變壓器設計與DC/DC轉換器技術同步發展

近年來,從事于dc/dc轉換器的設計和制造公司都承受著巨大的競爭壓力,因為市場需求不斷朝著更小體積、更高功率密度和更高效率的產品發展。無論從成本、體積還是性能來講,變壓器都是dc/dc轉換器設計中的一個關鍵器件,對dc/dc轉換器的整體性能有著舉足輕重的作用。雖然傳統的繞線型變壓器仍在許多較大波形因數電源中使用,但近年來幾種變壓器新技術的涌現為dc/dc轉化器設計帶來了顯著效益,平面變壓器就是一例。

獨立式和嵌入式平面變壓器

獨立式平面變壓器是利用平面銅引線框架或蝕刻/印制的銅線為繞組而構成,比傳統的在支架上繞銅線的變壓器占用的空間要小很多。較之線繞變壓器,精密的銅引線框架或印制繞組能更精確地符合設計規格要求,器件間的重復性水平也得到提高。 被蝕刻/印制的銅引線框架或印制繞組堆疊在平面中,與高頻鐵氧體磁芯構成變壓器的磁路,為一種低剖面的變壓器組件設計方案。在平面設計中,可獲得較大的銅導體橫截面積,更容易實現高功率密度和高電流設計。平面繞組和鐵氧體的高表面容量比,為產品提供了良好散熱功能。

線繞型變壓器在高頻工作時,受到“趨膚效應”的影響,當高頻電流通過圓柱形導體時,迫使電子由中部流向邊緣集中在銅線表面,從而減少了導體橫截面積流過的電流。而平面變壓器在高頻工作時則沒有此類情況發生,使變壓器的效率大大提高。 從制造和裝配的角度來看,平面變壓器也優于線繞變壓器。線繞變壓器通常要求手工操作來剝去繞線端的涂料,然后蘸錫或手工焊錫。平面變壓器的壓制或蝕刻的銅片引出端,通常能形成表面貼裝終端,提高了裝配速度,降低了成本。與嵌入平面變壓器結合在一起此優點將更為突出：鐵氧體從dc/dc轉換器pcb上穿過,而且繞組呈螺旋狀一層層地繞在印制電路板上。 盡管與嵌入式設計相比,獨立式平面變壓器占用較多的空間,但獨立式平面變壓器在近年來卻越來越受到設計人員的青睞。全嵌入式變壓器利用dc/dc轉換器的電路板作為繞線,每一組輸入/輸出電壓都需要設計不同的電路板。而且,對于嵌入式平面設計,蝕刻線圈需要使用多層電路板,總體成本較高。一些混合設計普遍利用主pcb作為初級繞線,然后用分離的小pcb作為次級來產生不同的輸出電壓。

雖然嵌入式設計具有高功率密度、良好的熱性能以及占用空間少等優勢,但是由于其在成本、設計靈活性、可互換性方面的限制,嵌入式設計并沒有獲得廣泛應用。若生產批量較大,則可在一定程度上降低嵌入式設計的高昂成本。

抽頭繞線設計

c&d technologies公司開發出一種 “交錯”或“抽頭繞線變壓器”技術,并在公司的wpa60雙輸出1/4磚dc/dc轉換器上應用。相對于標準的平面變壓器,這種變壓器可提供更高的效率。
此設計交錯了初級和次級繞線,以減少不必要的漏電感。高漏電感將會引起不完整的耦合、損耗和瞬態電壓等缺陷 。一個直接的“初級 - 次級 - 初級”或“次級 - 初級 - 次級”的“三明治”式結構可減少漏電感。

盡管抽頭次級（或主級）變壓器具有顯著的優點,但仍有一些重要因素需要考慮。例如,因為有較多端子,初級和次級電路的隔離將會更加復雜。而且,設計中需要的初級和次級之間的emi 屏蔽物也會增多。

其他變壓器設計

現有變壓器的設計都是基于磁性技術的。聲耦技術的大規模使用,將會使未來的變壓器更加小巧。目前,在一些低功率高電壓輸出的dc/dc轉換器設計中,已經在一定程度上采用了聲耦技術。聲耦變壓器利用壓電材料的特性,通過一個振動結構來耦合電能。在聲耦變壓器中,一個轉換器激發一種壓電材料的共振模式,然后被第二個次級轉換器截取并轉換為次級電壓。 此外,還有一些其他變壓器新技術,如使用極高工作頻率產生有效的空氣耦合進而取消鐵氧體;將變壓器和其他磁性器件（如輸出扼流圈）結合到電路中,來減少dc/dc設計的總波形因數;新磁芯材料的發展可實現低損耗高頻工作,有助于為既定的電源提供更小的變壓器。

小結

線繞變壓器已逐漸不能滿足諸如dc/dc轉換器的應用需求,受到體積大、效率低等很多不足之處的限制,使線繞變壓器正在快速地被新興產品所取代。嵌入式和獨立式平面變壓器有各有所長,實際應用中可根據具體要求選取。抽頭次級（或主級）變壓器是一個創新,提供了一些優于傳統設計的方案。未來,從磁性變壓器到聲學變壓器的發展,將會引發出更多更廣的新產品,為dc/dc轉換器設計者的提供更加豐富的選擇。