平面变压器（2）

一土翁

平面变压器的优点：
平面变压器所使用的磁芯体积小、面积大、外形扁平，散热效果好，这样可以得到更高的效率。

• 工作温度范围宽。工作温度为-40℃～130℃。
  
  
• 工作频率范围宽。频率可从50kHz～2MHz。
  
  
• 体积小。采用了小型磁芯可相应减小体积。
  
  
• 低EMI辐射。良好的磁芯屏蔽可使辐射降到很低。
  
  
• 热传导好。热通道距离短，温升低。
  
  
• 低漏感。约为初级电感的0.2%。
  
  
• 高效率。效率可达98%～99%。
  
  
• 高电流密度。平面变压器的导线实际上是一些平面的导体，因而电流密度大。
  
平面变压器的不同制造方式：

1）绕线式平面变压器，这种方式与常规的变压器绕线方式一样，适合于高频、高压变压器的制作；
2）铜箔式平面变压器，这种方式是利用铜箔作绕组，折叠成多层线圈，适合于制造低压、大电流的变压器；

3）多层印刷板式平面变压器，这种变压器是采用印刷电路板制造工艺，在多层板上形成螺旋式线圈，适合于制造性能比较稳定的中小功率的变压器。

三种平面变压器以第三种的制造成本和技术含量最高，但是也最能发挥平面变压器的优势。由于前两种产品具有成本低、易生产等优点，所以在中国平面变压器的制造商都倾向于这两种产品的生产，而国外的众多制造商都偏向于后一种产品的生产，以便获取更大的利润空间。





PCB型变压器

优点：
①省去绕组骨架，体积小，功率密度大；

②磁路短，热传导距离短，磁表面积大，散热好；

③PCB做的绕组，能够减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗，允许载流密度高，能达到20--50A/mm2左右；

④漏感小；

缺点：

①窗口小，利用率仅为0.25-0.3，传统变压器的窗口利用率为0.4；

②变压器匝数少，磁通大，容易饱和；

③由于层与层之间距离小，所以分布电容较大；

④不适用于大电流的场合，否则窗口面积小；

⑤磁通分布不平衡，导致有的地方温度高，所以容易损坏变压器。

1．计算最大磁通密度

在工作情况下，磁芯和线圈损耗(铜损和铁损)引起温度上升。必须将绝缘和磁芯保持在最大允许温度以下，以避免变压器和其他电路发生危险。在热均衡以后，按热的欧姆定律，变压器的总损耗PT与温升ΔT 的关系：



式中Rth为变压器热阻（℃/W）；PT为变压器允许损耗功率（W）
假定变压器总损耗的一半是磁芯损耗，可将最大磁芯单位体积损耗Pc表示为变压器允许温升的函数：



磁芯的热阻为



测量出铁氧体中的损耗密度Pc与频率（f/Hz），峰值磁通密度（B/T）和温度(T/℃)的关系。磁芯材料损耗密度可近似表示为：



在这个公式中的η，α，β，c0，c1和c2是损耗密度与频率，最大磁通密度和温度曲线的拟合参数。这些参数由铁氧体材料本身决定，可以通过功率损耗相关数据测量间接得到。它们的大小在 100℃时CT等于 1。




在表 中列出了几种philips功率铁氧体拟合参 数。其它公司的材料可以近似从单位体积损耗与B的关系 曲线中求得。重新计算最大允许磁通密度：



计算损耗密度的拟合参数





2．平面变压器线圈

在决定了最大磁通密度之后，根据变换器拓扑和变压器类型（正激还是反激）的公式可以用来计算初级和次级匝数。单线圈结构应考虑以下问题：
1)必须确定线圈怎样分层。在 PCB 中导线电流要发热，为了合理地散热，建议将外层线圈与内层线 圈对称分布。
2)平面变压器磁芯线圈与常规磁芯线绕线圈不同，常规线绕线圈在窗口高度方向初级和次级层交错安排是最佳分布。而平面变压器磁芯线圈必须在窗口宽度方向交错排列才是最佳（三明治绕法）。这将减少所谓的邻近效应和漏感。但是 PCB 板中可用线圈高度和所需要的匝数不总是可能最佳设计。从成本价格观点看，建议选择标准铜箔层厚度。PCB标准的铜皮厚度是 35 或 70μm，选择层的厚度对电流引起的线圈温升起重要作用。
IEC950安全标准要求 PCB 材料（FR2 或 FR4）间有 400μm 的距离，给初级与次级，次级和次级之间主绝缘。如果不需要主绝缘，在线圈层间200μm 距离也足够了。而且考虑 PCB顶层和底层焊接丝网层大约 50μm。按电流大小和最大电流密度决定线圈的线宽度。匝间距离决定于工艺能力和成本。根据经验铜箔层的厚度 35μm，线宽和间隙大于 150μm，而对于铜箔层厚 70μm，大 于 250μm。
与 PCB 厂制造能力有关，可以做到较小尺寸，但是可能明显增加 PCB 的成本。每层的匝数和匝间的间隙分别标注上N1和s。可用的线圈宽度bw，线宽Wt计算如下:






要是需要满足主绝缘要求，就有些不同。磁芯看作初级的一部分，同时必须和次级分开 400μm。所以，在（次级）线圈间接近爬电距离接近中柱和边柱以及磁芯必须大于400μm。在这种情况下，可以从可用的线 圈宽度中必须减去800μm：







3. 决定电流在 PCB 中引起的温升


绕组直流电阻的计算

为了计算绕组的直流电阻，需要知道绕组的平均匝长，这样就可以得到额定负载下的绕组压降，绕组的平均匝长计算方法如下：






此设计方法的缺点是假定线圈的温升是直流电流产生的，而实际上是引起集 肤和邻近效应的交流产生的。集肤效应是本身电流在导体内部磁场引起的；快速的 电流变化（高频）感应交变磁通在导体内导致涡流。此涡流与主电流叠加，在导体中心相反抵消，而在导体表面相加，电流 趋向外表面。电流密度由导体中心表面向中心指数衰减。
集肤深度Δ是从导体表面向中心电流密度下降到1/e 时离开表面的距离。集肤深度决定于电导率，磁导率等材料特 性，并反比于频率的平方根。铜 60℃时 集肤深度近似为



为减少集肤效应，导体的宽度（Wt） 应小于 2Δ。这意味着 500kHz频率线宽 <200μm。如果线圈需要更宽的bW，从磁 的观点最好的解决方法应当分开成并联 匝。



电流，导线尺寸和温升之间的关系

对几种不同设计的流过交流的多层PCB线圈温度测量指出，在 1MHz 以下，频率每增加100kHz 与直流决定的值比较 PCB 额外增加温升 2℃。




参考书籍：《变压器与电感器设计手册》
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<hr/>我是54攻城狮
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