一、PCB平面變壓器簡(jiǎn)介

　　PCB平面變壓器可由獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)疊層電路或小型多層PCB板組件構(gòu)成，或者集成到電源多層PCB板內(nèi)。PCB平面變壓器有如下的優(yōu)點(diǎn)：

　　1.非常小的外形體積：

　　2.極好的散熱性能;

　　3.很低的漏感：

　　4.優(yōu)越的性能可重復(fù)性：
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　　通過(guò)對(duì)工作狀態(tài)下的多層PCB板型電路的平面E型變壓器的性能測(cè)試顯示，與相同的有效體積的傳統(tǒng)線繞型變壓器相比，平面變壓器的熱阻大大下降（高達(dá)50%）。這是由于平面磁芯的比表面積有很大提高，更加有利于散熱的原因，這就使得平面變壓器能夠工作在較高的功率密度下還能保持在可接受的溫升范圍內(nèi)。

　　而PCB平面變壓器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：

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

　　2.大電流時(shí)銅箔的發(fā)熱是否會(huì)引起銅銷(xiāo)與絕緣基材的分層：

　　3.為保證產(chǎn)品的可掌性，多層PCB布板時(shí)的絕緣距離如何設(shè)計(jì)等等問(wèn)題。

　　二、PCB平面變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)

　　2.1PCB平面變壓器結(jié)構(gòu)

　　平面變壓器沒(méi)有漆包線繞組，而是將扁乎的連續(xù)銅質(zhì)螺旋線刻蝕在印刷電路板上，然后疊放在磁芯上，其典型的結(jié)構(gòu)如下圖：

　　2.2變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)公式

　　設(shè)計(jì)平面變壓器和設(shè)計(jì)傳統(tǒng)變壓器所用的設(shè)計(jì)公式及所用的選擇合適磁芯的準(zhǔn)則是一樣的，計(jì)算所需的磁芯公式如下：

　　2.3最大磁感應(yīng)強(qiáng)

　　變壓器在工作狀態(tài)下的鐵損和銅損會(huì)導(dǎo)致器件環(huán)境溫度的升高，溫升必須被限制在最大允許溫度范圖內(nèi)，否則會(huì)對(duì)變壓器或其它電路造成損害。

　　要使變壓器的損耗最小，那么磁芯的鐵損和線圈的銅損應(yīng)該各占變壓器總損耗的一半，我們可以用變壓器的最大容許溫升值為變量的函數(shù)來(lái)確定磁芯的最大鐵損。其表達(dá)式如下：

　　磁芯的功率損耗是頻率f（Hz）、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B（T）、以及溫度T（℃）的函數(shù)鐵損大致如下的函數(shù)關(guān)系式：

　　公式中參數(shù)Cm，xvctctct2是通過(guò)功率損耗相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量間接得到的這些參數(shù)是由材料特性決定的。

　　注意：最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B也能通過(guò)另一種方法獲得將上面公式里的所有參數(shù)輸入相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件程序可以計(jì)算出任意波形下的功率損耗這樣做的好處在于它可以對(duì)實(shí)際的磁感計(jì)算機(jī)軟件程序可以計(jì)算出任意波形下的功率損耗這樣做的好處在于它可以對(duì)實(shí)際的磁感最佳的鐵氧體磁芯

　　2.4磁芯窗口利用系數(shù)

　　在傳統(tǒng)的變壓器中，窗口利用系數(shù)一般約為04左右，這就意味著銅填滿窗口面積的40%，另外60%的面積是用于骨架或繞線管、層間絕緣和導(dǎo)線絕緣，以及由加工技術(shù)水平的限制而多占用的空間。設(shè)計(jì)采用PCB繞制繞組的方法進(jìn)一步減小了窗口利用系數(shù)，兩種不同繞制技術(shù)的窗口利用系數(shù)K的比較如下

　　2.5電流密度J

　　在平面變壓器的設(shè)計(jì)中，一個(gè)未知的因數(shù)是電流密度J。電流密度影響銅損（調(diào)整率）以及由銅損引起的內(nèi)部溫升。一般的傳統(tǒng)變壓器中，用較低的電流密度米設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)上使用24A/mm2，而平面變壓器設(shè)計(jì)中處理電流密度的方法與傳統(tǒng)的方法不同，當(dāng)設(shè)計(jì)平面變壓器PCB繞組時(shí)，使用的是與PCB板設(shè)計(jì)相同的方法，即基于溫升的鋼導(dǎo)線寬度和厚度，般的平面變壓器繞組電流密度J選擇為20-50Amm2。

　　PCB用銅皮覆蓋，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35um，2oz鋼皮約為70um，3oz銅皮約為105um

　　據(jù)PCB供應(yīng)商介紹，一般PCB不做特殊說(shuō)明通常采用半盤(pán)司即05o（約18m）銅箔厚度來(lái)做價(jià)格約68分/m2.lo（約35um）例箔厚的價(jià)格約75分/m2，2on（約70um）銅箔厚的價(jià)格更責(zé)約8.5分/cm2，板上走較大電流時(shí)多采用2oz的板，3on約105um）及以上銅箔厚的有特殊需要通常需要定做。以上價(jià)格為FR4材料雙面板成品參考價(jià)格。實(shí)際的雙板在制作的沉銅過(guò)程中進(jìn)行電鍍，電鍍后鋼箔厚度會(huì)增加025~0.5on厚。

　　通常采用的PCB基材均為FR→4材料，銅箔的附著強(qiáng)度和工作溫度較高，由于數(shù)銅板銅箔厚度有限，在需要流過(guò)較大電流的條狀銅箔中應(yīng)考慮銅箔的載流量問(wèn)題，一般PCB允許溫度為260℃，但實(shí)際使用的PCB溫度最高時(shí)不可超過(guò)150℃，因?yàn)槿绻^(guò)此溫度就很接近焊錫的熔點(diǎn)（183℃）了。同時(shí)還應(yīng)考慮到板上元件允許的溫度，通常民品級(jí)C只能承受最高70℃，工業(yè)級(jí)IC為85℃，軍品級(jí)C最高也只能承受125℃，因此在裝有民品C的PCB上C附近的銅箔溫度就需控制在較低水平，只有在只裝耐溫較高的大功率器件（125℃-175℃）的板上才能允許較高的PCB溫度，但PCB溫度較高時(shí)對(duì)功率器件散熱的影響也是需要考慮的。

　　2.6PCB繞組的空間分布方式

　　最大磁感應(yīng)強(qiáng)度確定以后，對(duì)具體的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和變壓器類(lèi)型虢能利用相應(yīng)的公式計(jì)算出初級(jí)和次級(jí)繞組的團(tuán)數(shù)。一旦繞組的PCB被做好了，其布線就固定了，繞組將不再變化。所有的寄生參數(shù)，包括漏感都將被固定，這在傳統(tǒng)的變壓器中是不一定的。

　　在設(shè)計(jì)時(shí)有一點(diǎn)必須確定那就是繞線在層上應(yīng)該怎樣分布。導(dǎo)線上電流的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致PCB板的溫升，通常建議把繞組對(duì)稱(chēng)分布于外層以便于熱擴(kuò)散。從磁的角度來(lái)看，三明治狀?yuàn)A層式的初級(jí)和次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)是最佳的方式因?yàn)樗欣跍p小所謂“鄰近效應(yīng)的影響然而，實(shí)際PCB板上允許的繞組高度以及實(shí)際要求的線圈匝數(shù)往往難以滿足最佳設(shè)計(jì)要求考慮到成本的原因建議采用標(biāo)準(zhǔn)厚度的的覆銅層通常PCB制造商采用35或70微米的厚度厚度的選擇在控制電流引起的溫升方面扮演著重要的角色。

　　國(guó)際安規(guī)C60950中對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂（FR2或FR4）類(lèi)PCB型變壓器初級(jí)與次級(jí)之間的主要絕緣厚度要求為400微米如果主要絕緣厚度的值未要求那么繞組層間保證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(yīng)該考慮在內(nèi)。

　　繞組的導(dǎo)線寬度取決于電流強(qiáng)度和最大允許電流密度的值繞組匝間間隔是由產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)能力和成本決定的通常的規(guī)則是對(duì)于35微米厚的覆銅導(dǎo)線寬度和間隔必須大于150微米而對(duì)于70微米厚的覆銅則必須大于200微。

　　依靠PCB板制造商的生產(chǎn)能力生產(chǎn)出更小尺寸的PCB板也是可能的不過(guò)這可能意味著實(shí)際成本的增加。如下圖，每層導(dǎo)線的匝數(shù)和巨間間距分別用Ni和s表示對(duì)于實(shí)際繞由以下公式算出

　　為了滿足主體絕緣要求可能有不同的位置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案，磁芯被看作是原邊初級(jí)繞組的一部分，與副邊次級(jí)繞組的分離距離必須至少為400微米因此靠近內(nèi)層和磁芯外腿的次級(jí)繞組與磁芯的爬電安全距離必須至少為400微米這樣由于800微米必須從繞組寬度中扣除導(dǎo)線的寬度就能夠通過(guò)下面公式計(jì)算得到。

　　2.7平均匝長(zhǎng)MLT

　　為了計(jì)算繞組的直流電阻，需要平均匝長(zhǎng)MLT，當(dāng)繞組電阻知道以后，就可以計(jì)算出在額定負(fù)載下繞組的壓降，繞組平均匝長(zhǎng)有關(guān)的繞組尺寸與匝長(zhǎng)的計(jì)算如下所示：

　　2.8PCB繞組直流電阻與損耗

　　PCB繞組直流電阻可由以下公式確定

　　2.9繞的端接

　　如果對(duì)于終端的接法沒(méi)有足夠的考慮，那么平面變壓器到外部的連接效果可能會(huì)很差，由于平面變壓器使用的工作頻率比較高，所以必須考慮趨膚效應(yīng)（交流電阻）的影響，由于趨膚效應(yīng)，平面變壓器的外部引線必須盡可能的短，對(duì)于大電流而言，端接產(chǎn)生的影響會(huì)很大，低質(zhì)量的連接會(huì)使得產(chǎn)品接觸電阻大，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，甚至于燒壞產(chǎn)品。

　　連接方式也可能導(dǎo)致成本的上升，如下圖所示的兩種不同的端接方式：

　　2.10磁芯的安裝和固定

　　磁芯的固定和安裝應(yīng)該是堅(jiān)固而溫度穩(wěn)定的。使磁芯兩半安全可靠合在一起的最可行的方法之一是使用環(huán)氧樹(shù)粘合劑。當(dāng)磁芯的兩部分被環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑適當(dāng)粘合的時(shí)候，粘合劑應(yīng)該對(duì)其電性能很少或者沒(méi)有影響。這就是說(shuō)，環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑很少或者沒(méi)有在嚙合表面處附加氣隙。而實(shí)際上，使用任何環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑來(lái)固定磁芯，都會(huì)附加有一定的氣隙，因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂是由顆粒存在的，因此在使用平面芯的場(chǎng)合，磁芯的兩個(gè)端面是不能直接使用環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑來(lái)固定，只能從磁芯端面的兩側(cè)來(lái)粘接，這就降低了粘接的牢固性和可靠性同時(shí)還要仔細(xì)考慮磁芯與安裝表面之間的熱應(yīng)力問(wèn)題。構(gòu)成磁芯的鐵氧體是一種易碎的物質(zhì)，平面磁芯的截面薄、外形低，不能像傳統(tǒng)磁芯那樣緩沖那么大的應(yīng)變，因此，在平面變壓器裝配以后，在PCB與磁芯之間應(yīng)該保證一個(gè)小的問(wèn)隙以保證在整個(gè)溫度變化中有最小的應(yīng)力

　　三、設(shè)計(jì)舉例

　　3.1正激變換器