微型變壓器的現(xiàn)狀與發(fā)展 　　

1引言

隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子設(shè)備、信息設(shè)備的體積重量都在不斷地縮減。近年來(lái)，以移動(dòng)電話(huà)和筆記本電腦為主的各種便攜式裝置的需求量在成倍增長(zhǎng)，更加要求電子系統(tǒng)體積小、重量輕、具有可移動(dòng)性和能夠模塊化。在這些裝置中，電源部分是影響體積重量的主要因素。這是因?yàn)殡娫磧?nèi)部存在磁性元件，包括變壓器和電感器，由于要滿(mǎn)足一定功率容量的要求，不可能象電阻、電容那樣大幅度減小體積重量。但是電源技術(shù)也在不斷發(fā)展，工作頻率的大幅度提高使磁性元件的體積大為縮小，可以實(shí)現(xiàn)變壓器、電感器的微型化。近年來(lái)微型變壓器在計(jì)算機(jī)、通訊、航空航天領(lǐng)域大量出現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)了平面變壓器、集成變壓器，甚至是采用微制造工藝的芯片形式的微型變壓器。

2微型變壓器的特點(diǎn)和種類(lèi)

微型變壓器依然是利用電磁感應(yīng)原理把電能在兩個(gè)電路之間傳遞，其基本結(jié)構(gòu)與常規(guī)變壓器一樣，由磁芯和繞組構(gòu)成。微型變壓器和常規(guī)變壓器最主要的區(qū)別在于：磁芯的尺寸形狀；繞組的結(jié)構(gòu)。微型變壓器與常規(guī)變壓器相比，磁芯尺寸大幅度縮小，截面積與高度的比值更大。微型變壓器的繞組是由折疊式銅箔、印制電路板上的印制銅線(xiàn)條或直接沉積于磁性薄膜上的銅線(xiàn)條構(gòu)成。而傳統(tǒng)變壓器的繞組是用漆包線(xiàn)或多股絞合線(xiàn)繞制。微型變壓器具有功率密度高、效率高、漏感低、散熱性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

目前微型變壓器主要可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是以鐵氧體為磁芯，折疊銅箔或印制線(xiàn)路為繞組的平面變壓器；第二類(lèi)是采用濺射或化學(xué)沉積等微制造技術(shù)制作的薄膜變壓器；第三類(lèi)是其它類(lèi)型的微型變壓器，包括鐵氧體粉末制成的集成變壓器和非晶帶疊合成磁芯的參數(shù)振蕩變壓器等。

3鐵氧體平面變壓器

這是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的微型變壓器。采用高頻損耗低的平面鐵氧體磁芯，繞組采用印制銅線(xiàn)條的多層印制板或折疊銅箔代替漆包線(xiàn)及骨架。

SignalTransformer公司的平面變壓器具有此類(lèi)變壓器的典型特點(diǎn)[1]，如圖1所示。變壓器由精確的銅引線(xiàn)框或一個(gè)及幾個(gè)平面銅螺旋線(xiàn)，刻蝕在薄絕緣材料板上。螺旋線(xiàn)和引線(xiàn)框疊在扁平的高頻鐵氧體磁芯上形成變壓器磁路。磁芯材料用小直徑顆粒的樹(shù)脂膠合以降低損耗。螺旋線(xiàn)或引線(xiàn)框疊層內(nèi)的高溫絕緣體可確保繞組間的高度隔離。

這些平面變壓器用大約一半的尺寸和重量就能提供與常規(guī)變壓器相同的功率。在開(kāi)關(guān)頻率500kHz時(shí)效率可達(dá)97％。在高頻狀態(tài)下，由于集膚效應(yīng)，電流在圓柱形導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)沿著導(dǎo)線(xiàn)表面附近區(qū)域內(nèi)流動(dòng)，使銅導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有被有效地利用。在平面變壓器中，繞組實(shí)際上是4?oz（0.14mm）敷銅板上的扁平銅線(xiàn)條。在扁平銅線(xiàn)條中，雖然有集膚效應(yīng)，但電流是流過(guò)整個(gè)導(dǎo)

體截面的，導(dǎo)體利用率高，所以具有扁平繞組的平面變壓器與常規(guī)線(xiàn)繞變壓器相比，尺寸小，效率高。

Philips公司以其平面磁芯技術(shù)生產(chǎn)集成電感元件（IIC）系列[2]，利用小型單件模壓鐵氧體磁芯，磁芯上刻有0.75mm的細(xì)槽，用于將銅引線(xiàn)框架插入磁芯。引線(xiàn)框架上的10根引線(xiàn)，每根從磁芯上細(xì)槽的一端穿到另一端并彎折成標(biāo)準(zhǔn)的鷗翼形狀，構(gòu)成電感繞組的半匝。印制電路板上的銅連線(xiàn)則完成另外的半匝，如圖2所示。使電感元件也可以用高速自動(dòng)裝配機(jī)裝配。

上述公司制作的平面變壓器，印制線(xiàn)條不可能做得很厚，限制了繞組的最大電流，變壓器設(shè)計(jì)功率一般比較小。多用于開(kāi)關(guān)電源中的小功率變壓隔離器。

目前模塊電源中常用低壓大電流輸出，一般功率在100W以上。繞組匝數(shù)不多，要求通過(guò)的電流較大，往往在10A以上，因此要求繞組副邊銅導(dǎo)線(xiàn)截面積很大，一般采用銅箔作繞組。一種是圓環(huán)式，如圖3所示[3]。利用印制板工藝制作多層繞組，圖中所示的是匝數(shù)為6的繞組，實(shí)際上由三個(gè)雙面PCB組成，雙面板每一面上的線(xiàn)匝經(jīng)明孔或暗孔以串聯(lián)連接。每層導(dǎo)體都有向外伸出的連接片，相鄰的雙面板靠連接片上的焊孔相連。但是連接點(diǎn)不僅給制作帶來(lái)難度，同時(shí)也影響可靠性。

另一種新的折疊式繞組設(shè)計(jì)圖樣如圖4所示，虛線(xiàn)為折疊線(xiàn)。由于相鄰環(huán)形導(dǎo)體中心連線(xiàn)之間有一定的夾角α，每一環(huán)形導(dǎo)體所形成的匝數(shù)實(shí)際上只有（1－α/360），最大數(shù)值為5/6（α=60°）。這種方案使線(xiàn)圈匝數(shù)在磁芯窗口高度受到限制時(shí)比前一種方案應(yīng)用的更多，缺點(diǎn)是相鄰折疊線(xiàn)不平行，交錯(cuò)布置初級(jí)和次級(jí)繞組以減小漏感和高頻損耗不是很方便。

FlatTransformerTechnology公司在其變壓器和電感器中采用了一種獨(dú)特的磁芯配置結(jié)構(gòu)[4]，能在優(yōu)化磁性能的同時(shí)，縮小元件的物理尺寸。常規(guī)變壓器采用的方法是在單個(gè)磁芯上做上多匝繞組，F(xiàn)TT公司則是在多個(gè)磁芯上用單匝（或匝數(shù)很少）的初級(jí)繞組，如圖5所示，采用一種模塊式方案。一個(gè)FTI?12X2A?1B模塊采用兩個(gè)鐵氧體磁芯，同時(shí)有頂板、底板和一個(gè)延伸部分，以便連接整流器，如圖6所示。次級(jí)繞組是粘接到矩形鐵氧體磁芯內(nèi)表面的一對(duì)銅片，沿著180°的螺旋式通路繞成。每個(gè)磁芯相對(duì)的各端就是同一繞組的各端，熱傳遞只在鐵氧體磁芯的薄壁進(jìn)行。初級(jí)繞組不

圖1采用印制板的平面變壓器

圖2Philips公司集成電感元件

圖3圓環(huán)式繞組圖

4新型折疊式繞組

圖5常規(guī)變壓器與FTT變壓器的原理比較

(a)常規(guī)變壓器(b)FTT變壓器

圖6FFT變壓器結(jié)構(gòu)

圖7非晶態(tài)磁性薄膜電感器

圖8離子束濺射法制作的變壓器

用模塊設(shè)計(jì)，而是由用戶(hù)自己決定其導(dǎo)線(xiàn)數(shù)量。根據(jù)對(duì)電源設(shè)計(jì)的要求，可以組合任何數(shù)量的模塊，并調(diào)整初級(jí)繞組的繞線(xiàn)數(shù)量以求得預(yù)期的匝數(shù)比和電流量。這種配置可以得到很高的功率密度，輸出電流很大，達(dá)到30A/模塊。每個(gè)模塊的功率可達(dá)100～120W。

4采用微制造技術(shù)的薄膜變壓器

在各類(lèi)微型變壓器中，采用真空濺射、化學(xué)沉積等方法制成的變壓器，體積最小，只有幾個(gè)毫米見(jiàn)方，1～2毫米厚，使變壓器達(dá)到了IC水平，是真正的平面變壓器。這類(lèi)磁性元件的研究在日本和美國(guó)已經(jīng)取得了很大成果，近年來(lái)發(fā)表了許多關(guān)于其性能及各種應(yīng)用的報(bào)道。

日本有人研制了FeCoBC非晶態(tài)磁性薄膜電感器，如圖7所示[5]。這是一種通過(guò)絕緣膜將串聯(lián)且相互反繞的長(zhǎng)方形螺旋線(xiàn)圈的上下兩面與軟磁性薄膜疊合的平面多層結(jié)構(gòu)。在硅基板上采用燒結(jié)體靶的直流磁控濺射方法形成FeCoBC磁性薄膜，再通過(guò)鋁氮化反應(yīng)，形成AlNx絕緣膜和FeCoBC膜相疊合的多層磁性薄膜。銅線(xiàn)圈采用H2SO4/CuSO4和添加劑為電鍍液通過(guò)電解電鍍法形成。下磁性薄膜與上磁性薄膜的絕緣是硅氮化反應(yīng)性直流磁控濺射方法形成的一層5μm的SiNx薄膜。線(xiàn)圈間隙及與上磁性薄膜的絕緣物充填通過(guò)聚酰亞胺旋轉(zhuǎn)涂敷/焙烘的方法完成。

這種電感器在兆周級(jí)頻率上，安裝在幾瓦級(jí)輸出的變換器上，性能十分良好。與其配置的電源厚度為2mm，體積為0.5cc，最大輸出功率為3W，1.5W輸出時(shí)的效率約為80％。

以上是利用磁控濺射法制作的電感器，日本還有人研制了離子束濺射法制作的變壓器[6]。這種集成式微型開(kāi)關(guān)變壓器應(yīng)用干法技術(shù)在基片上直接制成，如圖8所示。基片是含有10μm厚的SiO2層的2英寸硅片，然后用離子束濺射法沉積CoZrRe，再用氬離子束蝕刻出磁層。再用離子束濺射法連續(xù)沉積Cu和Ta。利用Ta作掩膜用氮離子束刻蝕Cu圖形。然后采用偏壓濺射沉積一層表面平整的中間絕緣膜，上下層Cu圖形的連接孔用離子束刻蝕形成。

制成的變壓器厚度約0.3mm，面積約（3×4）mm2。變壓器線(xiàn)圈能產(chǎn)生33nH/mm2的電感。這種平面微型變壓器適用于5MHz～40MHz高頻范圍工作的開(kāi)關(guān)變換器。但由于此變壓器的磁感低，故變換器效率也低。為獲得較高的效率，則要求微型變壓器具有較高的磁感。

JaeYeongPark等人利用低溫電鍍法制造了集成磁性器件[7]，在微制造領(lǐng)域取得了更有價(jià)值的成果。微制造技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)電感器和變壓器與多芯片封裝的一體化，可以將磁性元件和芯片、傳感器及其它元件緊密集成。所有工序都在低溫下進(jìn)行。在硅晶片上用電子束蒸鍍法沉積一層由200A鉻、1500A銅和400A鉻組成的網(wǎng)狀導(dǎo)引層。電鍍下層導(dǎo)體后在導(dǎo)引層上沉積一層15μm厚的抗光層，形成12mm×4mm的形模。然后用電鍍法沉積磁性材料，形成的磁芯有兩種：permalloy（80％鎳?20％鐵）和orthonol（50％鎳?50％鐵）。再電鍍上下層導(dǎo)體的連接部分和上層導(dǎo)體，最后去掉聚酰亞胺和網(wǎng)狀導(dǎo)引層。

圖9電感器顯微照片

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制成的電感器和變壓器的顯微照片如圖9及圖10所示。由于不同的鐵心性能，尺寸為4mm×1.0mm×0.13mm和30匝多層銅線(xiàn)圈（40μm厚）的集成permalloy和orthonol鐵心（15μm厚）電感表現(xiàn)出不同性能。Permalloy鐵心電感比orthonol鐵心電感有略高的電感量，但直流飽和電流低很多。文獻(xiàn)中還比較了在鐵心中設(shè)置一個(gè)氣隙的效果。對(duì)于4mm×4mm×0.145mm和156匝多層電鍍銅線(xiàn)圈（40μm厚）和電鍍permalloy磁芯（35μm厚）制成的電感器，沒(méi)有氣隙的電感量稍高（大約1.5μH），但是有氣隙電感的飽和電流高得多（180mA～250mA）。這些器件的飽和電流容量大（穩(wěn)態(tài)直流達(dá)到3A），適合于小功率變換。

圖13? 參數(shù)振蕩平面變壓器

目前這類(lèi)微型變壓器的功率不高，一般不到10W，實(shí)用性不大。但其尺寸的超小型和制造技術(shù)的先進(jìn)性決定了這類(lèi)變壓器有廣闊的應(yīng)用前景，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，采用微制造技術(shù)的變壓器將成為微型變壓器的發(fā)展趨勢(shì)。

5鐵氧體粉末和非晶集成變壓器

除了上述兩種微型變壓器，另一類(lèi)是利用先進(jìn)的微粉技術(shù)、線(xiàn)圈制版技術(shù)、加入聚合物粘結(jié)劑的鐵氧體的絲網(wǎng)印刷技術(shù)制成的集成變壓器和電感器[8]。用于磁芯的磁性復(fù)合材料由Ni?Zn或Mn?Zn鐵氧體磁粉顆粒與高分子聚合物組成，混合好的鐵氧體復(fù)合材料用絲網(wǎng)印刷在基片上。在此復(fù)合材料上面電子濺射蒸發(fā)上電極導(dǎo)線(xiàn)的銅，再刻蝕導(dǎo)線(xiàn)圖形，然后再絲網(wǎng)印刷一層鐵氧體復(fù)合劑。另一種工藝是先做出雙層螺旋線(xiàn)圈，再在中心處用絲網(wǎng)印刷填入鐵氧體復(fù)合材料。如圖11及圖12所示。復(fù)合材料的電導(dǎo)率很低，適合作高頻磁性器件，渦流損耗可被忽略。

另有一種利用非晶帶材制作的參數(shù)振蕩變壓器[9]。由非晶態(tài)磁性材料用電火花切割。將5片疊裝組成7mm×5mm變壓器，線(xiàn)圈用聚酯漆包線(xiàn)繞制，如圖13所示。這種參數(shù)振蕩平面變壓器具有優(yōu)良的穩(wěn)壓特性、過(guò)載保護(hù)功能和噪聲濾波性能。該變壓器在激磁頻率為500kHz時(shí)，電壓調(diào)整率為0.94％，表現(xiàn)出較高的水平。但目前該變壓器的輸出功率小，效率較低。

6結(jié)語(yǔ)

微型變壓器的發(fā)展是當(dāng)今電子、信息技術(shù)的需求，變壓器的微型化是變壓器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。就目前來(lái)看，以鐵氧體為磁芯的平面變壓器體積小，功率密度大，是微型變壓器的主流。以微制造技術(shù)制作的微型變壓器正處于研制階段，還不能在實(shí)際中推廣應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，鐵氧體平面變壓器仍將在較大功率的模塊電源中發(fā)揮主要作用，而微制造變壓器將在功率電子領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。