電源的整體設計，而平面變壓器則不存在這一問題。

另外，對於多繞組的變壓器來説，繞組間保持很好的耦合非常重要。如果耦合不理想則漏感值增大，將會使得次級電壓的誤差增大。而平面變壓器因為具有很好的耦合，使得它成為最佳的選擇。

在不同的拓撲中，磁性元件的作用也是不同的。在正激變換器中的變壓器，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，在反激變換器中的“變壓器”並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初級繞組儲存能量，而在關閉的時候將能量傳送到次級繞組。因此，這種插入技術的優點同上面相比是不同的。應用於這種變壓器的插入技術的特點如下：

1)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，並且沒有電流補償；

2)電流的分佈並不理想，原因同上，因此交流阻抗也沒有減小；

3)插入使得繞組間產生較好的耦合，因此有比較小的漏感值。

平面變壓器的優點如上所述，同樣它也有缺點，其最主要的缺點就是設計的過程非常複雜，而且設計成本也非常高。

下面介紹一種標準的設計平面變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個標準的匝數模型的設計，使之能夠被使用於不同的平面變壓器中，從而使得設計過程大大簡化，費用大大降低。

在雙面PCB板的每一層都是由一到多匝的繞組組成的，而且所有的層都保持着一樣的物理特性：即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，它也可以被印製在PCB的雙面來降低交流阻抗。使用銅箔直接印製在PCB板上來替代傳統的導線，即使在許多需要很多匝數的開關電源中，變壓器依舊能保持一個很小的體積，這便大大減小了整機的體積。具體的設計步奏和注意事項請參閲文獻[3]。一個頂層的標準匝數設計的例子中，它使用的是罐形(RM)磁芯。

銅箔高度按照對應於最大開關頻率時的趨膚深度選取，這樣可以使銅箔的所有部分都成為電流通路，大大減少集膚效應的影響。因此，應該使每一種開關頻率對應於不同的銅箔高度。

為了比較平面變壓器和傳統變壓器，分別做了兩種變壓器的模型，一種使用平面結構並使用了插入技術，另一種使用銅線分別在初級和次級繞制而成。兩種變壓器都被運用於一個互補控制的半橋變換器中。兩個變壓器的參數如下：

初級 12匝：

次級兩個l匝的繞組(1：1中心抽頭)。

傳統變壓器使用漆包線作為繞組，雖然在這些線圈中電流密度不盡相同，選擇電流密度小於7.5A/mm。

平面變壓器初級繞組做成4層，有4個並列的次級。

兩種變壓器都使用了同樣的磁芯RM10，比較了兩種變壓器的漏感，交流阻抗和佔用的面積，結果列於表1。

由表1可知，平面變壓器的漏感僅為傳統變壓器的1/5，交流阻抗也僅為l/3，由此可見這將大大提高變換器的工作特性。而且，由於結構的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯。

平面變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的優點，並且因為體積的小巧使之成為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。可以預見，平面變壓器將有着相當好的應用前景。