如何把巧妙的在開關(guān)電源中應(yīng)用平面變壓器
1、引言
近年來(lái),隨著以ISDN、LAN、個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站為代表的電子設(shè)備的小型化、高效率化的不斷發(fā)展,輕、 薄、小成為衡量電子設(shè)備的重要標(biāo)志。平面變壓器的出現(xiàn)為電源系統(tǒng)的小型化和高可靠性提供了一條可行的途徑。采用平面變壓器可以顯著降低變壓器的高度, 減小體積和重量, 提高變壓器的功率密度及開關(guān)電源的性能, 從而成為實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源小、輕、薄的重要手段。
2、平面變壓器類型和特性
目前平面變壓器有許多不同的具體實(shí)現(xiàn)方法，應(yīng)用比較廣的主要有矩陣式平面變壓器、箔式平面變壓器、印制板平面變壓器等。其中印制板平面變壓器又有兩種，一種是利用單塊多層板來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種是利用多塊雙面板來(lái)實(shí)現(xiàn)。后者集成度稍差，但成本低。平面變壓器在電路中可以分為獨(dú)立式、嵌入式、混合式和集成式四種類型，如圖1所示 。其中獨(dú)立式平面變壓器與常規(guī)變壓器使用方法類似,變壓器作為一個(gè)獨(dú)立的器件放置在一個(gè)單獨(dú)的線路板上,通過(guò)引出線與其他電路相連。嵌入式平面變壓器是在PCB 上預(yù)留插入槽,把變壓器放入,以降低整體高度，但其繞組仍然位于印制電路板的上方。混合式平面變壓器有部分繞組在主PCB板內(nèi)部,而另一部分繞組是獨(dú)立的電路層面,主PCB 板留出槽以插入磁芯。集成式平面變壓器的繞組完全利用多層PCB 實(shí)現(xiàn),磁芯插入PCB 的預(yù)留位置。
平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比主要有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)一致性好。常規(guī)變壓器由于繞組間隔不規(guī)則和人工組裝的不一致性都會(huì)導(dǎo)致器件性能有較大的差 異。平面變壓器由于采用PCB技術(shù)要比常規(guī)變壓器更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工,故有利于提高變壓器繞組的一致性。
(2) 可重現(xiàn)性。繞組的幾何形狀及其有關(guān)寄生特性限定在PCB 制造公差之內(nèi)(極小的公差) ,因此可實(shí)現(xiàn)特性重現(xiàn)，參數(shù)可重復(fù)性好。
(3) 低損耗性。繞組由薄銅層構(gòu)成，同時(shí)整個(gè)變壓器可制成扁平狀，從而降低了集膚效應(yīng)的損耗。
(4) 低漏感。漏感一般約為初級(jí)電感的0.2%。
(5) 小型化。能量密度高, 厚度遠(yuǎn)小于常規(guī)變壓器，因而體積大為縮小。
(6) 絕緣性好。平面變壓器的繞組由PCB導(dǎo)線構(gòu)成，兩層繞組間夾有樹脂絕緣片，從而能夠保證繞組間的可靠絕緣。
因此平面變壓器特別適合于在內(nèi)部空間小、對(duì)節(jié)能和散熱要求苛刻的電子設(shè)備中使用。在國(guó)防、航空、航天等對(duì)重量和穩(wěn)定性要求較高的領(lǐng)域,平面變壓器將會(huì)發(fā)揮很大的作用。
3、平面變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 繞組結(jié)構(gòu)
平面變壓器的繞組是利用印制板上的螺旋形印制線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。印制板中間被挖空用于安裝磁芯。各印制板之間由絕緣膠布或空白印制板絕緣。磁芯直接將印制板夾在中間，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。印制線成扁平狀，其厚度一般為35μm/70μm。在頻率小于14MHZ時(shí)，銅的集膚深度都小于印制線厚度的一半。通常開關(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。
在多層印制電路板之間要有供繞組互聯(lián)的“通孔”，繞組間的匝數(shù)通過(guò)“通孔”以串聯(lián)或并聯(lián)的方式彼此構(gòu)成電連接。圖2表示各層通過(guò)通孔用串聯(lián)方式互聯(lián)的布局圖。
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，通過(guò)圖2方式實(shí)現(xiàn)繞組串聯(lián)。在低壓大電流的場(chǎng)合，也可以通過(guò)通孔實(shí)現(xiàn)繞組并聯(lián)，以提高變壓器的電流處理能力。如圖3所示。
3.2 變壓器磁芯
選擇合適的磁芯是保證變壓器性能的關(guān)鍵問題。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、EC、ETD和EER型磁芯、RM型等磁芯。
E型磁芯制造工藝簡(jiǎn)單，售價(jià)較便宜，是現(xiàn)在平面變壓器很流行的磁芯形狀。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引線引出，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，又由于其散熱非常好，可以疊加應(yīng)用更大的功率，一般大功率變壓器都使用這種磁芯。但是它的缺點(diǎn)是不能提供自我屏蔽，同時(shí)磁芯中間柱是長(zhǎng)方體，不能有效利用PCB上的空間，使單匝繞組的長(zhǎng)度增加，PCB繞組的橫截面積變大，變壓器的所占體積也相對(duì)較大。
RM這種類型磁芯有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是由于磁芯中間柱和邊緣四周都呈圓形，可降低銅線的匝長(zhǎng)，從而降低銅損。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用PCB上的空間，可以減小PCB繞組的橫截面積，將其設(shè)計(jì)成正方形形式，這樣磁芯漏感較小。并且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型和罐型之間。這類磁芯和E型磁芯一樣，它們能提供足夠的空間供大截面的引線引出，適合現(xiàn)在開關(guān)電源低壓大電流的趨勢(shì)；這類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)。但是這類磁芯和E型磁芯一樣屏蔽效果不好。
在我們研制的某320VDC/12VDC 25A變換器中對(duì)常規(guī)變壓器和平面變壓器進(jìn)行了比較。主電路為雙管反激電路，開關(guān)頻率100KHZ。按照普通高頻變壓器設(shè)計(jì)方法采用兩個(gè)EI33型磁芯并起來(lái)使用，原邊30匝，繞組使用直徑0.81mm的漆包線；副邊2匝，繞組使用0.3mm的銅皮，2層并聯(lián)。
EI－33型磁芯的參數(shù)為：
有效截面積 Ae＝118 mm2
有效磁路長(zhǎng)度 Le＝67.6 mm2
磁芯有效體積 Ve＝7940 mm2
磁芯重量 Me＝40 g
若磁芯不變，采用PCB繞組時(shí)，為減少成本，應(yīng)用了多塊雙面板來(lái)實(shí)現(xiàn)。原邊繞組PCB每層安放3匝，線寬=1.5mm，每塊PCB上下兩面可布置6匝繞組（如圖7所示）構(gòu)成原邊繞組需要5塊雙面板；副邊繞組電流大匝數(shù)少，PCB每層安放1匝每塊PCB上下兩面可布置2匝（如圖8所示），用4塊并聯(lián)。每塊PCB厚0.4mm，整個(gè)繞組窗口高度只需6.8mm。若采用多層PCB做繞組，整個(gè)繞組窗口高度只需3mm。
已知標(biāo)準(zhǔn)的EI－33磁芯的窗口高度為19.25mm，與線包的厚度相差很大，為此對(duì)兩個(gè)EI－33磁芯各作磨削加工，以減小磁芯窗口的高度并與線包得以良好配合。
經(jīng)磨削修正后的EI―33磁芯，除窗口高度恰好滿足包裝配外，磁芯的重量和體積也得以減少。最后裝配成的變壓器結(jié)構(gòu)呈扁平型。這樣變壓器的表面散熱面積增加了，面積與體積的比值較大，與常規(guī)鐵芯相比，平面變壓器的熱阻較小，提高了熱性能。
3.3 寄生效應(yīng)與繞組布局
平面變壓器的一、二次側(cè)繞組交織可以最大限度減小漏電感，并且可控制漏電感的大小。然而，平面變壓器漏電感減小的同時(shí)， 寄生電容卻增大。而若要減小寄生電容，則需增大層與層之間的距離，這就與減小漏感相矛盾。同時(shí)為提高平面變壓器的功率水平，繞組大多采用并聯(lián)形式以提高電流處理能力。但是各繞組層之間的相對(duì)位置、連接方式或其他偶然因素的影響，都會(huì)造成各并聯(lián)繞組層之間不均流, 從而給繞組帶來(lái)附加損耗。
以二種類型的平面變壓器研究其寄生效應(yīng)。每一類變壓器的繞組結(jié)構(gòu)各不相同，所以它們有不同的漏感和寄生電容。圖9為所述的二種類型變壓器繞組的結(jié)構(gòu)布局：
1＃：初級(jí)繞組和次級(jí)繞組對(duì)稱組合
2＃：初級(jí)繞組和次級(jí)繞組交替組合
由于初級(jí)繞組與次級(jí)繞組間的寄生電容CPS嚴(yán)重影響著變壓器的高頻特性，故要其盡量小。在多層印制電路板變壓器結(jié)構(gòu)中，其繞組是由平行的扁平面導(dǎo)電條狀銅箔組成的，則兩個(gè)繞組間的電容可使用兩塊平行導(dǎo)電板之間的電容計(jì)算公式直接求得：CPS=ε•S/d。可見由于平面變壓器的結(jié)構(gòu)特性將會(huì)有較大的寄生電容。
表1給出了兩個(gè)不同繞組結(jié)構(gòu)的平面變壓器的寄生參數(shù)。從表1可見2＃變壓器繞組結(jié)構(gòu)的漏感要比1＃要低，但是2＃變壓器的寄生電容要遠(yuǎn)大于1＃變壓器。為了進(jìn)行比較，表1同時(shí)列出了與平面變壓器使用相同磁芯的常規(guī)變壓器，標(biāo)記為3＃。
從表1可以看出平面變壓器與常規(guī)變壓器相比漏感比較小，但是有相對(duì)較高的繞組間寄生電容。
4、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)
設(shè)計(jì)了一個(gè)運(yùn)用平面變壓器的雙管反激變換器。變換器主要參數(shù)：Vin=290～360V，Vo=12V，Po=300W，ƒ=100KHZ。
平面變壓器繞組由厚度為0.4的印制電路板制作，線圈采用雙面印制電路板，共10層。初級(jí)印制板為5層，每層每面3匝，5層串聯(lián)共30匝，銅繞組寬1.5mm、厚0.035mm，繞組匝與匝之間間隔0.2mm；次級(jí)印制板為4層，每層每面1匝，4層并聯(lián)共2匝，銅繞組寬5.1mm，厚0.035mm。繞組布局選用3.3中1＃布局方式，平面變壓器原邊電感＝516.4ｕH，漏感Ls＝19.0ｕH，高度為16mm，重量為70g。
同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)滿足變換器參數(shù)要求的常規(guī)變壓器。常規(guī)變壓器選用相同磁芯，原邊30匝，繞組使用直徑0.81mm的漆包線；副邊2匝，繞組選用0.3mm銅皮，2層并聯(lián)。繞法為“三明治”繞法，先繞制15匝原邊，再繞制副邊，最后繞制15匝原邊。變壓器LI＝516.8ｕH，漏感Ls＝25.2ｕH，高度為30.2mm，重量為120g。
由圖10對(duì)比可以看出，平面變壓器不僅漏感比常規(guī)變壓器要小，而且體積、重量也要小很多。
圖11給出了反激變換器在不同變壓器下的效率曲線。由于平面變壓器漏感小和自身?yè)p耗比較小，在全范圍負(fù)載內(nèi)都比常規(guī)變壓器的效率要高。
5、結(jié)語(yǔ)
本文論述了多層印制電路板變壓器設(shè)計(jì)制造技術(shù)，并以具體實(shí)例討論其特性。與傳統(tǒng)磁芯相比，平面型磁芯除了具有低造型、低漏感、低損耗等優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的熱特性、絕緣性、一致性和耦合性。因此，平面型功率變壓器與傳統(tǒng)功率變壓器相比能顯著提高變換器的性能、體積，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是開關(guān)電源的理想選擇。
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