一、PCB平面變壓器簡介

　　PCB平面變壓器可(kě)由獨立的标準疊層電(diàn)路或小(xiǎo)型多(duō)層PCB闆組件構成，或者集成到電(diàn)源多(duō)層PCB闆内。PCB平面變壓器有(yǒu)如下的優點：

　　1.非常小(xiǎo)的外形體(tǐ)積：

　　2.極好的散熱性能(néng);

　　3.很(hěn)低的漏感：

　　4.優越的性能(néng)可(kě)重複性：

　　通過對工(gōng)作(zuò)狀态下的多(duō)層PCB闆型電(diàn)路的平面E型變壓器的性能(néng)測試顯示，與相同的有(yǒu)效體(tǐ)積的傳統線(xiàn)繞型變壓器相比，平面變壓器的熱阻大大下降（高達50%）。這是由于平面磁芯的比表面積有(yǒu)很(hěn)大提高，更加有(yǒu)利于散熱的原因，這就使得平面變壓器能(néng)夠工(gōng)作(zuò)在較高的功率密度下還能(néng)保持在可(kě)接受的溫升範圍内。

　　而PCB平面變壓器的設計難點在于：

　　1.尋找薄PCB絕緣基材和厚鋼銷（大于70um）的PCB，才能(néng)滿足繞組的多(duō)層（4-12層）低高度（2-3mm）以及大電(diàn)流要求;

　　2.大電(diàn)流時銅箔的發熱是否會引起銅銷與絕緣基材的分(fēn)層：

　　3.為(wèi)保證産(chǎn)品的可(kě)掌性，多(duō)層PCB布闆時的絕緣距離如何設計等等問題。

　　二、PCB平面變壓器的設計參數　　2.1PCB平面變壓器結構

　　平面變壓器沒有(yǒu)漆包線(xiàn)繞組，而是将扁乎的連續銅質(zhì)螺旋線(xiàn)刻蝕在印刷電(diàn)路闆上，然後疊放在磁芯上，其典型的結構如下圖：

　　2.2變壓器參數設計公(gōng)式

　　設計平面變壓器和設計傳統變壓器所用(yòng)的設計公(gōng)式及所用(yòng)的選擇合适磁芯的準則是一樣的，計算所需的磁芯公(gōng)式如下：

　　2.3最大磁感應強

　　變壓器在工(gōng)作(zuò)狀态下的鐵損和銅損會導緻器件環境溫度的升高，溫升必須被限制在最大允許溫度範圖内，否則會對變壓器或其它電(diàn)路造成損害。

　　要使變壓器的損耗最小(xiǎo)，那麽磁芯的鐵損和線(xiàn)圈的銅損應該各占變壓器總損耗的一半，我們可(kě)以用(yòng)變壓器的最大容許溫升值為(wèi)變量的函數來确定磁芯的最大鐵損。其表達式如下：

　　磁芯的功率損耗是頻率f（Hz）、最大磁感應強度B（T）、以及溫度T（℃）的函數鐵損大緻如下的函數關系式：

　　公(gōng)式中(zhōng)參數Cm，xvctctct2是通過功率損耗相關數據的測量間接得到的這些參數是由材料特性決定的。

　　注意：最大磁感應強度B也能(néng)通過另一種方法獲得将上面公(gōng)式裏的所有(yǒu)參數輸入相關計算機軟件程序可(kě)以計算出任意波形下的功率損耗這樣做的好處在于它可(kě)以對實際的磁感計算機軟件程序可(kě)以計算出任意波形下的功率損耗這樣做的好處在于它可(kě)以對實際的磁感最佳的鐵氧體(tǐ)磁芯

　　2.4磁芯窗口利用(yòng)系數

　　在傳統的變壓器中(zhōng)，窗口利用(yòng)系數一般約為(wèi)04左右，這就意味着銅填滿窗口面積的40%，另外60%的面積是用(yòng)于骨架或繞線(xiàn)管、層間絕緣和導線(xiàn)絕緣，以及由加工(gōng)技(jì )術水平的限制而多(duō)占用(yòng)的空間。設計采用(yòng)PCB繞制繞組的方法進一步減小(xiǎo)了窗口利用(yòng)系數，兩種不同繞制技(jì )術的窗口利用(yòng)系數K的比較如下

　　2.5電(diàn)流密度J

　　在平面變壓器的設計中(zhōng)，一個未知的因數是電(diàn)流密度J。電(diàn)流密度影響銅損（調整率）以及由銅損引起的内部溫升。一般的傳統變壓器中(zhōng)，用(yòng)較低的電(diàn)流密度米設計，經驗上使用(yòng)24A/mm2，而平面變壓器設計中(zhōng)處理(lǐ)電(diàn)流密度的方法與傳統的方法不同，當設計平面變壓器PCB繞組時，使用(yòng)的是與PCB闆設計相同的方法，即基于溫升的鋼導線(xiàn)寬度和厚度，般的平面變壓器繞組電(diàn)流密度J選擇為(wèi)20-50Amm2。

　　PCB用(yòng)銅皮覆蓋，鋼的厚度以oz（盎司）表示，例如loz，20z，30z。以盎司表示的質(zhì)量是指1平方英尺面積上的材料的質(zhì)量。因此，loz鋼皮就是1平方英尺銅皮的質(zhì)量是1盎司，即其厚度約為(wèi)35um，2oz鋼皮約為(wèi)70um，3oz銅皮約為(wèi)105um

　　據PCB供應商(shāng)介紹，一般PCB不做特殊說明通常采用(yòng)半盤司即05o（約18m）銅箔厚度來做價格約68分(fēn)/m2.lo（約35um）例箔厚的價格約75分(fēn)/m2，2on（約70um）銅箔厚的價格更責約8.5分(fēn)/cm2，闆上走較大電(diàn)流時多(duō)采用(yòng)2oz的闆，3on約105um）及以上銅箔厚的有(yǒu)特殊需要通常需要定做。以上價格為(wèi)FR4材料雙面闆成品參考價格。實際的雙闆在制作(zuò)的沉銅過程中(zhōng)進行電(diàn)鍍，電(diàn)鍍後鋼箔厚度會增加025~0.5on厚。

　　通常采用(yòng)的PCB基材均為(wèi)FR→4材料，銅箔的附着強度和工(gōng)作(zuò)溫度較高，由于數銅闆銅箔厚度有(yǒu)限，在需要流過較大電(diàn)流的條狀銅箔中(zhōng)應考慮銅箔的載流量問題，一般PCB允許溫度為(wèi)260℃，但實際使用(yòng)的PCB溫度最高時不可(kě)超過150℃，因為(wèi)如果超過此溫度就很(hěn)接近焊錫的熔點（183℃）了。同時還應考慮到闆上元件允許的溫度，通常民(mín)品級C隻能(néng)承受最高70℃，工(gōng)業級IC為(wèi)85℃，軍品級C最高也隻能(néng)承受125℃，因此在裝(zhuāng)有(yǒu)民(mín)品C的PCB上C附近的銅箔溫度就需控制在較低水平，隻有(yǒu)在隻裝(zhuāng)耐溫較高的大功率器件（125℃-175℃）的闆上才能(néng)允許較高的PCB溫度，但PCB溫度較高時對功率器件散熱的影響也是需要考慮的。

　　2.6PCB繞組的空間分(fēn)布方式

　　最大磁感應強度确定以後，對具(jù)體(tǐ)的電(diàn)路拓撲結構和變壓器類型虢能(néng)利用(yòng)相應的公(gōng)式計算出初級和次級繞組的團數。一旦繞組的PCB被做好了，其布線(xiàn)就固定了，繞組将不再變化。所有(yǒu)的寄生參數，包括漏感都将被固定，這在傳統的變壓器中(zhōng)是不一定的。

　　在設計時有(yǒu)一點必須确定那就是繞線(xiàn)在層上應該怎樣分(fēn)布。導線(xiàn)上電(diàn)流的流動會導緻PCB闆的溫升，通常建議把繞組對稱分(fēn)布于外層以便于熱擴散。從磁的角度來看，三明治狀夾層式的初級和次級繞組結構是最佳的方式因為(wèi)它有(yǒu)利于減小(xiǎo)所謂“鄰近效應的影響然而，實際PCB闆上允許的繞組高度以及實際要求的線(xiàn)圈匝數往往難以滿足最佳設計要求考慮到成本的原因建議采用(yòng)标準厚度的的覆銅層通常PCB制造商(shāng)采用(yòng)35或70微米的厚度厚度的選擇在控制電(diàn)流引起的溫升方面扮演着重要的角色。

　　國(guó)際安(ān)規C60950中(zhōng)對環氧樹脂（FR2或FR4）類PCB型變壓器初級與次級之間的主要絕緣厚度要求為(wèi)400微米如果主要絕緣厚度的值未要求那麽繞組層間保證200微米的絕緣距離是足夠的而且在頂層和底層的大約10微米厚的阻焊層也應該考慮在内。

　　繞組的導線(xiàn)寬度取決于電(diàn)流強度和最大允許電(diàn)流密度的值繞組匝間間隔是由産(chǎn)品生産(chǎn)技(jì )術能(néng)力和成本決定的通常的規則是對于35微米厚的覆銅導線(xiàn)寬度和間隔必須大于150微米而對于70微米厚的覆銅則必須大于200微。

　　依靠PCB闆制造商(shāng)的生産(chǎn)能(néng)力生産(chǎn)出更小(xiǎo)尺寸的PCB闆也是可(kě)能(néng)的不過這可(kě)能(néng)意味着實際成本的增加。如下圖，每層導線(xiàn)的匝數和巨間間距分(fēn)别用(yòng)Ni和s表示對于實際繞由以下公(gōng)式算出

　　為(wèi)了滿足****絕緣要求可(kě)能(néng)有(yǒu)不同的位置結構實現方案，磁芯被看作(zuò)是原邊初級繞組的一部分(fēn)，與副邊次級繞組的分(fēn)離距離必須至少為(wèi)400微米因此靠近内層和磁芯外腿的次級繞組與磁芯的爬電(diàn)安(ān)全距離必須至少為(wèi)400微米這樣由于800微米必須從繞組寬度中(zhōng)扣除導線(xiàn)的寬度就能(néng)夠通過下面公(gōng)式計算得到。

　　2.7平均匝長(cháng)MLT

　　為(wèi)了計算繞組的直流電(diàn)阻，需要平均匝長(cháng)MLT，當繞組電(diàn)阻知道以後，就可(kě)以計算出在額定負載下繞組的壓降，繞組平均匝長(cháng)有(yǒu)關的繞組尺寸與匝長(cháng)的計算如下所示：

　　2.8PCB繞組直流電(diàn)阻與損耗

　　PCB繞組直流電(diàn)阻可(kě)由以下公(gōng)式确定

　　2.9繞的端接

　　如果對于終端的接法沒有(yǒu)足夠的考慮，那麽平面變壓器到外部的連接效果可(kě)能(néng)會很(hěn)差，由于平面變壓器使用(yòng)的工(gōng)作(zuò)頻率比較高，所以必須考慮趨膚效應（交流電(diàn)阻）的影響，由于趨膚效應，平面變壓器的外部引線(xiàn)必須盡可(kě)能(néng)的短，對于大電(diàn)流而言，端接産(chǎn)生的影響會很(hěn)大，低質(zhì)量的連接會使得産(chǎn)品接觸電(diàn)阻大，導緻發熱嚴重，甚至于燒壞産(chǎn)品。

　　連接方式也可(kě)能(néng)導緻成本的上升，如下圖所示的兩種不同的端接方式：

　　2.10磁芯的安(ān)裝(zhuāng)和固定

　　磁芯的固定和安(ān)裝(zhuāng)應該是堅固而溫度穩定的。使磁芯兩半安(ān)全可(kě)靠合在一起的最可(kě)行的方法之一是使用(yòng)環氧樹粘合劑。當磁芯的兩部分(fēn)被環氧樹脂粘合劑适當粘合的時候，粘合劑應該對其電(diàn)性能(néng)很(hěn)少或者沒有(yǒu)影響。這就是說，環氧樹脂粘合劑很(hěn)少或者沒有(yǒu)在齧合表面處附加氣隙。而實際上，使用(yòng)任何環氧樹脂粘合劑來固定磁芯，都會附加有(yǒu)一定的氣隙，因為(wèi)環氧樹脂是由顆粒存在的，因此在使用(yòng)平面芯的場合，磁芯的兩個端面是不能(néng)直接使用(yòng)環氧樹脂粘合劑來固定，隻能(néng)從磁芯端面的兩側來粘接，這就降低了粘接的牢固性和可(kě)靠性同時還要仔細考慮磁芯與安(ān)裝(zhuāng)表面之間的熱應力問題。構成磁芯的鐵氧體(tǐ)是一種易碎的物(wù)質(zhì)，平面磁芯的截面薄、外形低，不能(néng)像傳統磁芯那樣緩沖那麽大的應變，因此，在平面變壓器裝(zhuāng)配以後，在PCB與磁芯之間應該保證一個小(xiǎo)的問隙以保證在整個溫度變化中(zhōng)有(yǒu)最小(xiǎo)的應力

　　三、設計舉例　　3.1正激變換器