平面變壓器在開關電源中的應用

唐浩然

摘要：平面變壓器的體積較小，高度較低，結構上具有較好的優勢，也具備較好的重復性、準確性、低漏感以及交流電阻較小等特點，而正因為如此，平面變壓器在開關電源中有著非常廣泛的應用，關于其的研究也較多。本文即分析平面變壓器在開關電源中應用的技術優越性。

關鍵字：開關電源;平面電壓器;功率密度;較差繞組

1、前言

隨著電子信息技術的發展，各種各樣的電子設備出現在人們的視野當中，而在電子設備升級換代的同時，平面變壓器因為其優秀的結構性能而被廣泛的應用于高頻率、高功率密度的開關電源中，相比于其他的變壓器設備有著非常優異的性能。本文即針對于平面變壓器進行研究，探討其在開關電源中的應用。

2、平面變壓器的特性研究

2.1平面變壓器的結構特點

為了能夠讓熱溫升得到有效的控制，就需要變換器具備高效率和高表面積，從而達到最大限度的熱量傳遞，而扁平化封裝外殼則可以達到這一點。目前可以做到扁平封裝的只有平面變壓器，因為這種變壓器具備平面化的磁芯，體積較小，高度低，結構上相較普通變壓器則更加緊湊。通過緊密的磁芯幾何形狀，平面變壓器能夠有效的控制熱點的產生，降低熱耗。并且平面變壓器在垂直方向上的尺寸大大減小，從而能夠包容更高的能量密度，其散熱能力也較好。簡單來說，平面變壓器具備效率高、功率大、絕緣性好的特點[1]。

2.2平面變壓器的優勢

與傳統的變壓器相比，平面變壓器有其自身的優勢。首先就是平面變壓器的單匝原邊繞組和單匝的副邊繞組耦合較緊，所以其漏感很小，在電源開關的使用中也就避免了過大的損耗，減少在電路中其他的部件所承受的應力。而平面變壓器的頻率特性也較好，一般可以工作在100-500kHz之間，且其貼近底板固定，具備非常好的散熱性能，不存在局部過熱點的問題。其次是平面變壓器在熱耗散問題方面的巨大優勢使得其能夠具備高磁通密度和緊封裝來達到更高功率的密度，具備非常好的可靠性，即使有一處磁芯損壞了也能夠通過剩余的磁芯，變壓器的生產成本以及其價格都大幅度降低。

3、平面變壓器的類型

目前平面變壓器在開關電源中的應用可以分為獨立式和嵌入式兩種情況。所謂獨立式平面變壓器就是一種利用平面鋼制引線框或者印制板的銅線為繞組而構成的。獨立式平面變壓器是通過蝕刻銅制引線框架或者印制型繞組被堆疊在平面中，與高頻鐵氧體磁芯構成變壓器的磁路，并且通過更加精細的銅制引線框架能夠更好的達到使用要求。可以說，無論是轉換效率還是生產加工，獨立式平面變壓器都要優于線繞變壓器。嵌入式變壓器是通過DC-DC轉換器的電路板作為自己的繞組，相比于獨立式變壓器，其體積更小，但是卻需要針對于每一組輸入/輸出電壓設計不同的電路板，所以其加工成本要更高于獨立式變壓器，靈活性和可互換性也較為缺乏[2]。

4、平面變壓器在開關電源中的應用設計

4.1平面變壓器在開關電源中的應用設計原理

平面變壓器在開關電源中的應用設計原理包括三點，即分別是工作磁通密度B、變壓器的繞組結構、PCB繞組溫升。在工作磁通密度層面，由于平面變壓器在高頻工作時會導致鐵氧體磁芯以及繞組的損耗，而這些損耗將會轉化為熱量進而促使變壓器的溫度提高，所以溫升參數則顯得十分重要。通過研究可得，變壓器的溫升與工作磁通量相關，滿足一定的經驗關系式。在變壓器的繞組結構層面，就是通過已經得到的工作磁通量來達到對變壓器的參數、拓撲結構、類型、原邊和副邊繞組的匝數進行確定。其參數包括輸出電流、PCB板的敷銅厚度等。最后則是PCB繞組溫升層面，也就是對PCB板上繞組的溫升進行計算，進而驗證設計的合理性[3]。

4.2平面變壓器PCB繞組的設計

由于在平面變壓器的應用中，主要顯現出來的缺點就在于其繞組設計的復雜性較高，這直接導致了繞組設計成本的提高，可以通過對PCB板的設計來簡化設計過程。通過雙面PCB板的設置，每一層都由一匝到多匝的繞組，并保持每一層都具備統一的物理特性，包括形狀以及外部連接點。而在多匝的層次中，這些外部連接點也就是不同匝數之間的電氣連接點。在一匝的層次中，通過將其印制在PCB的雙面來降低交流阻抗。設計中需要精確到每匝銅箔厚度，并保證PCB繞組與磁芯相互匹配，從而達到更好的開關頻率效應以及工藝精度，減小裝配的難度。

4.3繞組間距的選擇

平面變壓器的漏感值與繞組間有著非常緊密的聯系，所以為了能夠改變漏感的大小可以直接對繞組間的距離進行改變。通過對各項研究數據的查閱和分析表明，繞組間的距離越大，漏感也就相應的越大，而相反則體現出較小的漏感，且其變化的趨勢較為明顯。因此，對漏感的減小可以從繞組間距的選擇入手，并且要選用最薄的絕緣體來滿足電氣的絕緣需要。值得注意的是，繞組間的容性效應不能夠被忽略，因為印制電路板上緊密結合的導線向的容性效應較為明顯，容易引起電磁干擾。為了達到最好的效果，還需要結合電容值和漏感兩個因素的考慮，作出平衡的選擇。

4.4繞組交叉布置

所謂繞組交叉布置，就是說在對變壓器的原、副邊繞組的布置中，將原邊以及副邊繞組進行交替放置，從而達到對原、副邊繞組的有效耦合。這種繞組交叉技術能夠有效的減小漏感，并促進各層繞組之間的電流平均分布，從而減少變壓器的損耗。目前，對于繞組交叉技術有三種繞組結構，即分別是次級繞組（以下簡稱次級）-初級繞組（以下簡稱初級）-次級-初級、初級-次級-次級-初級、次級-初級-初級-次級。這三種結構都采用交叉技術，并且次級-初級-次級-初級這種間隔交叉技術更具耦合性，能夠達到最好的工作效果。在相同的頻率下，這種間隔交叉技術能夠達到更低的交流阻抗以及漏感值。可以說，繞組交叉技術是目前最有效的一種繞組結構。

5、平面變壓器在開關電源中的發展趨勢

上述提到了關于平面變壓器在開關電源中的應用設計思路，可以說自從開關電源發明以來，對于平面變壓器的研究就已經開始了。時至今日，一些發達國家的研究單位早就已經開始了關于高頻開關電源方面的研究，并且已經得到了非常好的成果。比如說加州理工大學提出了準諧振開關變壓器綜合與分析的方法，在理論層面具有非常好的代表性。而在實際應用層面，目前許多國家已經開始實行了0.5-3MHz的高頻開關電源，并有較大的普及，設定了在100W以下的開關電源中的頻率標準。對于我國來說，因為我國在開關電源平面變壓器方面的研究較少，在技術和理論層面還尚有欠缺，但是因為近年來各高校和研究機構對于科研力度的加大，我國在開關電源理論方面有了非常大的突破，比如說電子科技大學已經在開關電源的建模、仿真設計、拓撲結構等方面有了大量的研究，而受到磁性材料性能的限制，目前我國還存在有高頻化、輕型化、小型化和高可靠度方面的問題，對于高頻變壓器方面的研究還需要加大力度，達到電子設備的升級換代[4]。

6、結束語

綜上所述，平面變壓器的優勢眾多，包括體積小、高度低、散熱好、制作準確等，所以廣泛的應用在了開關電源上，并獲得了非常好的應用效果。本文就是針對于平面變壓器進行了概述，并對平面變壓器在開關電源上的應用進行了優化設計，在文章的最后探討了國內外關于平面變壓器在開關電源中應用的研究趨勢，希望能夠對相關人員提供參考。

參考文獻

[1]趙映. 平面變壓器綜合優化設計研究[D].華中科技大學，2016.

[2]時坤. 開關電源變壓器的優化設計及應用[D].湖南大學，2013.

[3]梁琦，曾慶軒.開關電源中的平面變壓器技術與應用[J].科技導報，2007（16）：73-78.

[4]魏晨，謝運祥，宋靜嫻.平面變壓器在開關電源中應用的優越性分析[J].電源世界，2006（06）：35-38+48+58.