變壓器設計與DC/DC轉換器技術同步發(fā)展

引言

近年來，從事于dc/dc轉換器的設計和制造公司都承受著巨大的競爭壓力，因為市場需求不斷朝著更小體積、更高功率密度和更高效率的產品發(fā)展。無論從成本、體積還是性能來講，變壓器都是dc/dc轉換器設計中的一個關鍵器件，對dc/dc轉換器的整體性能有著舉足輕重的作用。雖然傳統(tǒng)的繞線型變壓器仍在許多較大波形因數電源中使用，但近年來幾種變壓器新技術的涌現為dc/dc轉化器設計帶來了顯著效益，平面變壓器就是一例。

獨立式和嵌入式平面變壓器

獨立式平面變壓器是利用平面銅引線框架或蝕刻/印制的銅線為繞組而構成，比傳統(tǒng)的在支架上繞銅線的變壓器占用的空間要小很多。較之線繞變壓器，精密的銅引線框架或印制繞組能更精確地符合設計規(guī)格要求，器件間的重復性水平也得到提高。 被蝕刻/印制的銅引線框架或印制繞組堆疊在平面中，與高頻鐵氧體磁芯構成變壓器的磁路，為一種低剖面的變壓器組件設計方案。在平面設計中，可獲得較大的銅導體橫截面積，更容易實現高功率密度和高電流設計。平面繞組和鐵氧體的高表面容量比，為產品提供了良好散熱功能。

線繞型變壓器在高頻工作時，受到“趨膚效應”的影響，當高頻電流通過圓柱形導體時，迫使電子由中部流向邊緣集中在銅線表面，從而減少了導體橫截面積流過的電流。而平面變壓器在高頻工作時則沒有此類情況發(fā)生，使變壓器的效率大大提高。 從制造和裝配的角度來看，平面變壓器也優(yōu)于線繞變壓器。線繞變壓器通常要求手工操作來剝去繞線端的涂料，然后蘸錫或手工焊錫。平面變壓器的壓制或蝕刻的銅片引出端，通常能形成表面貼裝終端，提高了裝配速度，降低了成本。與嵌入平面變壓器結合在一起此優(yōu)點將更為突出：鐵氧體從dc/dc轉換器pcb上穿過，而且繞組呈螺旋狀一層層地繞在印制電路板上。 盡管與嵌入式設計相比，獨立式平面變壓器占用較多的空間，但獨立式平面變壓器在近年來卻越來越受到設計人員的青睞。全嵌入式變壓器利用dc/dc轉換器的電路板作為繞線，每一組輸入/輸出電壓都需要設計不同的電路板。而且，對于嵌入式平面設計，蝕刻線圈需要使用多層電路板，總體成本較高。一些混合設計普遍利用主pcb作為初級繞線，然后用分離的小pcb作為次級來產生不同的輸出電壓。

雖然嵌入式設計具有高功率密度、良好的熱性能以及占用空間少等優(yōu)勢，但是由于其在成本、設計靈活性、可互換性方面的限制，嵌入式設計并沒有獲得廣泛應用。若生產批量較大，則可在一定程度上降低嵌入式設計的高昂成本。

抽頭繞線設計

c&d technologies公司開發(fā)出一種 “交錯”或“抽頭繞線變壓器”技術，并在公司的wpa60雙輸出1/4磚dc/dc轉換器上應用。相對于標準的平面變壓器，這種變壓器可提供更高的效率。
此設計交錯了初級和次級繞線，以減少不必要的漏電感。高漏電感將會引起不完整的耦合、損耗和瞬態(tài)電壓等缺陷 。一個直接的“初級 - 次級 - 初級”或“次級 - 初級 - 次級”的“三明治”式結構可減少漏電感。

盡管抽頭次級（或主級）變壓器具有顯著的優(yōu)點，但仍有一些重要因素需要考慮。例如，因為有較多端子，初級和次級電路的隔離將會更加復雜。而且，設計中需要的初級和次級之間的emi 屏蔽物也會增多。

其他變壓器設計

現有變壓器的設計都是基于磁性技術的。聲耦技術的大規(guī)模使用，將會使未來的變壓器更加小巧。目前，在一些低功率高電壓輸出的dc/dc轉換器設計中，已經在一定程度上采用了聲耦技術。聲耦變壓器利用壓電材料的特性，通過一個振動結構來耦合電能。在聲耦變壓器中，一個轉換器激發(fā)一種壓電材料的共振模式，然后被第二個次級轉換器截取并轉換為次級電壓。 此外，還有一些其他變壓器新技術，如使用極高工作頻率產生有效的空氣耦合進而取消鐵氧體；將變壓器和其他磁性器件（如輸出扼流圈）結合到電路中，來減少dc/dc設計的總波形因數；新磁芯材料的發(fā)展可實現低損耗高頻工作，有助于為既定的電源提供更小的變壓器。

小結

線繞變壓器已逐漸不能滿足諸如dc/dc轉換器的應用需求，受到體積大、效率低等很多不足之處的限制，使線繞變壓器正在快速地被新興產品所取代。嵌入式和獨立式平面變壓器有各有所長，實際應用中可根據具體要求選取。抽頭次級（或主級）變壓器是一個創(chuàng)新，提供了一些優(yōu)于傳統(tǒng)設計的方案。未來，從磁性變壓器到聲學變壓器的發(fā)展，將會引發(fā)出更多更廣的新產品，為dc/dc轉換器設計者的提供更加豐富的選擇。