導讀

"短 ,小 ,輕 ,薄"是當今開關電源發展的主要趨勢之一,其最主要的實現手段就是提高功率密度和采用低造型及體積和重量小的元器件.常規的變壓器在開關電源中暴露出諸多限制.由于變壓器涉及到的主要參數有電壓,電流,頻率,匝比 溫度,磁芯u值,漏感,損耗 ,外形,尺寸等,所以一直無法像其它電子元件那樣有現成的變壓器可供選用,常常要經過繁鎖的計算來選擇磁芯和繞組導線;而且制做方式對變壓器性能有很大的影響,加之變壓器的許多參數不易測量,給使用者帶來一定的盲目性,很難在頻率響應,漏感體積和散熱等方面達到滿意的效果.

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,從而成為實現開關電源"短,小,輕,薄" 的重要手段.

國外早已采用扁平狀導體可降低繞組集膚和臨近效應的損耗,且可以控制如漏電感等寄生參數的大小,尤其適用于空間或高度存在限制或對節能及散熱要求苛刻的環境.

而當前PCB變壓器的難點在于:1)尋找薄PCB絕緣基材和厚銅箔(大于70um)的PCB,要求每層PCB厚度小于0.4mm, 才能滿足繞組的多層(4-12層)低高度(2-3mm)要求.2)大電流時銅箔的發熱是否會引起銅箔與絕緣基材的分層.3)為保證產品的可靠性,多層PCB布板時1500VDC的絕緣距離如何設計等等問題.

本人結合所看過的書籍及一個實例,對平面變壓器的特性進行了全面而簡單的概述.分析并介紹了平面變壓器的幾種簡單的設計方案,及其運用策略.簡單概括了當今開關電源中平面變壓器的技術特性,原理及運用.綜合了目前同行在實際制作平面壓器過程及注意事項,介紹并簡要分析了目前平面變壓器的設計方法及PCB繞組設計.

1.平面變壓器的結構

平面變壓器沒有漆包線繞組,而是將扁平的連續銅質螺旋線刻蝕在印刷電路板上,然后疊放在磁芯上,其典型的結構如下圖:

高頻功率變換器適宜采用平面變壓器是由于平面變壓器有如下主要特性:

1)低造型,能量密度高,因而體積大為縮小;厚度遠小于常規變壓器,適用于表面貼裝方式組裝.

2)低損耗性,繞組由銅箔層構成,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.

3)低漏感,漏感一般均小于 0.2%(預估值),因此電磁干擾(EMI)輻射低,基本不受外界電磁干擾的影響.

由于采用PCB技術要比常規的變壓器更容易實現機械加工,故有利于提高變壓器繞組的一致性.另外,繞組的幾何形狀及其有關寄生特性限定在PCB制造公差之類(一般非常小).平面變壓器的另一個優點是提高了熱性能,由于其面積與體積常規的相比,平面鐵芯的熱阻較小.

平面變壓器的特性并不完全是優點. 平面變壓器一,二次側繞組之間的間距較小儲存磁能少,所以漏感也很小;但這樣使得一,二次側產生的寄生電容變大. 另外,PCB繞組的可重現化特性是以增大鐵芯繞線窗中絕緣材料的比例為代價,降低了銅填充系數,限制了線圈匝數.

2.高頻PCB繞組

很多國內外學者專家不斷對平面變壓器各種繞組結構進行分析并試圖發現新的最佳繞組結構,來優化PCB板上的線權布局,力求繞組總直流電阻較小.

國外有些文獻對采用實心圓導線,利玆線,PCB板和銅箔制成的各種繞組結構的500kHZ平面變壓器的性能進行了比較,得出PCB繞組的交流電阻比實心圓導線繞組低約10%-15%,比利玆線繞組高約15%, 但PCB繞組的漏電感均比實心導線和利玆線繞組低.因此平面變壓器大多采用PCB板做成的繞組.

典型的扁平式變壓器副邊繞組有若干個并聯的線圈,每一個副邊繞組都和同一個原邊繞組相耦合.所以,副邊繞組電流產生的安匝數和原邊繞組產生的安匝數相等(忽略勵磁電流).這種特性使繞組電流分配均等.

為提高平面變壓器的功率水平,二次側繞組大多采用并聯形式,以提高電流處理能力.但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,都會造成各并聯繞組層間不均流,從而給繞組帶來附件損耗,制約了平面變壓器在低 電壓大電流場合中的運用另外平面變壓器一,二次側繞組大多采用交織技術的繞組結構,削弱了臨近效應.其中IEEE成員有對各種繞組層交織方案進行了分析及仿真, 研究了并聯繞組額外損耗產生的原因,得出如下結論:

最優繞組設計不僅要充分考慮PCB板導體的厚度, 工作頻率及一,二次側繞組的相對安放位置,還要考慮并聯方式和絕緣厚度. 其中一種被推薦的繞組方式: 采用交叉結構(S-P-S-P),即初次級繞組層交替疊放:充分利用初,次級繞組的位置,將初級線圈放在次級線圈之間,其優點在于:

1)漏感小,因為儲存在變壓器窗口中的磁場能量小,損耗也就相應減少.

2)AC阻抗減小,因為變壓器窗口中的磁通密度B的分布更具有一致性,則繞組導體中的電流密度分布一致性更好.

3)繞組之間的耦合性增強.

平面PCB繞組的設計在封裝體積很小的情況下,電流密度可以做到 40A/mm*2 .

厚度及絕緣度:初,次級間隔電壓高達40000V,絕緣強度很高.

3.繞組制作

平面變壓器繞組的制作同樣可采用多種技術,例如有常規用的PCB板,柔性基印制板和銅箔.材質有: FR-4 , FR-1等.

采用常用PCB技術可使平面繞組具有高度可重現化特性,且制作簡單.但其缺點是窗口利用系數很低,通常為:0.25-0.3,這是因為導體間的間距為:150um.

繞組層間的較小絕緣厚度為:100um .

為了提高窗口利用系數,也可以用柔性基印制板或鍍銅的柔性基材料制作平面變壓器繞組.因其絕緣厚度只需:50um ,故可將多層柔性基印制板疊放沖壓成一 個類似常規PCB的剛性結構,制作成繞組就可提高窗口利用系數.另因其材質可以直接通過折疊完成,避免了層間的連線連接. 采用折疊銅箔技術制作的繞組可應用于大電流場合,且成本低 . 其主要缺陷 是需額外提供絕緣層.

一個變壓器模塊包含兩只鐵氧體磁芯.變壓器模塊由一付正方形鐵氧體磁芯組裝而成,兩只鐵氧體磁芯用環氧樹脂粘在一起.繞組再鑲入每個磁芯內部,粘接在磁芯內表面和輸出端的拐角處. 當繞組通過磁芯后,接下來旋轉180度,往回繞. 所以,每一繞組的"始端"和"末端"都在磁芯的對向角上.

在制作平面變壓器PCB繞組時還要注意各繞組層間以及PCB繞組與鐵芯之間的絕緣.PCB繞組層間的絕緣采用兩層聚酯膠片就已足夠.安規EN60950中規定PCB繞組層上導體與鐵芯中心柱和外柱之間的距離必須為400um;另外,PCB繞組層上的阻焊層作為PCB板與鐵芯之間的絕緣是不可靠的,可在鐵芯與PCB板之間添加薄片材料來加強鐵芯與PCB板之間的絕緣.

4. 鐵芯

平面變壓器鐵芯有很多種形狀,但最常用的是平面EE和EI型兩種.現在無論國內外的生產廠家都提供這兩款鐵芯.其它的還有RM,ER,PQ和罐型.但由于EE型鐵芯中心柱是矩形,使得線圈長度相對較長,因此會產生空間利用率及EMI問題;RM, ER,PQ等中心柱為圓形的鐵芯,其線圈長度向對較短,可改善屏蔽效果,但其有效繞線窗口面積比EE型鐵芯小,因此其線圈匝數受到限制.

在設計平面變壓器時,首先,應根據變壓器的設計指標確定鐵芯的允許

損耗密度Pcore:

上式中,參數Cm,X,Y,ct0,ct1和ct2可從廠家提供的產品手冊中查得,這些參數均為鐵氧體材料的特性參數;100℃時Ct的值為1;F為工作頻率(HZ);Bpeak為磁通密度峰峰值,單位:T; T為環境溫度,單位為:℃ .

然后,假設變壓器的總損耗的一半是鐵芯損耗,則變壓器較大的鐵芯損耗密度Pcore,鐵芯體積Ve及允許溫升△T之間的關系可表示為:

再根據結果便可查得適合的鐵芯.

接下來便可進行一,二次側繞組匝數和電流有效值的計算,檢驗平面變壓器的溫升是否在允許范圍內,進而優化繞組結構.注意,由于受高頻集膚和臨近效應的影響,導體的寬度最好小于兩倍集膚深度.如果繞線窗還能容納一定匝數的繞組,可采用并聯繞組層以減小繞組電阻,從而減小繞組損耗.

市面出售的平面變壓器鐵芯有帶夾槽和沒有帶夾槽的兩種.帶夾槽的鐵芯可以通過廠家提供的夾板來固定;無夾槽之鐵芯之間的固定采用樹脂粘合的方式. 采用帶夾槽鐵芯的變壓器適用于高溫升場合.相對比較牢固,如下圖a所示;無夾槽鐵芯制成的變壓器高度比帶夾槽的變壓器要低一些.設計時可以根據實際狀況來選擇.若選擇無夾槽鐵芯,需要注意樹脂最好不應粘在兩塊鐵芯的結合面,這樣