平面变压器

变压器

平面变压器是一种具有高频，低造型，高度很小而工作频率很高等特点的变压器。

变压器介绍

平面磁芯开发成功，可实现平面化的变压器设计。由于平面变压器要求磁芯、绕组是平面结构，所以应该采用多层PCB绕组。现在，已有许多公司开发出了平面变压器，Pulse公司开发出了平面磁性元件，以色列佩顿公司 Payton已开发了Planetics平面变压器，功率由5W到20KW、频率自20KHz到2MHz，效率通常可达98%，是电信、电焊机、计算机和外设、网络、医疗电子、工业控制、安全系统和电子设备的理想选择。

平面变压器的特点是高频，低造型，高度很小而工作频率很高。

变压器是电源中的一个关键元件。传统的变压器通常由铁氧体磁芯及铜线圈构成，体积庞大而且容易产生电磁干扰。平面变压器（Planar Transformer）可有效地解决体积及高频问题。

平面变压器与传统的变压器相比最大的区别在于铁芯及线圈绕组。平面变压器采用小尺寸的E型、RM型或环型铁氧体磁芯，通常是由高频功率铁氧体材料制成，在高频下有较低的磁芯损耗；绕组采用多层印刷电路板迭绕而成，绕组或铜片迭在平面的高频铁芯上构成变压器的磁回路。这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容，可满足谐振电路的设计要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射频干扰。

分类

平面变压器的分类：平面变压器按设计制作工艺的不同，可分为印刷电路(PCB)型，厚膜型、薄膜型、亚微米型 4 种。

优势

平面变压器与常规变压器相比，磁芯尺寸大幅度缩小，特别是高度缩小最大。这一特色对电源设备中在空间受到严格限制的场合下具有相当大的吸引力，从而可成为许多电源设备中首选的磁性元件。平面变压器结构上的优势，也为它的电气特性带来了许多优点：功率密度高，效率高，漏感低，散热性好，成本低等。

变压器类型

印刷电路 PCB(printed circuit board)型变压器可省去绕组骨架，能增大散热面积，能减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗，也能增大电流密度，其电流密度最高可达 20A/mm，功率大，工艺简单。但用 PCB，窗口利用率低，仅为0.25~0.3，传统变压器的窗口利用率为 0.4，其体积也较大。PCB 型变压器其功率可高达 20kW ，频率可达兆赫数量级。采用 pulse 的平面技术，多层 PCB 夹在磁芯之间，薄型高效铁氧体平面变压器，其底部面积小，高度只有7.4mm，工作频率为 150~750kHz，工作温度为-400~1300。

厚膜

厚膜变压器是为了克服薄膜变压器中导体电阻大的缺陷而提出的。以氧化铝作基体，采用厚膜工艺，在其上、下表面各印制了初级和次级绕组，用铁氧体制作的平面变压器在 2MHz，输出功率为 75W 时，效率达 85%。厚膜工艺制造出的平面变压器效率一般较低，因此寻求更进一步的工艺技术以完善平面变压器制造的厚膜工艺是实现平面变压器高频集成化的关键。

薄膜型

薄膜型变压器是一种用磁性薄膜研制的叠层微型变压器，采用薄膜后高度低于 1mm，工作频率超过 1MHz，其体积小，易于集成，但只适用于小功率情况。它们绝大多数采用金属磁性材料，如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金。主要是因为它们有高 BS 和高磁导率。Tsuijimotl 等人用带式(铜厚 35μm，长 34mm，宽 3mm)加以绝缘膜(厚 100μm)，非晶 CoNbZr 膜(1.8μm)构成一种能在高频下输出电压可控的薄膜变压器——针孔型变压器，还制成了厚度为 210μm的片式变压器。它是采用两层 10μm 厚的 CoZr 非晶薄膜做成的，用于 5V、0.3A、1MHz 的开关电源，77.5% 铁氧体材料(以 MnZn系为主)也可以制成薄膜型变压器，但用常规的方法很难制出合适的微型磁膜，故需开发新的成膜技术。目前国外主要采用 PVD、CVD 等沉积技术配合化学蚀刻，激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术。Yamaguchi K 等设计制作的微型变压器，其面积只有2.4mm×3.1mm，在 10MHz 时效率可达 67%。

亚微米型

亚微米变压器是利用化学法合成，采用低温(900℃)烧结的 NiCuZn 铁氧体为介质材料，以 Ag 为内电极，用流延和丝网印刷技术的方法制备而成的，其体积小、质量轻、易于集成、工艺简单。两种片式亚微米型变压器，外形尺寸分别为 2.1cm×2.1cm×1mm和 8mm×8mm×1mm，设计变压比分别为 6 和 4，工作频率为1~10MHz。亚微米型平面变压器结构新颖，改变了传统变压器的结构特征，将变压器原边和副边绕组采用丝网印刷技术烧制在铁氧体材料中，外型类似表贴的集成电路器件。对亚微米型平面变压器的电气性能测试表明：①空载情况下，变压比先随着输入电压的增加而增大，而后随着输入电压的增加而减小，范围内达到最大值。另外，变压比随着输入信号频率的增加而增大。②在一定输入频率和电压情况下，输出功率随负载的增大先升高再降低，存在一个输出功率最大的负载电阻值。③在一定输入电压和输出负载的情况下，随着输入电压频率的增加，变压器的变压比逐渐增大，当输入电压频率高于某一临界值后，变压比基本保持不变。波形畸变程度随着输入电压频率的增加而减小。④在一个固定输入频率下，存在一个饱和负载电阻值，当负载电阻值小于饱和负载电阻值时，则变压器的输出电压随负载增大而增大，但当负载电阻值大于饱和负载电阻值时，输出电压的变化很小或基本保持不变。随着频率的升高饱和负载电阻值逐渐增大。在负载电阻值等于饱和负载电阻值时，变压器的变压比基本不随输入电压的变化而变化，但随着输入电压的升高，输入输出电压的波形畸变程度增强。

主要特点

（1）高电流密度。平面变压器的导线实际上是一些平面的导体，因而电流密度大。

（2）高效率。效率可达98%～99%。

（3）低漏感。约为初级电感的 0.2% 。

（4）热传导好。热通道距离短，温升低。

（5）低EMI辐射。良好的磁芯屏蔽可使辐射降到很低。

（6）体积小。采用了小型磁芯可相应减小体积。

（7）参数可重复性好。因为绕组结构固定、容易预先加工，所以参数稳定。

（8）工作频率范围宽。频率可从50　kHz～ 2　MHz。

（9）工作温度范围宽。工作温度为 -40　℃～ 130　℃。

（10）绝缘性好。平面变压器由导电电路与绝缘片互相重叠构成，从而保证绕组之间、初— 次级及次—次级间可达4 kV绝缘隔离。

电源中的运用

(1)除了合理布局和控制电路采用了表面贴工艺来节省空间外，还采取了更有效的措施来避免传统体积较大的高频功率变压器占用有限的空间。

(2) 工作环境温度高。相对于其它整流模块 -25　℃ ～ +50　℃ 的工作环境，

该模块能工作在 -25　℃ ～ +70　℃ 的环境中，以满足一些恶劣条件的需求。因此，正常工作时，模块内部温升会更加高，要求变压器能承受高温。

(3) 该模块的EMI、杂音等指标要求高。要求有切实的措施来改进这些方面。

(4) 模块体积小，效率高，间接要求模块的热损耗小。

鉴于以上的几点要求，结合平面变压器的优点，在变压器设计方案中优先考虑采用平面变压器。在结构体积很小的情况下，平面变压器的电流密度高，漏抗小，非常适合低电压大电流的开关电源。应该注意的是，由于常规变压器都是将圆柱形导线缠绕在铁氧体磁芯上，高频电流集中在导线表面的附近（趋肤效应），会降低有效传导性能。而在平面型变压器里，其“绕组”是做在敷铜印制电路板上的扁平传导导线。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗。因此，能最有效地利用铜导体的表面导电性能，效率要比传统的高。

技术优势

摘要：

高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势，要做到这一点，必须提高磁元件的功率密度平面变压器因为特殊的平面结构和绕组的紧密耦合，使得高频寄生参数大大降低，极大地改进了开关电源的工作状态，因此近年来得到了广泛的使用研究了几种不同的平面结构和绕组制作的方式,介绍了设计平面变压器的一个标准方法，从而使得设计过程变得更加简单，大大降低了设计成本。最后，比较了平面变压器和传统变压器的一些参数，并给出了设计方针.

关键词：平面变压器；漏感；插入技术

引言

磁性元件的设计是开关电源的重要部分，因为平面变压器在提高开关电源的特性方面有着很大的优势，因此近年来得到了广泛的应用。对于一个理想的变压器来说，初级线圈所产生的磁通都穿过次级线圈，即没有漏磁通。而对普通变压器来说，初级线圈所产生的磁通并非都穿过次级线圈，于是就产生了漏感，电磁耦合的紧密要求也无法满足。而平面变压器只有一匝网状次级绕组，这一匝绕组也不同于传统的漆包线，而是一片铜皮，贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以，平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数，而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充，以满足设计的要求。因此，平面变压器的特点就显而易见了：平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小；平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低，这使变换器做在一个板上的设想得到实现。但是，平面结构存在很高的容性效应等问题，大大限制了它的大规模使用，不过，这些缺点在某些应用中，也有可能转换为一种优点。另外，平面的磁芯结构增大了散热面积，有利于变压器散热。

平面变压器的特性研究

如前所述，平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗。绕组问的间隙越大意味着漏感越大，也就产生更高的能量损失。平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合，使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小，因此能量损耗也就很小了。

在平面型变压器里，其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗，也就是涡流损耗。因此，能最有效地利用铜导体的表面导电性能，效率要比传统变压器高得多。

在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化，可以明显地看出间隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了5倍之多。因此，在满足电气绝缘的情况下，应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值。

然而，容性效应在平面变压器中是非常重要的，在印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显。而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响，绝缘材料的介电常数越高，变压器的容性值越高。而容性效应会引起EMI，因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰。为了验证，笔者做了一个试验，在铜导线的间隙增加O．2mm的情况下，而电容值就减少了20%。因此，如果需要一个比较低的电容值，则必须在漏感和电容值之间做出一个折中的选择。

插入技术

插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时，使原边绕组与副边绕组交替放置，增加原、副边绕组的耦合以减小漏感，同时使得电流平均分布，减小变压器损耗。

现在插入技术的研究被分为两个方面，即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路)。因此，插入技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。

2.1 应用于平面变压器的插入技术

应用于变压器中的插入技术的主要优点如下：

1)使变压器中磁性能量储存的空间减少，导致漏感的减少；

2)使电流传输过程中在导体上理想分布，导致交流阻抗的减少；

3)绕组间更好的耦合作用，导致更低的漏感。

为了说明插入技术的特征，应用3种不同插入技术的结构，P代表初级绕组，s代表次级绕组。试验显示SPSP结构是最好的，因为初级和次级的绕组都是间隔插人的。在500 kHz时，3种结构的交流阻抗和漏感值，通过比较可以很容易地发现应用了插入技术的变压器，交流阻抗和漏感值都有了很大的减少。

多绕组变压器中平面结构的优势

平面变压器另一个重要的优点是高度很低，这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数。一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件，平面变压器很好地满足了这一要求。例如，在多绕组的变压器中需要非常多的匝数，如果是普通的变压器将会造成体积和高度过大，影响电源的整体设计，而平面变压器则不存在这一问题。

另外，对于多绕组的变压器来说，绕组间保持很好的耦合非常重要。如果耦合不理想则漏感值增大，将会使得次级电压的误差增大。而平面变压器因为具有很好的耦合，使得它成为最佳的选择。

在不同拓扑中平面变压器的作用

在不同的拓扑中，磁性元件的作用也是不同的。在正激变换器中的变压器，磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中。然而，在反激变换器中的“变压器”并不完全是一个变压器，而是两个连接的电感器。在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候初级绕组储存能量，而在关闭的时候将能量传送到次级绕组。因此，这种插入技术的优点同上面相比是不同的。应用于这种变压器的插入技术的特点如下：

1)在磁芯中储存的能量没有减少，因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动，并且没有电流补偿；

2)电流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也没有减小；

3)插入使得绕组间产生较好的耦合，因此有比较小的漏感值。

平面变压器的标准化设计

平面变压器的优点如上所述，同样它也有缺点，其最主要的缺点就是设计的过程非常复杂，而且设计成本也非常高。

下面介绍一种标准的设计平面变压器的程序步骤[3];它通过提供一个标准的匝数模型的设计，使之能够被使用于不同的平面变压器中，从而使得设计过程大大简化，费用大大降低。

在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的，而且所有的层都保持着一样的物理特性：即相同的形状和相同的外部连接点。在有些多匝的层次中，这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点。如果有些层只有一匝，它也可以被印制在PCB的双面来降低交流阻抗。使用铜箔直接印制在PCB板上来替代传统的导线，即使在许多需要很多匝数的开关电源中，变压器依旧能保持一个很小的体积，这便大大减小了整机的体积。具体的设计步奏和注意事项请参阅文献[3]。一个顶层的标准匝数设计的例子中，它使用的是罐形(RM)磁芯。

铜箔高度按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取，这样可以使铜箔的所有部分都成为电流通路，大大减少集肤效应的影响。因此，应该使每一种开关频率对应于不同的铜箔高度。

实验论证

为了比较平面变压器和传统变压器，分别做了两种变压器的模型，一种使用平面结构并使用了插入技术，另一种使用铜线分别在初级和次级绕制而成。两种变压器都被运用于一个互补控制的半桥变换器中。两个变压器的参数如下：

初级 12匝：

次级两个l匝的绕组(1：1中心抽头)。

传统变压器使用漆包线作为绕组，虽然在这些线圈中电流密度不尽相同，选择电流密度小于7.5A/mm。

平面变压器初级绕组做成4层，有4个并列的次级。

两种变压器都使用了同样的磁芯RM10，比较了两种变压器的漏感，交流阻抗和占用的面积，结果列于表1。

由表1可知，平面变压器的漏感仅为传统变压器的1/5，交流阻抗也仅为l/3，由此可见这将大大提高变换器的工作特性。而且，由于结构的更加紧凑，使得可以使用更小的RM8磁芯。

结语

平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点，并且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件。给出了一种标准的设计平面变压器的方法，使得设计平面变压器变得更加容易，成本也将大大降低。可以预见，平面变压器将有着相当好的应用前景。

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