平面变压器在开关电源中的应用

平面变压器在开关电源中的应用

祝锦，刘磊，孙娇俊，龚春英

（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，江苏 南京210016）

摘要：本文介绍了平面型功率变压器的特点、类型和结构，并通过具体实例论述了平面型变压器在开关电

源中的应用。

关键词：平面变压器；多层PCB；绕组；

Application of Planar Power Transformer in SMPS

Zhu Jin Liu Lei Sun JiaoJun Gong ChunYing

(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics Nanjing 210016 , China)

Abstract: The characteristic, type, structure of planar power transformer are introduced in this paper. With the practical design examples of planar power transformer in Dual Switch Flyback converter presented, the application of planar power transformer in SMPS is discussed in detail。Keywords: planar power transformer PCB winding

1 引言

近年来,随着以ISDN、LAN、个人计算机和工作站为代表的电子设备的小型化、高效率化的不断发展,轻、 薄、小成为衡量电子设备的重要标志[1]。平面变压器的出现为电源系统的小型化和高可靠性提供了一条可

行的途径。采用平面变压器可以显著降低变压器的高度, 减小体积和重量, 提高变压器的功率密度及开关

电源的性能, 从而成为实现开关电源小、轻、薄的重要手段。

2 平面变压器类型和特性

目前平面变压器有许多不同的具体实现方法，应用比较广的主要有矩阵式平面变压器、箔式平面变压器、印制板平面变压器等。其中印制板平面变压器又有两种，一种是利用单块多层板来实现；另一种是利

用多块双面板来实现。后者集成度稍差，但成本低。平面变压器在电路中可以分为独立式、嵌入式、混合

式和集成式四种类型[2]，如图1所示 。其中独立式平面变压器与常规变压器使用方法类似,变压器作为一个

独立的器件放置在一个单独的线路板上,通过引出线与其他电路相连。嵌入式平面变压器是在PCB 上预留

插入槽,把变压器放入,以降低整体高度，但其绕组仍然位于印制电路板的上方。混合式平面变压器有部分

绕组在主PCB板内部,而另一部分绕组是独立的电路层面,主PCB 板留出槽以插入磁芯。集成式平面变压器

的绕组完全利用多层PCB 实现,磁芯插入PCB 的预留位置。

图1 平面型变压器结构示意图

平面变压器与传统的变压器相比主要有如下优点：

(1)一致性好。常规变压器由于绕组间隔不规则和人工组装的不一致性都会导致器件性能有较大的差

异。平面变压器由于采用PCB技术要比常规变压器更容易实现机械加工,故有利于提高变压器绕组的一致性。

(2) 可重现性。绕组的几何形状及其有关寄生特性限定在PCB 制造公差之内(极小的公差) ,因此可实现特性重现，参数可重复性好。

(3) 低损耗性。绕组由薄铜层构成，同时整个变压器可制成扁平状，从而降低了集肤效应的损耗。

(4) 低漏感。漏感一般约为初级电感的0.2%。

(5)小型化。能量密度高, 厚度远小于常规变压器，因而体积大为缩小。

(6) 绝缘性好。平面变压器的绕组由PCB导线构成，两层绕组间夹有树脂绝缘片，从而能够保证绕组间的可靠绝缘[3]。

因此平面变压器特别适合于在内部空间小、对节能和散热要求苛刻的电子设备中使用。在国防、航空、航天等对重量和稳定性要求较高的领域,平面变压器将会发挥很大的作用。

3 平面变压器结构设计

3.1 绕组结构

平面变压器的绕组是利用印制板上的螺旋形印制线来实现的。印制板中间被挖空用于安装磁芯。各印制板之间由绝缘胶布或空白印制板绝缘。磁芯直接将印制板夹在中间，然后通过胶带或夹子固定。平面变压器的高度得到了有效的降低，同时进一步节省了体积。印制线成扁平状，其厚度一般为35μm/70μm。在频率小于14MHZ时，铜的集肤深度都小于印制线厚度的一半。通常开关电源频率远小于这个值，所以平面变压器的集肤效应可以忽略。

在多层印制电路板之间要有供绕组互联的“通孔”，绕组间的匝数通过“通孔”以串联或并联的方式彼此构成电连接。图2表示各层通过通孔用串联方式互联的布局图。

图2 绕组串联结构布局图图3 绕组并联结构布局图每层印制板都布有一排通孔且位置对齐，但是每层绕组只用其中的两个通孔，通过图2方式实现绕组串联。在低压大电流的场合，也可以通过通孔实现绕组并联，以提高变压器的电流处理能力。如图3所示。

3.2 变压器磁芯

选择合适的磁芯是保证变压器性能的关键问题。平面变压器一般采用高频功率铁氧体软磁材料制成的E型、EC、ETD和EER型磁芯、RM型等磁芯。

E型磁芯制造工艺简单，售价较便宜，是现在平面变压器很流行的磁芯形状。E型磁芯有大的绕组空间，能够提供足够的空间供大截面积的引线引出，可允许大电流通过。同时E型磁芯可以进行不同方向的安装，又由于其散热非常好，可以叠加应用更大的功率，一般大功率变压器都使用这种磁芯。但是它的缺点是不能提供自我屏蔽，同时磁芯中间柱是长方体，不能有效利用PCB上的空间，使单匝绕组的长度增加，PCB 绕组的横截面积变大，变压器的所占体积也相对较大。

RM这种类型磁芯有以下几个优点，一是由于磁芯中间柱和边缘四周都呈圆形，可降低铜线的匝长，从而降低铜损。另一个优点是能够充分利用PCB上的空间，可以减小PCB绕组的横截面积，将其设计成正方形形式，这样磁芯漏感较小。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型和罐型之间。这类磁芯和E型磁芯一样，它们能提供足够的空间供大截