浅谈平面变压器在开关电源中的技术优势
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。
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。
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。
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。
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