高功率密度是當(dāng)今開關(guān)電源發(fā)展的主要趨勢(shì)，要做到這一點(diǎn),，一個(gè)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?yàn)樘厥獾钠矫娼Y(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(jì)平面變壓器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法,，這將使得設(shè)計(jì)過程變得更加簡單，而且可以大大降低設(shè)計(jì)成本,。最后實(shí)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(jì)方針。
引言磁元件的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源中一個(gè)重要的設(shè)計(jì),，因?yàn)槠矫孀儔浩髟谔岣唛_關(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢(shì),，因此在近些年得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于一個(gè)理想的變壓器來說,，所有的磁路穿過次級(jí)線圈,，即沒有漏磁通。對(duì)普通變壓器來說,，并不是初級(jí)線圈中產(chǎn)生的所有磁通都穿過次級(jí)線圈,。
1 平面變壓器的特性研究
平面磁芯開發(fā)成功，可實(shí)現(xiàn)平面化的變壓器設(shè)計(jì)。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。現(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?？蛇_(dá)98%,，是電信、電焊機(jī),、計(jì)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(diǎn)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(gè)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(jì)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(jì)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(diǎn)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(shí)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(gè)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(duì)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(huì)引起EMI，因?yàn)閺某跫?jí)到次級(jí)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(gè)比較低的電容值，則必須在漏感和電容值之間做出一個(gè)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(shí)，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(shí)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(gè)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(diǎn)如下：
1）使變壓器中磁性能量儲(chǔ)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(jí)繞組,，s代表次級(jí)繞組,。圖5顯示了在500 kHz時(shí)，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(shì)
在發(fā)電機(jī)中,，不管是線圈運(yùn)動(dòng)通過磁場(chǎng)或磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)通過固定線圈,，均能在線圈中感應(yīng)電勢(shì)，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(dòng)，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(duì)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(jí)線圈、次級(jí)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(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)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(gè)高功率密度的變換器需要一個(gè)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(duì)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(huì)使得次級(jí)電壓的誤差增大,。而平面變壓器因?yàn)榫哂泻芎玫鸟詈?，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?，磁性元件的作用也是不同的,。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(shí)候由初級(jí)繞組傳遞到次級(jí)繞組中,。然而,，在反激變換器中的“變壓器”并不完全是一個(gè)變壓器，而是兩個(gè)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(shí)候初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量,，而在關(guān)閉的時(shí)候?qū)⒛芰總魉偷酱渭?jí)繞組。應(yīng)用于這種變壓器的插入技術(shù)的特點(diǎn)如下：
1）在磁芯中儲(chǔ)存的能量沒有減少,，因?yàn)殡娏髟谀硶r(shí)刻只能在一個(gè)繞組中流動(dòng),，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??；
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(jì)
平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)如上所述,，同樣它也有缺點(diǎn)，其最主要的缺點(diǎn)就是設(shè)計(jì)的過程非常復(fù)雜,，而且設(shè)計(jì)成本也非常高,。
下面介紹一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)模型的設(shè)計(jì)，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中,，從而使得設(shè)計(jì)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(diǎn),。在有些多匝的層次中,，這個(gè)外部連接點(diǎn)是不同匝數(shù)間的電氣連接點(diǎn)。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(gè)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(gè)頂層的標(biāo)準(zhǔn)匝數(shù)設(shè)計(jì)的例子,，它使用的是罐形（RM）磁芯,。
銅箔高度按照對(duì)應(yīng)于最大開關(guān)頻率時(shí)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(duì)應(yīng)于不同的銅箔高度,。
4 實(shí)驗(yàn)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(jí)和次級(jí)繞制而成,。兩種變壓器都被運(yùn)用于一個(gè)互補(bǔ)控制的半橋變換器中。兩個(gè)變壓器的參數(shù)如下：
初級(jí) 12匝：
次級(jí)兩個(gè)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(jí)繞組做成4層,，有4個(gè)并列的次級(jí)。這個(gè)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(diǎn),，并且因?yàn)轶w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(jì)平面變壓器的方法，使得設(shè)計(jì)平面變壓器變得更加容易,，成本也將大大降低,。可以預(yù)見,，平面變壓器將有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景,。