高功率密度是當(dāng)今開關(guān)電源發(fā)展的主要趨勢,，要做到這一點,，一個重要的技術(shù)就是提高電源中磁元件的功率密度。平面變壓器因為特殊的平面結(jié)構(gòu)和繞組的緊密耦合,，使得高頻寄生參數(shù)得到了很大的降低,，極大地改進(jìn)了開關(guān)電源的工作表現(xiàn)，因此在近些年得到了廣泛的應(yīng)用,。本文研究了幾種不同的平面結(jié)構(gòu)和繞組制作的方式,，并且談到了設(shè)計平面變壓器的一個標(biāo)準(zhǔn)方法，這將使得設(shè)計過程變得更加簡單,，而且可以大大降低設(shè)計成本,。最后實際比較了平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器的一些參數(shù)，并給出了設(shè)計方針,。

　　引言磁元件的設(shè)計是開關(guān)電源中一個重要的設(shè)計,，因為平面變壓器在提高開關(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢，因此在近些年得到廣泛的應(yīng)用,。對于一個理想的變壓器來說,，所有的磁路穿過次級線圈,，即沒有漏磁通。對普通變壓器來說,，并不是初級線圈中產(chǎn)生的所有磁通都穿過次級線圈,。

　　1 平面變壓器的特性研究

　　平面磁芯開發(fā)成功，可實現(xiàn)平面化的變壓器設(shè)計,。由于平面變壓器要求磁芯,、繞組是平面結(jié)構(gòu),，所以應(yīng)該采用多層PCB繞組?，F(xiàn)在，已有許多公司開發(fā)出了平面變壓器,，Pulse公司開發(fā)出了平面磁性元件,，以色列佩頓公司 Payton已開發(fā)了Planetics平面變壓器，功率由5W到20KW,、頻率自20KHz到2MHz,，效率通常可達(dá)98%,，是電信,、電焊機(jī)、計算機(jī)和外設(shè),、網(wǎng)絡(luò),、醫(yī)療電子、工業(yè)控制,、安全系統(tǒng)和電子設(shè)備的理想選擇,。平面變壓器的特點是高頻，低造型,，高度很小而工作頻率很高,。 　　變壓器是電源中的一個關(guān)鍵元件。傳統(tǒng)的變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構(gòu)成,，體積龐大而且容易產(chǎn)生電磁干擾,。平面變壓器（Planar Transformer）可有效地解決體積及高頻問題。

　　平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比最大的區(qū)別在于鐵芯及線圈繞組,。平面變壓器采用小尺寸的E型,、RM型或環(huán)型鐵氧體磁芯，通常是由高頻功率鐵氧體材料制成,，在高頻下有較低的磁芯損耗,；繞組采用多層印刷電路板迭繞而成，繞組或銅片迭在平面的高頻鐵芯上構(gòu)成變壓器的磁回路,。這種設(shè)計有低的直流銅阻,、低的漏感和分布電容,，可滿足諧振電路的設(shè)計要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽,，可抑制射頻干擾,。

　　如前所述，平面變壓器的優(yōu)點主要集中在較低的漏感值和交流阻抗,。繞組問的間隙越大意味著漏感越大,，也就產(chǎn)生更高的能量損失。平面變壓器利用銅箔與電路板間的緊密結(jié)合,，使得在相鄰的匝數(shù)層間的間隙非常的小,，因此能量損耗也就很小了。

　　在平面型變壓器里,，其“繞組”是做在印制電路板上的扁平傳導(dǎo)導(dǎo)線或是直接用銅泊,。扁平的幾何形狀降低了開關(guān)頻率較高時趨膚效應(yīng)的損耗，也就是渦流損耗,。因此,，能最有效地利用銅導(dǎo)體的表面導(dǎo)電性能，效率要比傳統(tǒng)變壓器高得多,。圖1給出了一個平面變壓器的剖面圖,，并且利用兩層繞組間距離的不同，而獲得在不同間隙下的漏感和交流阻抗值,。

　　圖2與圖3給出了在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化,，可以明顯地看出間隙越大，漏感越大,，交流阻抗越小,。在間隙增加1mm的狀況下漏感值增加了5倍之多。因此,，在滿足電氣絕緣的情況下,，應(yīng)該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。

　　然而,，容性效應(yīng)在平面變壓器中是非常重要的,，在印制電路板上緊密繞制的導(dǎo)線使得容性效應(yīng)非常的明顯。而且絕緣材料的選取對容性值也有著非常大的影響,，絕緣材料的介電常數(shù)越高,，變壓器的容性值越高。而容性效應(yīng)會引起EMI,，因為從初級到次級的繞組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾,。因此，如果需要一個比較低的電容值，則必須在漏感和電容值之間做出一個折中的選擇,。

　　2 插入技術(shù)

　　插入技術(shù)是指在布置變壓器原,、副邊繞組時，使原邊繞組與副邊繞組交替放置,，增加原,、副邊繞組的耦合以減小漏感，同時使得電流平均分布,，減小變壓器損耗,。

　　現(xiàn)在插入技術(shù)的研究被分為兩個方面，即應(yīng)用于變壓器的插入（正激電路）和應(yīng)用于連接電感器的插入（反激電路）,。因此,，插入技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被放在不同的拓?fù)渲凶鳛椴煌拇判圆考硌芯俊?/p>

　　2.1 應(yīng)用于平面變壓器的插入技術(shù)

　　應(yīng)用于變壓器中的插入技術(shù)的主要優(yōu)點如下：

　　1）使變壓器中磁性能量儲存的空間減少，導(dǎo)致漏感的減少,；

　　2）使電流傳輸過程中在導(dǎo)體上理想分布,，導(dǎo)致交流阻抗的減少,；

　　3）繞組間更好的耦合作用,，導(dǎo)致更低的漏感。

　　為了說明插入技術(shù)的特征,，圖4給出了應(yīng)用3種不同插入技術(shù)的結(jié)構(gòu),，P代表初級繞組，s代表次級繞組,。圖5顯示了在500 kHz時,，3種結(jié)構(gòu)的交流阻抗和漏感值，通過比較可以很容易地發(fā)現(xiàn)應(yīng)用了插入技術(shù)的變壓器,，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少,。

　2.2 多繞組變壓器中平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

　　在發(fā)電機(jī)中，不管是線圈運(yùn)動通過磁場或磁場運(yùn)動通過固定線圈,，均能在線圈中感應(yīng)電勢,，此兩種情況，磁通的值均不變,，但與線圈相交鏈的磁通數(shù)量卻有變動,，這是互感應(yīng)的原理。變壓器就是一種利用電磁互感應(yīng),，變換電壓,，電流和阻抗的器件。

　　變頻器：通過它調(diào)整能夠達(dá)到所需要的用電頻率（50hz,60hz等）,，來滿足我們對用電的特殊需要,。 變壓器：一般為“降壓器”，常見于小區(qū)附近或工廠附近,，它的作用是將超高的電壓降到我們居民正常用電電壓,，滿足人們的日常用電,。

　　變壓器 bian ya qi利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈,、次級線圈和鐵心（磁芯）,。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓,、匹配阻抗,，安全隔離等。

　　平面變壓器另一個重要的優(yōu)點是高度很低,，這使得在磁芯上可以設(shè)置比較多的匝數(shù),。一個高功率密度的變換器需要一個體積比較小的磁性元件，平面變壓器很好地滿足了這一要求,。

　　另外,，對于多繞組的變壓器來說，繞組間保持很好的耦合非常重要,。如果耦合不理想則漏感值增大,，將會使得次級電壓的誤差增大。而平面變壓器因為具有很好的耦合,，使得它成為最佳的選擇,。

　　2.3 在不同拓?fù)渲衅矫孀儔浩鞯淖饔?/p>

　　在不同的拓?fù)渲校判栽淖饔靡彩遣煌?。在正激變換器中的變壓器,，磁性能量在主開關(guān)管開通的時候由初級繞組傳遞到次級繞組中。然而,，在反激變換器中的“變壓器”并不完全是一個變壓器,，而是兩個連接的電感器。在反激拓?fù)渲械?ldquo;變壓器”在主開關(guān)管開通的時候初級繞組儲存能量,，而在關(guān)閉的時候?qū)⒛芰總魉偷酱渭壚@組,。應(yīng)用于這種變壓器的插入技術(shù)的特點如下：

　　1）在磁芯中儲存的能量沒有減少，因為電流在某時刻只能在一個繞組中流動,，并且沒有電流補(bǔ)償,；

　　2）電流的分布并不理想，原因同上,，因此交流阻抗也沒有減?。?/p>

　　3）插入使得繞組間產(chǎn)生較好的耦合,，因此有比較小的漏感值,。

　　3 平面變壓器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

　　平面變壓器的優(yōu)點如上所述，同樣它也有缺點，其最主要的缺點就是設(shè)計的過程非常復(fù)雜,，而且設(shè)計成本也非常高,。

　　下面介紹一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計平面變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)模型的設(shè)計，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中,，從而使得設(shè)計過程大大簡化,，費(fèi)用大大降低。

　　在雙面PCB板的每一層都是由一到多匝的繞組組成的,，而且所有的層都保持著一樣的物理特性：即相同的形狀和相同的外部連接點,。在有些多匝的層次中，這個外部連接點是不同匝數(shù)間的電氣連接點,。如果有些層只有一匝,，它也可以被印制在PCB的雙面來降低交流阻抗。使用銅箔直接印制在PCB板上來替代傳統(tǒng)的導(dǎo)線,，即使在許多需要很多匝數(shù)的開關(guān)電源中,，變壓器依舊能保持一個很小的體積，這便大大減小了整機(jī)的體積,。圖6顯示了一個頂層的標(biāo)準(zhǔn)匝數(shù)設(shè)計的例子,，它使用的是罐形（RM）磁芯。

　　銅箔高度按照對應(yīng)于最大開關(guān)頻率時的趨膚深度選取,，這樣可以使銅箔的所有部分都成為電流通路,，大大減少集膚效應(yīng)的影響。因此,，應(yīng)該使每一種開關(guān)頻率對應(yīng)于不同的銅箔高度。

　　4 實驗論證

　　為了比較平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器,，分別做了兩種變壓器的模型,，一種使用平面結(jié)構(gòu)并使用了插入技術(shù)，另一種使用銅線分別在初級和次級繞制而成,。兩種變壓器都被運(yùn)用于一個互補(bǔ)控制的半橋變換器中,。兩個變壓器的參數(shù)如下：

　　初級 12匝：

　　次級兩個l匝的繞組（1：1中心抽頭）。

　　傳統(tǒng)變壓器使用漆包線作為繞組,，雖然在這些線圈中電流密度不盡相同,，選擇電流密度小于7.5A／mm。

　　平面變壓器初級繞組做成4層,，有4個并列的次級,。這個變壓器的最終結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　兩種變壓器都使用了同樣的磁芯RM10,，比較了兩種變壓器的漏感,，交流阻抗和占用的面積，結(jié)果列于表1。

　　由表1可知,，平面變壓器的漏感僅為傳統(tǒng)變壓器的1／5,，交流阻抗也僅為l／3，由此可見這將大大提高變換器的工作特性,。而且,，由于結(jié)構(gòu)的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯,。

　　5 結(jié)語

　　平面變壓器在減小漏感,、交流阻抗等方面有著非常大的優(yōu)點，并且因為體積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件,。給出了一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計平面變壓器的方法,，使得設(shè)計平面變壓器變得更加容易，成本也將大大降低,?？梢灶A(yù)見，平面變壓器將有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景,。