來源：納芯微電子

摘要

本應用筆記基于NSIP3266全橋驅動芯片，提出了一套完整的平面變壓器設計方法，該方法創新性地改進了傳統AP法，突出平面變壓器磁芯窗口橫向寬度的核心地位，通過15V轉24V/4W/200kHz的隔離電源實例，全面展示了從磁芯選型、參數計算到PCB設計與仿真驗證的全流程。

實測結果表明，該方案在實現81.4%滿載效率、±5%負載調整率的優異電氣性能的同時，其全橋拓撲的對稱驅動特性有效抑制了直流偏磁，并且對平面變壓器批量生產中存在的工藝偏差展現出強容錯性，最終溫升僅30℃。

該方案充分發揮了平面變壓器的高頻、低剖面優勢，與NSIP3266的寬頻調節（100kHz-1MHz）能力深度協同，為新能源汽車、工業驅動等高端領域的高功率密度、高可靠性電源應用提供了經過充分驗證的技術路徑。

1. NSIP3266的隔離電源應用實例

1.1 NSIP3266的優勢

在電源系統設計中，選擇合適的拓撲結構是決定系統性能、成本和可靠性的關鍵環節。當工程師面臨高頻、高功率密度應用需求時，往往需要在多種技術路徑中做出權衡。不同拓撲結構的優劣勢對比如表1.1所示，NSIP3266采用的全橋拓撲具有顯著優勢。

表1.1 不同拓撲的優劣勢

NSIP3266采用全橋拓撲架構，與平面變壓器結合構成了一個在電氣性能、熱管理和量產魯棒性上均表現優異的系統級解決方案。

其核心優勢在于，全橋的對稱電壓驅動能有效抑制直流偏磁，天然適配平面變壓器易實現的低漏感與良好對稱性，從而在根源上優化EMI性能與磁芯利用率。支持100kHz-1MHz的寬頻調節能力，使得設計可與平面變壓器特定的層疊結構與寄生參數（如低分布電容）深度協同，實現高頻下的高效率與高功率密度。

此外，該拓撲對變壓器參數（如匝比、漏感）的敏感性較低，賦予了方案強大的工藝容差能力，能顯著吸收平面變壓器在批量生產中難以避免的PCB層壓、對位及繞組一致性等微小偏差，從而在確保高性能的同時，大幅提升了量產良率與長期可靠性。

因此，該方案特別適用于對效率、功率密度、EMC及可靠性有嚴苛要求的新能源汽車、工業驅動等高端領域。

1.2 隔離電源拓撲結構

NSIP3266廣泛應用于IGBT、Si MOS、SiC MOS等開關管的驅動供電場景。本設計采用15V轉24V的隔離電源方案，24V輸出通過LDO轉換為正負電壓，確保開關管的穩定導通與關斷。

該設計方案中，變壓器原邊由NSIP3266驅動，副邊采用無源半橋整流結構。這種拓撲能在相同輸入輸出條件下，有效減少副邊線圈匝數，優化平面變壓器的設計空間。

圖1.2 實例拓撲結構

1.3 隔離電源設計參數

本設計的關鍵電氣參數如下表所示，這些參數為后續的變壓器設計提供了明確的目標和約束條件。

表1.2 設計參數

2.平面變壓器磁芯選型與參數計算

2.1.平面變壓器匝比近似計算

計算變壓器匝比，首先需要確認滿載時變壓器原邊電壓Vp與副邊電壓Vs，以保證在滿載條件下也能輸出目標電壓24V。變壓器原邊電壓主要考慮NSIP3266內部MOS壓降，上下管的總導通阻抗Rdson最大約1.8Ω。

計算額定工況下的平均輸入電流Iin，

上下管總壓Vds_all降近似為

輸入電壓15V，變壓器原邊電壓近似為

變壓器副邊電壓主要考慮副邊整流管二極管壓降，二極管選型要基于實際應用情況，如果更注重整體效率，需選擇正向導通壓降小的二極管，比如肖特基二極管MBRS140T3G；如果更注重負載調整率，要選擇結電容較小二極管，以防止輕載下二極管結電容和漏感諧振導致輸出電壓較高，比如快恢復二極管S1A。此處以MBRS140T3G為例，二極管最大壓降VPN為0.6V，變壓器副邊電壓近
似為

因此，變壓器原副邊匝比n近似為

2.2.平面變壓器磁芯選型方法

通常變壓器磁芯選型使用AP法?面積乘積法，主要涉及到磁芯的兩個參數，分別為磁芯有效截面積Ae和窗口面積Wa。如圖2.1所示，Ae=C x E（mm2），Wa = D x 2F（mm2）。

圖2.1 U型磁芯示意圖

變壓器的功率處理能力和面積積Ap的關系可以推導如下，以公制單位表示法拉第定律為

式中，Kf= 4.0，對方波；Kf= 4.44，對正弦波；N為線圈匝數；Bm為磁芯最大磁密。當變壓器的繞組窗口面積被完全利用時

式中，Ku為窗口利用率；Np為變壓器原邊匝數；Awp為原邊繞線截面積；Ns
為變壓器副邊匝數；Aws為副邊繞線截面積。導線截面積可表示為：

式中，J為導線電流密度；Ip≈ Iin為變壓器原邊電流有效值；I s為變壓器副邊電流有效值，由于副邊為半橋整流，I s≈ 2Iout。將式(6)、(8)帶入到式(7)中，

因此，可以得出：

但在平面變壓器中，線圈是繞在PCB中，磁芯窗口的垂直方向2F利用率很低，主要受PCB層數和板厚的限值，且磁芯垂直方向一般可靈活調整。因此，在平面變壓器磁芯的選型中，窗口面積Wa主要關注橫向長度D，其決定了能夠畫多少圈線圈。

針對平面變壓器的特點，提出改進的AP法計算公式，重點關注磁芯橫向寬度D這一關鍵參數，它直接決定了PCB布線的可行性。

式中，Kd為橫向長度利用率，通常為0.5左右；Wp和Ws分別為原副邊走線寬度，單位為mm；Nlp和Nls分別為原副邊線圈布線層數。上式中取最大值，是因為在平面變壓器中，原副邊線圈一般為疊放，磁芯窗口的橫向寬度要保證能夠滿足最大寬度的布線要求。

重新定義調整后的AP法，

其中，原副邊的線寬可通過如下公式計算，

式中，K為修正系數，一般銅線在內層時取 0.024，在外層時取 0.048；?T為允許的PCB溫升；Wcu和Hcu分別為走線寬度和厚度，單位為mil。

2.3.實例磁芯選型

該案例的平面變壓器，PCB為六層板，中間四層走線，原副邊各走兩層，頂層和底層做絕緣，鋪銅厚度為1oz，PCB允許溫升為10℃，選擇MnZn鐵氧體，一般最大磁密Bm設計為0.25T。

將原副邊電流帶入式(13)，為了有足夠的裕量，電流取實際電流的2倍，可計算得

實際原副邊線圈寬度取值分別為

將式(15)帶入到式(12)中，可得

基于上述計算，選擇的U型磁芯參數如下，

表2.1 U型磁芯參數

2.4.平面變壓器參數計算

根據式(6)可以確認變壓器匝數，式中Bm = 0.25T，V = Vp ≈ 14.4V，f=200kHz，計算得原邊最小匝數，

原邊匝數向上取整，Np = 8，基于匝比計算副邊匝數，Ns= 7。計算實際變壓器磁芯磁通密度峰值，

基于選定的磁芯和磁芯粘合后的等效氣隙lg可以近似計算出等效磁導率μe和每匝線圈的電感值AL，一般磁芯粘合會選擇摻有磁粉的膠水，并研磨，等效氣隙lg較小，約為5μm，

計算原副邊電感值，

勵磁電流變化量?Im 和峰值Impeak 計算，

原邊阻抗近似計算，

式中，Kac為交流阻抗校正系數，取值1.5；l w為平均等效周長，近似為2(E+D+C+D)，實際長度取決于布線方式。

3.平面變壓器設計與仿真

3.1.PCB設計

基于上述磁芯選型與參數計算，平面變壓器進行如下設計：PCB使用6層板，銅厚1oz，總厚度約1.6mm，中間四層走線，原邊在4、5層，每層4匝線圈，線寬為20mil，銅厚1oz；副邊在2、3層，2層4匝，3層3匝，線寬為20mil。層間線間距設計為8mil，原副邊線圈距離磁芯大于0.6mm
（需基于實際耐壓需求設計，不同板材耐壓值不同）。為了節約陳本，不使用盲孔設計，原副邊通孔到相對應線圈距離3mm以上（需基于實際耐壓與爬電需求設計，不同板材耐壓值不同）。實際繪制變壓器的PCB如圖3.1。

圖3.1 平面變壓器PCB設計圖

3.2.平面變壓器仿真

根據平面變壓器的PCB設計，在仿真軟件中仿真變壓器的電氣參數，仿真模型如圖3.2所示，其中棕色實體為磁芯，淺綠色透明體為FR4板材，材料參數基于實際選型確認，最終仿真參數見表3.1。

圖3.2 平面變壓器仿真模型

表3.1 平面變壓器參數對比

4.Demo測試結果

4.1.負載調整率和效率測試

Demo的負載調整率和效率測試結果如圖4.1，由于是開環設計，隨著負載的增加，輸出電壓有所下降，輸出功率從滿載的10%增加到90%，輸出電壓下降約2V，負載調整率小于±5%；滿載效率81.4%，滿足目標要求。

圖4.1 負載調整率和效率測試結果

4.2.電性能測試

空載和滿載的啟機波形如圖4.2所示，輸入電容為兩個10μF和一個0.1μF并聯，輸出電容為一個10μF和一個0.1μF并聯。啟機會有個軟啟動階段，該階段內電流最大值被限制在600mA左右，以防止啟機有較大的電流沖擊。

圖4.2 啟機波形測試結果

空載和滿載的輸入輸出紋波如圖4.3所示，輸入端電壓紋波都比較小，30mV左右；輸出電壓紋波在滿載時相對較大，約87mV，在輸出電壓的0.5%以內。

4.3.平面變壓器的電壓和電流波形測試

分別測試了空載和滿載時的變壓器電壓和電流波形，如圖4.4所示。空載時，變壓器電流主要為勵磁電流，勵磁電流變化量約為575mA，未發生磁飽和現象；滿載時，未觀察到有磁偏現象，電壓和電流波形都很對稱。

圖4.3 輸入輸出紋波測試波形

圖4.4 空載和滿載時的變壓器電流波形

4.4.平面變壓器溫升測試

常溫25℃下，滿載運行30min，測量變壓器溫度，如圖4.5所示，其中平面變壓器溫度最高，溫度升高約30℃，NSIP3266的溫升低于平面變壓器。

圖4.5 平面變壓器溫度測試

5.總結

本文僅提供一種平面變壓器的磁芯選型方式和參數近似計算方法，及供參考，實際應用中要基于實際情況進行調整與多次迭代，最終確認磁芯選型和變壓器設計，主要考慮一下方向：

1.平面變壓器的絕緣設計必須優先考慮安規要求，原副邊線圈間距、過孔間距以及線圈與磁芯間距都需要基于實際采用的PCB板材耐壓等級進行精確計算。

2.磁芯窗口橫向長度D的實際利用率Kd存在較大波動范圍，設計時需要預留充足的安全裕度。此外，還需綜合考慮層間介質厚度、阻焊層厚度等三維絕緣因素，確保在任何工作條件下都能滿足絕緣耐壓要求；

3.勵磁電流的設計需要根據應用功率等級采取差異化策略。在大功率應用中，勵磁電流應嚴格控制在額定電流的20%以內，以保證系統工作效率。而對于小功率電源如本文的4W案例，重點在于防止磁芯飽和，對勵磁電流的限制可以適當放寬；

4.高頻工作時的集膚效應和鄰近效應需要特別關注，通過合理選擇線寬和厚度來降低高頻渦流損耗。設計過程應該是一個參數迭代優化的過程，通過仿真-實測-調整的循環逐步完善變壓器參數。

納芯微電子（簡稱納芯微，科創板股票代碼：688052；香港聯交所股票代碼：02676.HK）是高性能高可靠性模擬及混合信號芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業、信息通訊及消費電子等領域提供豐富的半導體產品及解決方案。

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