开头电源中平面变压器技术
内容摘要
概括了当今开关电源中平面变压器的技术特性、原理及应用，总结了平面变压器的实际制作过程及注意事项，介绍并简要分析了目前平面变压器仿真设计方法的原理及缺陷，指出了正确的仿真设计思路，并对平面变压器未来的发展方向进行了预测。
引 言
“短、小、轻、薄”是当今开关电源发展的主要趋势之一，其最主要的实现手段是提高功率密度和采用低造型及体积和重量小的元器件。采用常规变压器的开关电源在朝高功率密度和低造型方向发展时暴露出诸多限制。由于变压器涉及到的主要参数有电压、电流、频率、变比、温度、磁心值、漏抗、损耗、外形尺寸等，所以一直无法像其他电子元器件那样有现成的变压器可供选用，常常要经过繁琐的计算来选择磁心和绕组导线；而且绕组制作方式对变压器性能也有较大影响，加之变压器的许多重要参数不易测量，给使用带来一定的盲目性，很难在频率响应、漏抗、体积和散热等方面达到满意效果。
采用平面变压器可以显著降低变压器的高度，减小体积和重量，提高变压器的功率密度及开关电源的性能，从而成为实现开关电源“短、小、轻、薄”的重要手段。早期平面变压器的应用已证明：采用扁平状导体可降低绕组集肤和邻近效应的损耗，且可控制如漏电感等寄生参数的大小，尤其适用于空间或高度存在限制或对节能及散热要求苛刻的环境。
本文对平面变压器的特性进行了全面综述，分析并总结了平面变压器的应用、设计制作、安全规范及仿真方法。最后对未来平面变压器的发展趋势进行预测。
平面变压器的特性
1 平面变压器的结构
平面变压器没有漆包线绕组，而是将扁平的连续铜质螺旋线刻蚀在印制电路板上，然后叠放在磁心上。
高频功率变换适宜采用平面变压器是由于平面变压器有如下主要特性：
（1）低造型 能量密度高，因而体积大为缩小；厚度远小于常规变压器，适用于表面贴装方式组装。
（2）低损耗性 绕组由薄铜层构成，同时整个变压器可制成扁平状，从而降低了集肤效应的损耗。
（3）低漏感 漏感一般均小于0.2％，因此电磁干扰（EMl）辐射低，基本不受外界电磁干扰的影响。
由于采用PCB技术要比常规变压器更容易实现机械加工，故有利于提高变压器绕组的一致性。另外，绕组的几何形状及其有关寄生特性限定在PCB制造公差之内（极小的公差），因此可实现特性重现。这两个优点降低了平面变压器的成本。平面变压器的另一个优点是提高了热性能，由于其面积与体积的比值较大，与常规铁心相比，平面铁心的热阻较小。
但平面变压器的特性并不全是优点。平面变压器一、二次侧绕组之间的间距较小，储存磁能少，所以漏感也较小；但这样却使得一、二次侧产生的寄生电容变大。另外，PCB绕组的可重现化特性却是以增大铁心绕线窗中绝缘材料的比例为代价，降低了铜填充系数，限制了线圈匝数。
2 高频绕组损耗
一些专家学者不断对平面变压器各种绕组结构进行分析，研究绕组最佳结构，对各种绕组制作技术进行比较，优化PCB板上的线圈布局，力求绕组总直流电阻最小。
文献对采用实心圆导线、利兹线、PCB板和铜箔制成的各种绕组结构的500kHz平面变压器的性能进行了比较，研究得出PCB绕组的交流电阻比实心圆导线绕组低约10％～15％，比利兹线绕组高约15％，但PCB绕组的漏电感均比实心导线和利兹线绕组低。因此平面变压器大多采用PCB板做成的绕组。
为提高平面变压器的功率水平，二次侧绕组大多采用并联形式，以提高电流处理能力。但是各绕组层之间的相对位置、连接方式或其他偶然因素的影响，都会造成各并联绕组层之间不均流，从而给绕组带来附加损耗，制约了平面变压器在低压大电流场合中的应用。另外，平面变压器一、二次侧绕组大多采用交织技术的绕组结构，削弱了邻近效应。但不同的交织方式产生的高频效应在各绕组层中引起的电流非线性分布各不相同，造成的损耗也不同。文献基于1D磁场模型，对各种绕组层交织方案进行了仿真，研究了并联绕组额外损耗产生的原因，得出如下结论：最优绕组设计不仅要充分考虑PCB板导体的厚度、工作频率及一、二次侧绕组的相对安放位置，还要考虑并联方式和绝缘厚度。
3 漏电感与寄生电容
平面变压器的一、二次侧绕组交织可最大限度减小漏电感，并且可控制漏电感的大小。然而，在平面变压器漏电感减小的同时，寄生电容却增大，邻近效应导致线圈中电流非线性分布使得绕组的交流电阻变大。若要减小寄生电容和绕组的交流电阻，则需增大绕组层与层之间的距离。这就与减小漏感的要求相矛盾。鉴于此，文献提出在满足绝缘要求的前提下，在漏感许可的范围内，尽量减小绕组间的寄生电容和交流阻抗。
4 平面变压器绕组制作技术
平面变压器绕组的制作可采用多种技术。文献比较了常用的几种绕组制作技术的利弊，例如常规PCB板、柔性基印制板和铜箔等。
采用常规PCB技术可使平面绕组具有高度可重现化特性，且制作简单。理论上绕组可作为系统电路板的一部分，消除变压器与系统电路板的端部连接。然而实际中系统电路板不能满足绕组层数的需求。采用常规PCB技术的缺陷是窗口利用系数很低，通常为0.25～0.3，这是因为导体间的间距为150m，绕组层间的最小绝缘厚度为100 m。
为了提高窗口利用系数，也可采用柔性基印制板或镀铜的柔性基材料制作平面变压器绕组。因其绝缘厚度只需50m，故可将多层柔性基印制板叠放冲压成一个类似常规PCB的刚性结构，制作成绕组就可提高窗口利用系数。采用柔性基除了在引线端存在接点外，内部直接通过折叠完成，避免了层间的连线连接。
采用折叠铜箔技术制作的绕组可应用于大电流场合，且成本低。其主要缺陷是需额外提供绝缘层。
5 平面变压器铁心
平面变压器铁心有几款形状，但最常用的是平面EE和EI型两种。现在大部分生产厂家都提供这两款铁心。其他低造型标准平面铁心还有RM、ER、PQ和罐型。由于EE型铁心中心柱是矩形，使得线圈长度相对较长，因此会产生空间利用率低及潜在的EMI问题。诸如RM、ER、PQ等中心柱为圆形的铁心，其线圈长度相对较短，可改善屏蔽效果，但其有效绕线窗面积比EE型铁心小，因此其线圈匝数受限制。
平面变压器的最优化研究表明，对于任何规格的铁心都存在一个使其功率密度最大的最佳高度。因此，对于特定的设计，很可能出现市面上诸多标准平面铁心不符合最优设计的情况。如果成本允许，设计人员可与厂家联系定制设计所需的铁心，以实现性能的优化。
平面变压器的应用
平面变压器在电力电子中的应用主要为开关电源变压器和脉冲变压器。下面重点讨论平面变压器在不同实际应用中的特性。
1 开关电源变压器
设计平面开关电源变压器必须满足的要求与常规开关电源变压器相同，包括损耗和温升的限制。平面变压器的铁心损耗计算与常规线绕变压器类似，包括选择合适的开关频率、铁心形状、尺寸及材料，主要区别在于铁心型号的选择。
高频变压器的铜耗计算要求设计者对集肤效应和邻近效应的原理有较深的理解。采用交织技术可减小高频效应，从而减小平面绕组损耗。但交织的程度受寄生电容和绕组层间绝缘等级的限制。在许多实际应用中，绕组层之间深度交织会使绝缘材料占铁心绕线窗空间的比重增大。若变压器的输出电流较大，且二次侧绕组为单匝线圈的单个绕组层结构，则可采用加厚的铜箔代替PCB绕组层。
有时采用1D分析来预测变压器高频效应就已足够，但在许多应用中通常需采用2D甚至3D分析，这将在下面仿真章节中讨论。
总之，过分强调减小漏电感会导致寄生电容和绕组交流阻抗增大，从而影响变压器的性能。
2 脉冲变压器
平面变压器可作为脉冲变压器，用于开关元件的门极驱动电路。但其应用不如开关电源变压器广泛。由于常规脉冲变压器已经实现低造型，即使是采用传统的绕线绕制绕组，因此不必进一步降低脉冲变压器的高度以实现最终产品的低造型。
平面变压器的制作
为了优化电路性能，最大限度降低损耗及最终产品的封装高度，通常将平面变压器镶嵌在主电路板上。图2展示了该结构的平面变压器。
在设计平面变压器时，首先，根据变压器的设计指标确定铁心的允许损耗密度Pcore
接着便可进行一、二次侧绕组匝数和电流有效值的计算，检验平面变压器的温升是否在允许范围内，进而优化绕组结构。注意，由于受高频集肤和邻近效应的影响，导体的宽度最好小于两倍集肤深度。如果绕线窗还能容纳一定匝数的绕组，可采用并联绕组层以减小绕组电阻，从而减小绕组损耗。市面上出售的平面变压器铁心有带夹槽和无夹槽两种。带夹槽铁心通过厂家提供的夹板来固定；无夹槽铁心之间的固定采用树脂胶合的方式。采用带夹槽铁心的变压器适用于高温升场合，且比较牢固，如图3a所示；无夹槽铁心制成的变压器高度比带夹槽的变压器要低一些。设计者可按实际情况选择铁心。若选择无夹槽铁心，注意树脂不可粘在两块铁心的结合面，这样铁心之间会存在气隙，应把树脂粘在铁心的外侧。
在制作平面变压器时还得注意各PCB绕组层间以及PCB绕组与铁心之间的绝缘。PCB绕组层间的绝缘采用两层聚酯胶片就已足够。安规EN60950中规定，PCB绕组层上导体与铁心中心柱和外柱之间的距离必须为400m；另外，PCB绕组层上的阻焊层作为PCB板与铁心之间的绝缘是不可靠的，可在铁心与PCB板之间添加薄片材料（例如聚酰亚胺）来加强铁心与PCB板之间的绝缘。
平面变压器的仿真和设计
由于电磁场问题的复杂性，要想仿真求解出电磁场的各场量，为平面变压器的设计提供指导是很困难的。因此，人们采用了大量的简化分析，通常将电磁场的场问题简化为一维线性问题，通过求解Maxwell微分方程来得到一个完全解。即认为变压器当中的磁场强度与导体的长边方向平行，如图4所示平面变压器的1D磁场模型，在导体表面上的磁场强度是一定值，这样就可采用Dowell方程计算高频损耗。
采用1D方法可很方便计算高频变压器的绕组损耗。然而，上述简化会带来误差，原因在于忽略了导体的边缘效应。另外，由于平面变压器绕线窗的利用系数很小，扁平导体内部感应磁场引起的实际高频损耗比1D方法预测的结果大得多。对于多层绕组层结构的绕组，通过1D分析方法得到的结果只能作为选择合适绕组结构的依据，而不能用于预测高频损耗的实际值。因此，在某些情况下必须采用2D方法甚至3D方法来预测平面变压器的高频损耗。
在建立平面变压器2D或3D磁场模型时可采用一些商业FEA仿真软件。目前，2D或3D商业FEA仿真软件可建立包含一、二次侧各绕组层之间绝缘层的模型，故很容易预测出绝缘层对平面变压器高频损耗的影响，而Dowell的1D分析却不行。
平面变压器漏电感的仿真分析可采用Dowell的1D方法，但采用2D或3D商业FEA软件来预测高频运行时的漏电感要比Dowell的1D方法要有效得多。然而，利用2D商业FEA仿真软件建立模型分析得到的漏电感值可能大大低于实际值。造成误差的原因可能是由于实际测量漏电感时变压器的二次侧输出端是短接的。很显然，3DFEA工具可分析这些端部效应对漏电感造成的影响。由3D FEA仿真分析建立的一个平面变压器模型。
综上所述，平面变压器的仿真设计思路是：将3DFEA分析计算与电路仿真工具结合使用，对平面变压器的绕组阻抗、漏感和寄生电容等参数进行综合分析。这样，首先由3DFEA分析得到一个高精度的平面变压器等效模型，再结合电路仿真分析软件分析，计算变压器磁场重要参数，最后对平面变压器的结构设计进行优化，即可得到性能更加优良的平面变压器。
平面变压器未来发展趋势
目前平面变压器已广泛应用于DC-DC变换器模块和类似的产品中。但是按照目前平面变压器的生产制造工艺，其制作成本仍然高居不下。各生产厂家之间可通过制定相关产品标准来降低平面变压器的成本。然而，由于变压器的拓扑结构很多，而且绕组制作技术及这些设备的相关费用仍然相当昂贵，将平面变压器标准化并不是轻而易举的事。如何降低平面变压器的生产成本依旧是一个难题，而且平面变压器的结构还需进一步的优化。
研究人员采用磁集成技术已成功将变换器输出电感和平面变压器在结构上集成在一起，但如何进一步将变压器、电感和电容等电磁元件都集成到一起，使之成为一个高度集成的能量处理模块还在研究中。如今的研究热点是如何在一块半导体芯片上集成多种高质量的有源和无源器件，包括铜电感和变压器，以优化系统性能并显著减少外部元件的数量。
微处理器和便携式电子设备的DC-DC变换器特点是负载变化大，多数情况下工作低于备用模式，长期轻载运行。要求DC-DC变换器具有如下特征：负载变化的整个范围内效率高；输出电压低，由于CMOS电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则电路损耗小；功率密度高，采用集成芯片的封装形式。这些都需要平面变压器及相关技术的发展，从而突破目前平面变压器的应用瓶颈，拓宽应用前景。
结束语
本文对平面变压器进行了全面综述。介绍了平面变压器的特性、原理、应用、制作和仿真方法，指出平面变压器的仿真设计思路，最后对平面变压器在功率变换产业未来的发展趋势进行了预测。
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