變壓器設(shè)計(jì)與DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)同步發(fā)展

    最近幾年，在電子行業(yè)的許多領(lǐng)域中，從事于DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和制造的公司都在承受很大商業(yè)和競爭壓力。市場需求已經(jīng)轉(zhuǎn)向小體積、高密度和更高效率的產(chǎn)品。 
    無論從成本、體積還是表現(xiàn)來講，變壓器都是DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵器件。因此大家都在努力去優(yōu)化該器件使其與超前的半導(dǎo)體和被動元件發(fā)展向匹配。
雖然傳統(tǒng)的繞線型變壓器仍在許多較大波形因數(shù)電源應(yīng)用中使用，但近年來幾種新技術(shù)的涌現(xiàn)為DC/DC轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)帶來顯著效益，其中一例是平板變壓器。
獨(dú)立式和嵌入式平板變壓器
    獨(dú)立式平板變壓器是利用平面銅制引線框架或印制板的銅線為繞阻而構(gòu)成。這意味著他們比傳統(tǒng)的支架上繞銅線的變壓器占有的空間要小的多。精密的銅制引線框架或印制繞組使設(shè)計(jì)規(guī)格比線繞變壓器更精確的符合要求，件件間的重復(fù)性水平也得到提高。
    蝕刻銅制引線框架或印制型繞阻被堆疊在平板中，與高頻鐵氧體磁芯構(gòu)成變壓器的磁路。該設(shè)計(jì)使其成為一個(gè)非常低剖面的變壓器組件。在平板設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)大的橫截面積銅導(dǎo)體使高功率密度和高電流的設(shè)計(jì)變得更加容易。平板繞組和鐵氧體的高表面容量比使產(chǎn)品具有良好散熱功能。
    特別是在高工作頻率下，高效是平面變壓器的一個(gè)更進(jìn)一步關(guān)鍵效益。在線繞形變壓器中，效率被“趨膚效應(yīng)”逆反影響，即當(dāng)高頻電流通過圓柱形導(dǎo)體時(shí)迫使電子由中部流向邊緣集中在銅線表面，從而減少了電流通過的導(dǎo)體橫截面積。 
    從一個(gè)完成和裝配的觀點(diǎn)來，平面變壓器也有優(yōu)于線繞變壓器。繞線變壓器通常要求手工操作來剝?nèi)ピ诶@線端的涂料，然后蘸錫或手工焊錫。在平面變壓器上的壓制或蝕刻銅片的引出端常常能形成表面貼裝終端以增長裝配速度和重復(fù)性，從面減少成本。與嵌入平面變壓器結(jié)合在一起，此優(yōu)點(diǎn)甚至更突出，此處鐵氧體從DC/DC轉(zhuǎn)換器PCB上穿過，而且繞組呈螺旋狀層層繞在印刷電路板上。
    盡管它們比嵌入式設(shè)計(jì)占用更多的空間，近年來，獨(dú)立式平面變壓器的歡迎度已經(jīng)不斷提高。因?yàn)槿度胧阶儔浩骼肈C/DC轉(zhuǎn)換器的電路板作為自己的繞線，所以每一組輸入/輸出電壓都需要設(shè)計(jì)不同的電路板。而且，對于嵌入式平面設(shè)計(jì)，因?yàn)闉榱宋g刻線圈需要使用多層電路板，所以總體成本較高。一些混合設(shè)計(jì)利用主板作為初級繞線，然后用分離的小PCB作為次級來產(chǎn)生不同的輸出電壓。這種設(shè)計(jì)也很普遍。
    雖然嵌入式設(shè)計(jì)達(dá)到高功率密度并擁有良好的熱性能以實(shí)現(xiàn)空間節(jié)約的特性，但是對于許多應(yīng)用，這些優(yōu)點(diǎn)被成本、缺乏靈活性和可互換性所限制。高生產(chǎn)量將在一定程度上抵銷嵌入式設(shè)計(jì)的較高成本。 
抽頭繞線設(shè)計(jì)
    C&D Technologies已經(jīng)開發(fā)出一種被稱為“交錯(cuò)”或“抽頭繞線變壓器”的技術(shù)，并應(yīng)用在其WPA60雙輸出四分之一磚DC/DC轉(zhuǎn)換器上。相對于標(biāo)準(zhǔn)的平面變壓器，這種變壓器提供了更高的功率。 
    此設(shè)計(jì)交錯(cuò)了初級和次級繞線，以減少不合需要的漏電感。一個(gè)直接的“三明治”式初級 – 次級 – 初級或次級 – 初級 – 次級能夠減少漏電感。高漏電感將導(dǎo)致不完整的耦合，損耗和瞬態(tài)電壓等缺陷 。
    盡管抽頭初級或抽頭次級變壓器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些重點(diǎn)需要考慮。例如，因?yàn)橛休^多的端子，初級和次級電路的隔離變的更加困難。而且，設(shè)計(jì)要求初級和次級之間EMI 屏蔽，將來會要求額外數(shù)量的屏蔽物。
更多的變壓器設(shè)計(jì)
    現(xiàn)有的變壓器的設(shè)計(jì)都是基于磁性技術(shù)。未來，聲耦合技術(shù)的大規(guī)模采取將提供變壓器設(shè)計(jì)更小化的潛能。目前，一些低功率高輸出電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)已經(jīng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了。
    聲耦變壓器利用壓電材料的特性，通過一個(gè)振動結(jié)構(gòu)來耦合電能。一個(gè)轉(zhuǎn)換器激發(fā)一個(gè)該材料的共振模式，然后被第二個(gè)次級轉(zhuǎn)換器截取并轉(zhuǎn)換為次級電壓。在變壓器設(shè)計(jì)的其它發(fā)展中，使用極高工作頻率能產(chǎn)生有效的空氣耦合，因此不需要鐵氧體。將變壓器和其它磁性器件如輸出扼流圈結(jié)合到電路中是另一大進(jìn)步，這將幫助減少DC/DC設(shè)計(jì)的總波形系數(shù)。
    最后，新磁芯材料的發(fā)展允許更高的操作頻率而且損耗低，這將有助于為一個(gè)指定的電源提供更小的變壓器。
概要
    很明顯，線繞變壓器已經(jīng)越來越不適宜用于DC/DC轉(zhuǎn)換器和其它應(yīng)用中。其大體積、低效率和不能滿足件件重復(fù)性的困難意味著它們正快速的被新近技術(shù)取代。
嵌入式和獨(dú)立式平面變壓器有他們各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選擇一個(gè)或另一個(gè)取決于應(yīng)用需要。抽頭次級（或主級）變壓器的一個(gè)創(chuàng)新而且提供一些優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。再一次強(qiáng)調(diào)，應(yīng)用將決定對于一個(gè)指定的設(shè)計(jì)，它們是否是最合適的選擇。未來，從磁性變壓器轉(zhuǎn)移到聲學(xué)變壓器的發(fā)展看起來將生產(chǎn)出一些令人振奮的新產(chǎn)品，而且DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者的選擇將越來越多。