平面變壓器有利于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

長期以來，變壓器一直是DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。因?yàn)樗鼈凅w積大、價(jià)格貴且難以制造。通過閱讀本篇文章，你可以了解平面變壓器是如何提高質(zhì)量并降低低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成本。

平面變壓器與環(huán)形變壓器有什么區(qū)別？

變壓器是任何DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的主要核心，是決定整體性能的關(guān)鍵組件。

傳統(tǒng)的變壓器和電感是繞線組件。大部分的量產(chǎn)低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器使用手工繞制的環(huán)形變壓器；對于需要多達(dá)6個(gè)獨(dú)立繞組且鐵芯直徑小至6 mm、孔徑為3 mm的變壓器來說，開發(fā)自動制造工藝極其困難。RECOM等制造商開發(fā)了自動繞線機(jī)來制造這類的微型環(huán)形變壓器，但這種解決方案非常難。

平面磁體自80年代就已存在，但早期的制造過程十分昂貴，因此平面變壓器在專業(yè)應(yīng)用之外的市場滲透率有限。然而隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，平面變壓器的成本已經(jīng)降低，因此可以開發(fā)新的應(yīng)用市場。

平面變壓器的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

圖 1: RPA100E-W 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的鐵氧體磁芯環(huán)繞著繞組形成平面變壓器

平面變壓器或電感使用多層印刷電路板(PCB)的銅層形成繞組；鐵氧體磁芯環(huán)繞著繞組，如圖1所示。為了形成所需的匝數(shù)，利用隱藏過孔將PCB層連接起來。并聯(lián)連接多個(gè)過孔可以承載足夠的電流來制成微型電源變壓器。

圖 2: 由兩個(gè)堆疊層和一個(gè)隱藏過孔所構(gòu)成的 6 匝繞組

圖2顯示了如何通過堆疊層連接隱藏過孔來形成6匝繞組。觀察這種布置是如何將繞組的兩端放置在鐵氧體磁芯的外面。初級和次級繞組通常交錯(cuò)放置以減少漏感。印刷電路板可提供機(jī)械穩(wěn)定且一致的繞組結(jié)構(gòu)，適合自動化生產(chǎn)。此外，多層PCB結(jié)構(gòu)的進(jìn)化讓繞組之間的環(huán)氧樹脂絕緣可以承受初級和次級電路之間的高隔離電壓。

平面設(shè)計(jì)確實(shí)給設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)帶來了一些挑戰(zhàn)。由于在多層PCB上布置多條走線是有難度的，因此平面變壓器最適合不需要使用復(fù)雜變壓器的DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，而半橋拓?fù)涫浅Ｒ姷倪x擇。

即便如此，層數(shù)仍有實(shí)務(wù)上和成本上的限制，因此平面磁體使用高頻PWM調(diào)制器和驅(qū)動電路來減少所需的匝數(shù)和層數(shù)。這些較高頻率造成的趨膚效應(yīng)是它們造成的主要問題。隨著頻率的增加，電荷載流子越來越移動到導(dǎo)體表面，減小有效橫截面并增加I2R損耗。將導(dǎo)體設(shè)計(jì)成扁平的(矩形)可以預(yù)防這種趨膚效應(yīng)。

多層結(jié)構(gòu)具有高耦合電容而對高頻PWM控制造成影響。必須仔細(xì)管理平面變壓器和傳統(tǒng)電路之間的耦合以避免端接損耗。磁芯氣隙和分層繞組靠近會導(dǎo)致顯著的渦流損耗，而且由于匝數(shù)比不同，因此必須為每個(gè)輸入/輸出組合設(shè)計(jì)和測試單獨(dú)的PCB。

一旦這些問題得到解決，平面技術(shù)就可以構(gòu)建極扁平變壓器以傳輸大功率，進(jìn)而讓DC/DC轉(zhuǎn)換器變得更?。簣D 1 的15W轉(zhuǎn)換器的封裝高度僅9.9 mm（0.4 英寸）！

平面設(shè)計(jì)的其他優(yōu)點(diǎn)是更好的繞組散熱、高密度設(shè)計(jì)、低漏感和高功率密度。

平面變壓器朝向更低功率邁進(jìn)

前面描述的好處使平面變壓器成為大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)中不可或缺的一部分，而RECOM現(xiàn)在正在將平面技術(shù)整合到功率更低、尺寸更小的轉(zhuǎn)換器中。

圖 3: RECOM 的 RS12-Z 12W DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用平面變壓器

圖 3 顯示了RS12-Z穩(wěn)壓DC/DC系列的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品使用帶有通孔、埋孔和盲孔的多層PCB，在非常緊湊的SIP封裝中打造出行業(yè)領(lǐng)先的12W 部件，與SIP8競爭產(chǎn)品相比功率密度提高了150%。

這個(gè)穩(wěn)壓設(shè)計(jì)在變壓器的初級側(cè)和次級側(cè)都集成了集成電路。初級側(cè)IC是一個(gè)寬輸入、推挽式變壓器驅(qū)動器。輸出（次級側(cè)）的同步降壓級用來精確調(diào)節(jié)負(fù)載。

甚至1W和2W的DC/DC轉(zhuǎn)換器也在籌劃中，從兩個(gè)產(chǎn)品系列開始。RKK系列 DC/DC轉(zhuǎn)換器具有4kVDC/1s的極高隔離適用于工業(yè)市場。標(biāo)配包含寬工作溫度范圍-40°C 至+105°C，無需降額。轉(zhuǎn)換器通過了IEC/EN/UL62368-1認(rèn)證，適用于IGBT驅(qū)動器應(yīng)用。

RYK系列DC/DC轉(zhuǎn)換器是一款低成本、通用的隔離式轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置線性穩(wěn)壓器，可提供不受負(fù)載影響的穩(wěn)定輸出。

改用平面變壓器可實(shí)現(xiàn)更加自動化的制造過程并減少人工組裝工序，從而提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。無需更改變壓器繞組以適應(yīng)不同的電壓，因此開發(fā)定制設(shè)計(jì)也變得更容易。結(jié)果就是定制設(shè)計(jì)的周轉(zhuǎn)時(shí)間更短，因?yàn)樾枰臏y試更少。

平面變壓器的時(shí)代已到來，RECOM將平面變壓器運(yùn)用在DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線來做最有效的利用。