平面变压器在开关电源中的应用

唐浩然

摘要：平面变压器的体积较小，高度较低，结构上具有较好的优势，也具备较好的重复性、准确性、低漏感以及交流电阻较小等特点，而正因为如此，平面变压器在开关电源中有着非常广泛的应用，关于其的研究也较多。本文即分析平面变压器在开关电源中应用的技术优越性。

关键字：开关电源;平面电压器;功率密度;较差绕组

1、前言

随着电子信息技术的发展，各种各样的电子设备出现在人们的视野当中，而在电子设备升级换代的同时，平面变压器因为其优秀的结构性能而被广泛的应用于高频率、高功率密度的开关电源中，相比于其他的变压器设备有着非常优异的性能。本文即针对于平面变压器进行研究，探讨其在开关电源中的应用。

2、平面变压器的特性研究

2.1平面变压器的结构特点

为了能够让热温升得到有效的控制，就需要变换器具备高效率和高表面积，从而达到最大限度的热量传递，而扁平化封装外壳则可以达到这一点。目前可以做到扁平封装的只有平面变压器，因为这种变压器具备平面化的磁芯，体积较小，高度低，结构上相较普通变压器则更加紧凑。通过紧密的磁芯几何形状，平面变压器能够有效的控制热点的产生，降低热耗。并且平面变压器在垂直方向上的尺寸大大减小，从而能够包容更高的能量密度，其散热能力也较好。简单来说，平面变压器具备效率高、功率大、绝缘性好的特点[1]。

2.2平面变压器的优势

与传统的变压器相比，平面变压器有其自身的优势。首先就是平面变压器的单匝原边绕组和单匝的副边绕组耦合较紧，所以其漏感很小，在电源开关的使用中也就避免了过大的损耗，减少在电路中其他的部件所承受的应力。而平面变压器的频率特性也较好，一般可以工作在100-500kHz之间，且其贴近底板固定，具备非常好的散热性能，不存在局部过热点的问题。其次是平面变压器在热耗散问题方面的巨大优势使得其能够具备高磁通密度和紧封装来达到更高功率的密度，具备非常好的可靠性，即使有一处磁芯损坏了也能够通过剩余的磁芯，变压器的生产成本以及其价格都大幅度降低。

3、平面变压器的类型

目前平面变压器在开关电源中的应用可以分为独立式和嵌入式两种情况。所谓独立式平面变压器就是一种利用平面钢制引线框或者印制板的铜线为绕组而构成的。独立式平面变压器是通过蚀刻铜制引线框架或者印制型绕组被堆叠在平面中，与高频铁氧体磁芯构成变压器的磁路，并且通过更加精细的铜制引线框架能够更好的达到使用要求。可以说，无论是转换效率还是生产加工，独立式平面变压器都要优于线绕变压器。嵌入式变压器是通过DC-DC转换器的电路板作为自己的绕组，相比于独立式变压器，其体积更小，但是却需要针对于每一组输入/输出电压设计不同的电路板，所以其加工成本要更高于独立式变压器，灵活性和可互换性也较为缺乏[2]。

4、平面变压器在开关电源中的应用设计

4.1平面变压器在开关电源中的应用设计原理

平面变压器在开关电源中的应用设计原理包括三点，即分别是工作磁通密度B、变压器的绕组结构、PCB绕组温升。在工作磁通密度层面，由于平面变压器在高频工作时会导致铁氧体磁芯以及绕组的损耗，而这些损耗将会转化为热量进而促使变压器的温度提高，所以温升参数则显得十分重要。通过研究可得，变压器的温升与工作磁通量相关，满足一定的经验关系式。在变压器的绕组结构层面，就是通过已经得到的工作磁通量来达到对变压器的参数、拓扑结构、类型、原边和副边绕组的匝数进行确定。其参数包括输出电流、PCB板的敷铜厚度等。最后则是PCB绕组温升层面，也就是对PCB板上绕组的温升进行计算，进而验证设计的合理性[3]。

4.2平面变压器PCB绕组的设计

由于在平面变压器的应用中，主要显现出来的缺点就在于其绕组设计的复杂性较高，这直接导致了绕组设计成本的提高，可以通过对PCB板的设计来简化设计过程。通过双面PCB板的设置，每一层都由一匝到多匝的绕组，并保持每一层都具备统一的物理特性，包括形状以及外部连接点。而在多匝的层次中，这些外部连接点也就是不同匝數之间的电气连接点。在一匝的层次中，通过将其印制在PCB的双面来降低交流阻抗。设计中需要精确到每匝铜箔厚度，并保证PCB绕组与磁芯相互匹配，从而达到更好的开关频率效应以及工艺精度，减小装配的难度。

4.3绕组间距的选择

平面变压器的漏感值与绕组间有着非常紧密的联系，所以为了能够改变漏感的大小可以直接对绕组间的距离进行改变。通过对各项研究数据的查阅和分析表明，绕组间的距离越大，漏感也就相应的越大，而相反则体现出较小的漏感，且其变化的趋势较为明显。因此，对漏感的减小可以从绕组间距的选择入手，并且要选用最薄的绝缘体来满足电气的绝缘需要。值得注意的是，绕组间的容性效应不能够被忽略，因为印制电路板上紧密结合的导线向的容性效应较为明显，容易引起电磁干扰。为了达到最好的效果，还需要结合电容值和漏感两个因素的考虑，作出平衡的选择。

4.4绕组交叉布置

所谓绕组交叉布置，就是说在对变压器的原、副边绕组的布置中，将原边以及副边绕组进行交替放置，从而达到对原、副边绕组的有效耦合。这种绕组交叉技术能够有效的减小漏感，并促进各层绕组之间的电流平均分布，从而减少变压器的损耗。目前，对于绕组交叉技术有三种绕组结构，即分别是次级绕组（以下简称次级）-初级绕组（以下简称初级）-次级-初级、初级-次级-次级-初级、次级-初级-初级-次级。这三种结构都采用交叉技术，并且次级-初级-次级-初级这种间隔交叉技术更具耦合性，能够达到最好的工作效果。在相同的频率下，这种间隔交叉技术能够达到更低的交流阻抗以及漏感值。可以说，绕组交叉技术是目前最有效的一种绕组结构。

5、平面变压器在开关电源中的发展趋势

上述提到了关于平面变压器在开关电源中的应用设计思路，可以说自从开关电源发明以来，对于平面变压器的研究就已经开始了。时至今日，一些发达国家的研究单位早就已经开始了关于高频开关电源方面的研究，并且已经得到了非常好的成果。比如说加州理工大学提出了准谐振开关变压器综合与分析的方法，在理论层面具有非常好的代表性。而在实际应用层面，目前许多国家已经开始实行了0.5-3MHz的高频开关电源，并有较大的普及，设定了在100W以下的开关电源中的频率标准。对于我国来说，因为我国在开关电源平面变压器方面的研究较少，在技术和理论层面还尚有欠缺，但是因为近年来各高校和研究机构对于科研力度的加大，我国在开关电源理论方面有了非常大的突破，比如说电子科技大学已经在开关电源的建模、仿真设计、拓扑结构等方面有了大量的研究，而受到磁性材料性能的限制，目前我国还存在有高频化、轻型化、小型化和高可靠度方面的问题，对于高频变压器方面的研究还需要加大力度，达到电子设备的升级换代[4]。

6、结束语

综上所述，平面变压器的优势众多，包括体积小、高度低、散热好、制作准确等，所以广泛的应用在了开关电源上，并获得了非常好的应用效果。本文就是针对于平面变压器进行了概述，并对平面变压器在开关电源上的应用进行了优化设计，在文章的最后探讨了国内外关于平面变压器在开关电源中应用的研究趋势，希望能够对相关人员提供参考。

参考文献

[1]赵映. 平面变压器综合优化设计研究[D].华中科技大学，2016.

[2]时坤. 开关电源变压器的优化设计及应用[D].湖南大学，2013.

[3]梁琦，曾庆轩.开关电源中的平面变压器技术与应用[J].科技导报，2007（16）：73-78.

[4]魏晨，谢运祥，宋静娴.平面变压器在开关电源中应用的优越性分析[J].电源世界，2006（06）：35-38+48+58.