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平面變壓器的原理及PCB設(shè)計(jì)指南

2023.12.06

什么是平面變壓器？

通訊及伺服控制領(lǐng)域廣泛使用模塊電源，產(chǎn)品微型化設(shè)計(jì)對(duì)變壓器提出了更嚴(yán)格的要求，如小尺寸、低剖面、大輸出電流、小電磁輻射。傳統(tǒng)變壓器已經(jīng)成為制約開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)重要因素。

同時(shí)由于渦流效應(yīng)，在高工作頻率和大電流下，傳統(tǒng)的繞線(xiàn)式磁元件的線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)單一、散熱特性以及參數(shù)一致性差等問(wèn)題導(dǎo)致線(xiàn)圈損耗顯著增加，不僅降低了效率，而且引起溫升增大，增加了熱設(shè)計(jì)困難，限制了開(kāi)關(guān)電源功率密度的進(jìn)一步提高。因此研究線(xiàn)圈損耗模型、開(kāi)發(fā)新型線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)以減小其損耗在工業(yè)界有迫切的要求，這也是電力電子高頻磁技術(shù)一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容。

平面變壓器是業(yè)內(nèi)一直在嘗試使用的一種新型高頻鐵氧體電感元件。與傳統(tǒng)的高頻變壓器相比，平面變壓器有以下特點(diǎn)：

電流密度高，能夠滿(mǎn)足高頻電流的工作特型，電流密度可做到30A/模塊；
工作效率高，原邊和副邊耦合緊密，漏感較小，交叉損耗小，但是分布電容較大；
磁芯窗口利用率較低；
變壓器匝數(shù)少，磁通大，容易飽和；
更好的EMI，漏電感小意味著變壓器的EMI指標(biāo)更好，對(duì)開(kāi)關(guān)功率器件的損害最??；
造型方正輕薄，適合于平面貼裝；
熱耗散熱性好，很高的表體面積比、很短的熱通道，結(jié)構(gòu)有利于散熱；
絕緣強(qiáng)度高，按照要求進(jìn)行PCB層數(shù)和厚度進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)；
一致性較好。

普通變壓器與氮化鎵充電頭中的平面變壓器

圖片來(lái)自：充電頭網(wǎng)

平面變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PCB繞組結(jié)構(gòu)

平面變壓器的繞組是利用PCB上的螺旋形走線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PCB板中間被挖空用于安裝磁芯。PCB板各層之間由板材絕緣。磁芯直接將PCB夾在中間，然后通過(guò)膠帶或夾子固定。平面變壓器的高度得到了有效的降低，同時(shí)進(jìn)一步節(jié)省了體積。PCB走線(xiàn)扁平狀，銅厚一般為1oz/2oz 。通過(guò)計(jì)算，在頻率小于14MHZ時(shí)，銅的集膚深度都小于PCB銅厚的一半。通常開(kāi)關(guān)電源頻率遠(yuǎn)小于這個(gè)值，所以平面變壓器的集膚效應(yīng)可以忽略。

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圖片來(lái)自：Power Integrations

在PCB各層之間有供繞組互聯(lián)的“通孔”，繞組間的匝數(shù)通過(guò)“通孔”以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接。

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繞組串聯(lián)時(shí)，每層印制板都布有一排通孔且位置對(duì)齊，但是每層繞組只用其中的兩個(gè)通孔，從而實(shí)現(xiàn)繞組串聯(lián)。在低壓大電流的場(chǎng)合，可以通過(guò)繞組并聯(lián)的方式，提高變壓器的過(guò)流能力。

平面變壓器的磁芯

平面變壓器一般采用高頻功率鐵氧體軟磁材料制成的 E型、RM型、EC、ETD和EER型磁芯。

E型磁芯制造工藝簡(jiǎn)單，售價(jià)較便宜，是目前平面變壓器主流的磁芯形狀。E型磁芯有大的繞組空間，能夠提供足夠的空間供大截面積的繞線(xiàn)引出，可允許大電流通過(guò)。同時(shí)E型磁芯可以進(jìn)行不同方向的安裝，由于其散熱非常好，一般大功率變壓器都使用這種磁芯。它的缺點(diǎn)是不能自我屏蔽，同時(shí)磁芯中間柱是長(zhǎng)方體，不能有效利用PCB上方空間來(lái)增加單匝繞組的長(zhǎng)度。同時(shí)PCB繞組的橫截面積變大時(shí)，變壓器的體積也相對(duì)較大。

RM類(lèi)型的磁芯由于磁芯中間柱和邊緣四周都呈圓形，可降低銅線(xiàn)的匝長(zhǎng)，從而降低銅損。同時(shí)能夠充分利用PCB上方的空間來(lái)減小繞組的橫截面積，將繞組設(shè)計(jì)成正方形，這樣磁芯漏感較小。RM磁芯的屏蔽效果也比E型磁芯要好。

EC、ETD和EER型磁芯介于E型和RM型之間。這類(lèi)磁芯和E型磁芯一樣，能提供足夠的空間供大截面的引線(xiàn)引出，適合開(kāi)關(guān)電源低壓大電流的趨勢(shì)。這類(lèi)磁芯的散熱也非常好，由于中間柱為圓柱形，與E型相比具有RM型的一些優(yōu)點(diǎn)。但是這類(lèi)磁芯和E型磁芯一樣屏蔽效果不好。

平面變壓器的PCB設(shè)計(jì)

多層平面變壓器的疊構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)平面變壓器的多層PCB時(shí)，推薦上下對(duì)稱(chēng)的疊構(gòu)設(shè)計(jì)，以避免PCB加工和組裝過(guò)程中出現(xiàn)變形。介質(zhì)層的厚度需要滿(mǎn)足初級(jí)和次級(jí)繞線(xiàn)的絕緣要求，同時(shí)整個(gè)疊層的介質(zhì)厚度要統(tǒng)一。

PCB銅厚與走線(xiàn)間距要求