平面变压器在开关电源中的技术分析

0 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。

1 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。图1给出了一个平面变压器的剖面图，并且利用两层绕组间距离的不同，而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值。

图2与图3给出了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。

2 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，图4给出了应用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。图5显示了在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。

2．2 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。

2．3 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。

3 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]。图6显示了一个顶层的标准匝数设计的例子，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。

4 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。这个变压器的最终结构如图7所示。

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。

5 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。