唐浩然

摘要：平面變壓器的體積較小，高度較低，結(jié)構(gòu)上具有較好的優(yōu)勢，也具備較好的重復(fù)性、準(zhǔn)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(guān)電源中有著非常廣泛的應(yīng)用，關(guān)于其的研究也較多。本文即分析平面變壓器在開關(guān)電源中應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)越性。

關(guān)鍵字：開關(guān)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(shù)的發(fā)展，各種各樣的電子設(shè)備出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，而在電子設(shè)備升級換代的同時，平面變壓器因為其優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)性能而被廣泛的應(yīng)用于高頻率、高功率密度的開關(guān)電源中，相比于其他的變壓器設(shè)備有著非常優(yōu)異的性能。本文即針對于平面變壓器進(jìn)行研究，探討其在開關(guān)電源中的應(yīng)用。

2、平面變壓器的特性研究

2.1平面變壓器的結(jié)構(gòu)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(dá)到最大限度的熱量傳遞，而扁平化封裝外殼則可以達(dá)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yōu)勢

與傳統(tǒng)的變壓器相比，平面變壓器有其自身的優(yōu)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(guān)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(yīng)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(yōu)勢使得其能夠具備高磁通密度和緊封裝來達(dá)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(chǎn)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(guān)電源中的應(yīng)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(gòu)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(gòu)成變壓器的磁路，并且通過更加精細(xì)的銅制引線框架能夠更好的達(dá)到使用要求?？梢哉f，無論是轉(zhuǎn)換效率還是生產(chǎn)加工，獨立式平面變壓器都要優(yōu)于線繞變壓器。嵌入式變壓器是通過DC-DC轉(zhuǎn)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(shè)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(guān)電源中的應(yīng)用設(shè)計

4.1平面變壓器在開關(guān)電源中的應(yīng)用設(shè)計原理

平面變壓器在開關(guān)電源中的應(yīng)用設(shè)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(jié)構(gòu)、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(dǎo)致鐵氧體磁芯以及繞組的損耗，而這些損耗將會轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)而促使變壓器的溫度提高，所以溫升參數(shù)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(guān)，滿足一定的經(jīng)驗關(guān)系式。在變壓器的繞組結(jié)構(gòu)層面，就是通過已經(jīng)得到的工作磁通量來達(dá)到對變壓器的參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、類型、原邊和副邊繞組的匝數(shù)進(jìn)行確定。其參數(shù)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(jìn)行計算，進(jìn)而驗證設(shè)計的合理性[3]。

4.2平面變壓器PCB繞組的設(shè)計

由于在平面變壓器的應(yīng)用中，主要顯現(xiàn)出來的缺點就在于其繞組設(shè)計的復(fù)雜性較高，這直接導(dǎo)致了繞組設(shè)計成本的提高，可以通過對PCB板的設(shè)計來簡化設(shè)計過程。通過雙面PCB板的設(shè)置，每一層都由一匝到多匝的繞組，并保持每一層都具備統(tǒng)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(shù)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(shè)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(dá)到更好的開關(guān)頻率效應(yīng)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(lián)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(jìn)行改變。通過對各項研究數(shù)據(jù)的查閱和分析表明，繞組間的距離越大，漏感也就相應(yīng)的越大，而相反則體現(xiàn)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(yīng)不能夠被忽略，因為印制電路板上緊密結(jié)合的導(dǎo)線向的容性效應(yīng)較為明顯，容易引起電磁干擾。為了達(dá)到最好的效果，還需要結(jié)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(jìn)行交替放置，從而達(dá)到對原、副邊繞組的有效耦合。這種繞組交叉技術(shù)能夠有效的減小漏感，并促進(jìn)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(shù)有三種繞組結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)都采用交叉技術(shù)，并且次級-初級-次級-初級這種間隔交叉技術(shù)更具耦合性，能夠達(dá)到最好的工作效果。在相同的頻率下，這種間隔交叉技術(shù)能夠達(dá)到更低的交流阻抗以及漏感值?？梢哉f，繞組交叉技術(shù)是目前最有效的一種繞組結(jié)構(gòu)。

5、平面變壓器在開關(guān)電源中的發(fā)展趨勢

上述提到了關(guān)于平面變壓器在開關(guān)電源中的應(yīng)用設(shè)計思路，可以說自從開關(guān)電源發(fā)明以來，對于平面變壓器的研究就已經(jīng)開始了。時至今日，一些發(fā)達(dá)國家的研究單位早就已經(jīng)開始了關(guān)于高頻開關(guān)電源方面的研究，并且已經(jīng)得到了非常好的成果。比如說加州理工大學(xué)提出了準(zhǔn)諧振開關(guān)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(yīng)用層面，目前許多國家已經(jīng)開始實行了0.5-3MHz的高頻開關(guān)電源，并有較大的普及，設(shè)定了在100W以下的開關(guān)電源中的頻率標(biāo)準(zhǔn)。對于我國來說，因為我國在開關(guān)電源平面變壓器方面的研究較少，在技術(shù)和理論層面還尚有欠缺，但是因為近年來各高校和研究機(jī)構(gòu)對于科研力度的加大，我國在開關(guān)電源理論方面有了非常大的突破，比如說電子科技大學(xué)已經(jīng)在開關(guān)電源的建模、仿真設(shè)計、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dá)到電子設(shè)備的升級換代[4]。

6、結(jié)束語

綜上所述，平面變壓器的優(yōu)勢眾多，包括體積小、高度低、散熱好、制作準(zhǔn)確等，所以廣泛的應(yīng)用在了開關(guān)電源上，并獲得了非常好的應(yīng)用效果。本文就是針對于平面變壓器進(jìn)行了概述，并對平面變壓器在開關(guān)電源上的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在文章的最后探討了國內(nèi)外關(guān)于平面變壓器在開關(guān)電源中應(yīng)用的研究趨勢，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]趙映. 平面變壓器綜合優(yōu)化設(shè)計研究[D].華中科技大學(xué)，2016.

[2]時坤. 開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用[D].湖南大學(xué)，2013.

[3]梁琦，曾慶軒.開關(guān)電源中的平面變壓器技術(shù)與應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報，2007（16）：73-78.

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