开关电源变压器匝数计算(开关电源变压器设计)

平面变压器发展的必然性

由于涡流效应，磁性元件的线圈损耗在高工作频率和大电流下显著增加，不仅降低了效率，还导致温升增加，增加了热设计的难度，限制了开关功率变换器功率密度的进一步提高。因此，迫切需要研究线圈损耗模型、设计工艺和开发新的线圈结构来降低其损耗，这也是电力电子高频磁技术的一个非常重要的研究内容。国外学术界和工业界对此进行了积极的研究。国内虽然开展了磁集成等高频磁技术的研究，但对线圈技术的研究很少。

传统的绕线式磁性元件线圈结构单一，散热特性差，参数一致性差，不能满足开关电源高频低截面的发展趋势。低截面平面磁性元件克服了传统磁性元件的缺点，应用广泛。由于平面变压器的高功率密度、低窗口高度以及更高的工作频率和电流，对线圈结构和设计技术提出了更高的要求，特别是对于高频大电流的应用。为了兼顾高频涡流效应和载流面积，一些传统的线圈结构和设计方法已经不再适用。在平面变压器中，铜箔/PCB印刷电路板线圈被广泛使用。

几种类型的平面变压器

平面变压器的分类:平面变压器根据设计和制造工艺的不同，可分为印刷电路(PCB)型、厚膜型、薄膜型和亚微米型。今天重点介绍PCB型平面变压器！

1.PCB变压器

PCB(印刷电路板)变压器可以省去绕组骨架，增加散热面积，降低高频工作时集肤效应和邻近效应引起的涡流损耗，增加电流密度，最高可达20A/mm，功率高，工艺简单。但是用PCB，窗口利用率低，只有0.25~0.3，而传统变压器的窗口利用率是0.4，体积也大。PCB变压器功率为20kW，频率为兆赫。采用脉冲的平面工艺，多层PCB夹在磁芯之间，薄型高效铁氧体平面变压器底面积小，高度仅7.4mm，工作频率150~750kHz，工作温度-400~1300。

2.厚膜变压器

厚膜变压器是为了克服薄膜变压器导体电阻高的缺点而提出的。以氧化铝为基板，一次和二次绕组通过厚膜工艺印刷在上下表面。铁氧体制成的平面变压器在2MHz时效率为85%，输出功率为75 W，采用厚膜工艺制造的平面变压器效率普遍较低，因此寻求进一步的技术改进平面变压器的厚膜工艺是实现平面变压器高频集成的关键。

3.薄膜变压器

A型薄膜变压器是一种用磁性薄膜研制的叠片式微型变压器。薄膜高度小于1mm，工作频率超过1MHz。体积小，易于集成，但只适用于低功耗。它们大多使用金属磁性材料，如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金。主要是因为它们具有高BS和高渗透性。Tsuijimotl等人用带绝缘膜(厚度100μm)和非晶CoNbZr膜(1.8μm)的胶带(铜厚35μm，长34mm，宽3mm)组成高频输出电压可控的薄膜变压器——针孔变压器，还做了厚度210 μ m的片式变压器，由两片10 μ m厚的CoZr非晶薄膜组成，用于5V、0.3A、1MHz开关电源。77.5%的铁氧体材料(主要是MnZn)也可以制成薄膜变压器，但常规方法很难制成合适的微磁薄膜，因此需要开发新的成膜技术。目前国外主要采用PVD、CVD等沉积技术结合化学刻蚀、激光烧蚀、光照低温镀膜等成膜技术。山口K设计制造的微型变压器等。面积仅为2.4mm×3.1mm，在10MHz下效率可达67%。

4.亚微米变压器

亚微米变压器采用化学法合成，以低温(900℃)烧结的NiCuZn铁氧体为介质材料，以Ag为内电极，采用流延和丝网印刷技术制备。它体积小，重量轻，易于集成，工艺简单。设计了外形尺寸分别为2.1cm×2.1cm×1mm和8mm×8mm×1mm的两种片式亚微米变压器，变比分别为6和4，工作频率为1～10 MHz。亚微米平面变压器结构新颖，改变了传统变压器的结构特点。变压器的一、二次绕组采用丝网印刷技术烧结在铁氧体材料中，外观类似于表面贴装集成电路器件。亚微米平面变压器的电性能测试表明:①在空的负载下，变压比随着输入电压的增大先增大后减小，在范围内达到最大值。此外，变压比随着输入信号频率的增加而增加。②在一定的输入频率和电压下，输出功率随着负载的增大先增大后减小，存在一个输出功率最大的负载电阻值。③在输入电压和输出负载一定的情况下，随着输入电压频率的增加，变压器的变压比逐渐增加，当输入电压频率高于某一临界值时，变压比基本保持不变。波形失真的程度随着输入电压频率的增加而降低。④在固定输入频率下，存在一个饱和负载电阻值。当负载电阻值小于饱和负载电阻值时，变压器的输出电压随着负载的增大而增大，但当负载电阻值大于饱和负载电阻值时，输出电压变化很小或基本保持不变。随着频率的增加，饱和负载的电阻值逐渐增大。当负载电阻值等于饱和负载电阻值时，变压器的变压比基本不随输入电压的变化而变化，但随着输入电压的增加，输入输出电压的波形畸变程度增加。

新手用平面变压器常见问题解答

什么是平面变压器？

答:平面变压器是近年来在国内开始流行的一种新型变压器。它的特点是整体高度低，形状扁平，并有许多特殊的电气优点。使用软磁铁氧体功率材料作为磁芯，是支撑未来电源、改变人类使用电器的关键核心器件。

问:平面变压器的技术特点是什么？

答:下表基本概括了平面变压器的优越性能:

问:平面变压器的结构特点是什么？

回答:平面变压器和传统高频变压器最大的区别就是基本不用铜线进行绕线，内部没有传统的骨架。通常有两种方法来制作它的线包:

1)铜箔式平面变压器，以铜箔为绕组，折成多层线圈，适用于制造低压大电流变压器；

2)多层印制板平面变压器，采用印刷电路板的制造工艺，在多层板上形成螺旋线圈，适用于制造性能稳定的中小型电力变压器。

问:平面变压器有什么技术优势？

答:

(1)平均电流分配

典型平面变压器的次级绕组有几个并联线圈。每个次级绕组与同一个初级绕组耦合。因此，次级电流产生的安匝数等于初级绕组产生的安匝数(忽略励磁电流)。这个特性对于并联整流器电路特别有用。各绕组电流分配相等，不会影响并联整流电路中的其他元件。

(2)高电流密度

平面变压器具有出色的温升特性设计。由于这些特点，它可以在较小的封装体积内实现较高的电流密度，又由于其结构特点，完全满足高频电流的工作特性，因此适用于高频场合。

(3)高效率

低漏电感可以使其具有快速的开关时间和低交叉损耗，从而可以使其达到高效率。由于次级绕组和初级绕组紧密接触，该变压器具有高耦合系数，因此具有高效率和低损耗。

(4)高功率密度。

由于平面变压器元件体积小，具有优良的散热特性，可与相关半导体器件和电感紧密封装，电流密度可达30A/模块。

(5)成本低。

整个变压器由几个相关的廉价元件组成，装配非常方便。PCB板前期开发成功后，采用印刷加工方式，所以整个变压器的成本很低。

(6)连接件成本低。

因为它的漏电感小，开关损耗低，所以与它连接的元件上的应力减小。因此，与其连接的部件可以使用低成本的功率元件。

(7)良好的散热特性。

平面变压器是一种高表面积比、热通道短的元件。这种结构有利于散热。一次绕组和二次绕组之间的匝间损耗小，磁芯的功率损耗小，可以实现高磁通密度。它可以在-400摄氏度到1300摄氏度之间工作。

(8)低漏电感

并且通过绕组和绕组之间的良好耦合，绕组的匝之间的漏电感可以保持在最小值。输出和辅助元件之间的连接短而紧密，因此绕组上的漏电感最小。低漏电感意味着变压器的EMI指标更好，对开关功率器件的损害最小。

(9)优良的高频特性。

在此之前，变压器高频运行时，开关损耗会增大，变压器会过热。平面变压器的出现解决了这些问题。平面变压器可以提供一种经济且良好的变压器模块。它可以在100 kHz到2000 kHz之间工作。

(10)结构简单，适用于表面粘贴。

平面变压器由少量元件和最少数量的绕组组成。这种模块特别适合自动化组装，其外形注定适合表面贴装和大规模流水线生产。

(11)低剖面适合整机小型化。

在平面变压器中使用的磁芯是小的，并且它以扁平形状布置在变压器的表面上。每个磁芯单元的形状在8 mm ~ 32 mm的范围内，这使得它具有许多独特的优点。

(12)绝缘强度高

平面变压器可以很容易地使用绝缘膜或绝缘材料，根据所需的层数和厚度对变压器的介质绝缘进行绝缘，以满足所需的技术要求。

问:平面变形金刚能代表未来变形金刚的发展方向吗？

答:是的。小型变压器的发展是电子和信息技术的需求，变压器的小型化是变压器技术发展的必然趋势。目前，铁氧体磁芯平面变压器因其体积小、功率密度高而成为微型变压器的主流。基于微制造技术的薄膜变压器和已经发展了很长时间的压电变压器还处于不成熟的发展阶段，还不能用于大功率、大变比的实际工程中。随着电子技术的快速发展，铁氧体平面变压器将在大功率模块化电源中发挥主要作用。而且随着技术的不断成熟，平面变压器势必成为变压器、转换器、电感的首选。

问:平面变压器看起来像什么？

这里有一些它的照片。

问:平面变压器的结构为什么是这样的？

答:这一切都是因为技术的发展和社会的需要。第一代变压器使用铁芯，即所谓的硅钢片。这种变压器制作的电源体积庞大，效率极低，一般转换效率在50%左右。适用于现有50Hz工频供电网络。为了减轻重量和提高转换效率，于是人们提出了开关电源的概念。电气工程师逐渐将开关电源的工作频率从10KHz提高到100KHz，其中使用了第二代变压器——铁氧体高频变压器。由于铁氧体变压器的体积和重量大大减小(例如20KHz的工作频率是原来50Hz的400倍)，整个电源的体积和重量大大减小，效率从原来的50%提高。但是，人们仍然不满足，他们希望不断提高工作频率。人们自然意识到，要获得更高效率、更小体积、更高功率密度和更好质量的电源，唯一方便有效的方法就是提高开关电源的工作频率。这里有必要看一下电磁场中的法拉第电磁感应定律。

关于PCB平面变压器

PCB变压器可以指位于印刷电路板上的变压器，或者包含PCB的变压器。在本文中，PCB变压器是指位于印刷电路板上的变压器，而不是包含PCB的变压器。

用于印刷电路板的变压器必须是紧凑的，因此它没有复杂的冷却机构，该冷却机构必须不时地结合到其它变压器设计中。这些变压器通常有最高和最低温度的额定值；在此额定值下操作是可能的。只要保持在这个温度范围内，变压器就可以提供可靠的服务，因为它是变压器，可以连续提供几十年的服务。

要了解印刷电路板变压器的工作原理，就要知道什么是印刷电路板，以及它的工作原理。

什么是印刷电路板？

印刷电路板(PCB)是连接各种电子元件的非常紧凑和简单的方式。印刷电路板使用由层压在绝缘表面上的铜片制成的路径，而不是标准布线。路径是由酸蚀刻在电路板上的。

配备有线设备的印刷电路板称为印刷电路板。可以发现，印刷电路板和印刷电路板用于各种电子应用中。大多数人都熟悉位于计算机内部的印刷电路板(PCB)的设计，它提供了设备所需的各种组件。它以极其紧凑的装置形式运行，生产经济，性能优良，使用寿命长。

PCB的历史

虽然大多数人可能认为印刷电路板是现代发明，但事实上，这些设备的使用在100多年前就开始了。最初的实验涉及到仍在使用的该过程的早期版本。例如，在20世纪初，托马斯·爱迪生曾致力于使用亚麻纸作为印刷电路板。其他发明家也致力于同样的想法，使用不同的材料和技术，试图在表面蚀刻出永久的电路。

第二次世界大战前，印刷电路板已经投入使用。它用于炸弹的近炸引信。像第二次世界大战期间迅速发展的大多数技术一样，印刷电路板最终使这项技术进入了消费市场。在20世纪50年代之前，出现了配备印刷电路板的消费设备。

用户看到的第一批印刷电路板是有导线的，所有的元器件都贴在印刷电路板上，而且往往是从下面用导线连接。但随着技术的发展，元件只排列在印刷电路板表面的情况越来越普遍。随着时间的推移，这种技术已经成为一种普遍的做法。

现在的印刷电路板都有极其复杂和强大的电子器件，抗冲击和耐用，没有与安装在电路板上的实际物理导线相关的缺点。

PCB的材料是什么？

令人惊讶的是，制作一个印刷电路板只需要四个简单的元件。用户在制作印刷电路板时，只需要铜箔、覆铜薄层压板、浸树脂布、非覆铜薄层压板。

虽然成分简单，但制作过程相当复杂。大多数人熟悉的部分工艺是蚀刻。蚀刻非常简单，并且允许以可承受的价格大量生产印刷电路板。

印刷电路板上不应出现能溶解铜的材料。留下的所有零件都是要并入电路板的路径。厂商也可以做双面电路板，利用其他技术让电路板更加多样化。

现在可以看到，电子设备中使用的电路板就是这类技术的典型应用。多年来，它的结构经历了许多变化。随着工艺的提高，电路的复杂程度大大提高，可以安装在印刷电路板上。

业余爱好者也可以自己制作印刷电路板。所需的印刷电路板模型可以用胶片或激光打印机制作，拆下后只剩下电路板。

什么是PCB变压器？

PCB是专门为印刷电路板设计的变压器。它通常是一种表面安装器件，位于电路板表面，提供可能需要的任何变换或电流变换。

这些设备具有各种性能和尺寸，因此它们可以被任何可想象的产品选择。同时也有廉价的元器件，使得印刷电路板以更经济可行的方式生产电子元器件。

还有一个无芯PCB变压器。这大大减小了变压器的尺寸，尽管这些设备仍处于实验阶段。但是，这种设备的应用范围仍然是巨大的。

哪种应用使用PCB变压器？

PCB变压器有多种应用。在计算机硬件中，变压器可以将电压逐渐降低到安全水平，使其不可或缺。它还用于需要变压器的各种生产过程和其他消费电子设备。PCB变压器相比使用大型变压器，在设计上确实可以节省很多钱和很多空的余地。

PCB变压器的安装方法有哪些？

印刷电路板配备变压器主要有两种方式:表面贴装和通孔贴装。也可以将变压器直接蚀刻在印刷电路板上，但这显然不需要任何安装。

●开放式安装

安装的PCB变压器没有穿过印刷电路板的引脚或其他元件。这使得更紧凑的设计成为可能。

多年来，表面安装元件已经成为印刷电路板的常见部件。因为它便于更紧凑的设计，这种方法通常优选用于在印刷电路板上安装各种电子元件。但情况并非总是如此。拆开任何一台电脑或其他电子设备，很可能说明该设备的大部分元器件已经安装在电路板表面，无线或其他物体已经穿过。

●通孔安装

安装在印刷电路板上的通孔中的变压器设置有穿过电路板的连接器。这使得使用多层印刷电路板和其他应用成为可能。通常，与直接安装在表面上相比，通孔安装方法是一种不太紧凑且更过时的在印刷电路板上安装元件的方法。对于某些应用和特定元件，这仍然是安装在印刷电路板上的最佳方法。但是，你会发现，目前印刷电路板上的变压器元件大多是表贴的。对于老设备，拆卸后可以看到有大量通孔安装元件的印刷电路板。

1.缠绕结构

平面变压器的绕组是通过印刷电路板上的螺旋印刷电路实现的。印制板中间挖空安装磁芯。每块印制板用绝缘胶带或空白色印制板绝缘。磁芯直接把印刷电路板夹在中间，然后用胶带或夹子固定。有效降低了平面电压互感器的高度，进一步节省了体积。印刷线路是扁平的，厚度一般为35微米/70 μ m，当频率小于14MHZ时，铜的趋肤深度小于印刷电路厚度的一半。通常开关电源的频率远低于这个值，平面变压器的趋肤效应可以忽略。

多层印刷电路板之间要有“通孔”，用于绕组的互连，绕组之间的匝数通过“通孔”相互串联或并联电连接。图2示出了通过通孔串联互连的层的布局。

每层印刷电路板都有一排通孔，位置对齐，但每层绕组只用两个通孔，绕组按图2的方式串联。在低压大电流的情况下，绕组可以通过通孔并联，提高变压器的电流处理能力。如图3所示。

2.变压器铁芯

选择合适的磁芯是保证变压器性能的关键。平面变压器一般采用高频功率铁氧体软磁材料制成的E型、EC型、ETD型、EER型磁芯和RM型磁芯。

e型磁芯由于制造工艺简单，价格低廉，是平面变压器非常流行的磁芯形状。E型磁芯绕组空空间大，可以为大截面导线引出提供足够的空空间，允许大电流通过。同时，E型磁芯可以安装在不同的方向，由于散热性好，可以叠加应用更大的功率。一般大功率变压器都用这种磁芯。但是，它的缺点是不能提供自屏蔽。同时，磁芯的中柱是长方体，PCB上的空空间不能有效利用，使得单匝绕组长度增加，PCB绕组的截面积变大，变压器的体积相对更大。

RM这种磁芯有以下优点。第一，由于磁芯的中柱和边缘都是圆形的，可以减少铜线的匝数长度，从而减少铜损。另一个优点是可以充分利用PCB上的空空间，减小PCB绕组的截面积，可以设计成方形，使磁芯的漏电感小。RM芯的屏蔽效果优于E芯。

EC、ETD和EER型磁芯介于E型和can型之间。这种磁芯和E型磁芯一样，可以为大截面的引线提供足够的空引出，适合开关电源低压大电流的电流趋势。这种磁芯的散热也很好；因为中柱是圆柱形的，所以和E型相比，它有RM型的一些优点。但这种磁芯和E型磁芯一样屏蔽效果差。

在我们研制的320VDC/12VDC 25A变流器中，对传统变压器和平面变压器进行了比较。主电路是一个开关频率为100KHZ的双管反激电路。按照普通高频变压器的设计方法，两个EI33磁芯一起使用，一次侧30匝，用直径0.81mm的漆包线绕制。边上有2匝，绕组用0.3mm铜皮，2层并联。

如果磁芯不变，采用PCB绕线时，为了降低成本，采用多个双面板来实现。初级绕组PCB每层放置3匝，线宽=1.5mm每块PCB的上下两面可以布置6匝绕组(如图7所示)，需要5块双面板组成初级绕组。二次绕组电流大，匝数少。PCB的每一层上放置一圈。每块PCB的上下两侧可以布置两匝(如图8所示)，其中四匝并联。每块PCB的厚度为0.4mm，整个绕线窗口的高度只有6.8mm如果用多层PCB做绕线，整个绕线窗口的高度只有3mm。

标准EI-33磁芯的窗口高度为19.25，与线包厚度相差较大。因此，两个EI-33磁芯分别接地，以降低芯窗的高度，并与线包很好地配合。

打磨校正后的EI-33磁芯，除了窗口高度刚好满足封装要求外，磁芯的重量和体积也减小了。组装好的变压器具有扁平结构。这样增加了变压器的表面散热面积，面积体积比更大。与传统铁芯相比，平面变压器的热阻更小，热性能提高。

3.寄生效应和绕组布局

平面变压器的一次绕组和二次绕组的缠绕可以最大程度地降低漏电感，控制漏电感。然而，当平面变压器的漏电感降低时，寄生电容增加。然而，要降低寄生电容，就必须增加层间距离，这与漏电感的降低相矛盾。同时，为了提高平面变压器的功率水平，绕组多采用并联方式，以提高电流处理能力。但绕组层间相对位置、连接方式或其他偶然因素的影响，会造成并联绕组层间电流不均匀，给绕组带来额外的损耗。

两种类型的平面变压器用于研究它们的寄生效应。每种类型的变压器的绕组结构不同，所以它们有不同的漏电感和寄生电容。图9显示了两种类型的变压器绕组的结构布局:

1 #:一次绕组和二次绕组对称组合

2 #:初级绕组和次级绕组交替组合。

因为原边绕组和副边绕组之间的寄生电容Cps严重影响变压器的高频特性，所以应该尽量小。在多层印刷电路板变压器结构中，绕组由平行的扁平导电条形铜箔构成，所以两个绕组之间的电容可以直接用两个平行导电板之间的电容计算公式计算:CPS = ε s/d，可见平面变压器由于其结构特点，会有较大的寄生电容。

三种不同绕组结构的变压器参数比较表

上表给出了两种不同绕组结构的平面变压器的寄生参数。从上表可以看出，2 #变压器绕组结构的漏电感低于1 #变压器，但2 #变压器的寄生电容远大于1 #变压器。作为比较，上表中列出了与平面变压器相同磁芯的常规变压器，标记为3 #。

从表1可以看出，与传统变压器相比，平面变压器的漏电感较小，但绕组间的寄生电容相对较高。

4.例子

设计了一种采用平面变压器的双管反激变换器。转换器主要参数:VIN = 290 ~ 360 V，Vo=12V，Po=300W，f= 100KHZ。

平面变压器绕组采用0.4mm厚的印刷电路板，线圈采用双面印刷电路板，共10层。初级印刷电路板有5层，每层每边3匝，5层串联30匝。铜绕组宽1.5毫米，厚0.035毫米，匝间间隔0.2毫米；；二次印刷电路板有四层，每层每边一匝，四层并联两匝。铜绕组宽5.1毫米，厚0.035毫米。绕组布置为1 # 3，初级电感L1 = 516.4UH，漏电感LS = 19.0UH，高16mm，重70g。

同时，设计了常规变压器以满足变换器参数的要求。常规变压器一次侧使用相同的30匝磁芯，绕组使用直径为0.81mm的漆包线。侧面有2匝，绕组采用0.3 mm铜皮，2层并联。绕制方法是“三明治”绕制法，一次侧绕制15匝，二次侧绕制，再一次侧绕制15匝。变压器L1 = 516.8UH，漏电感LS = 25.2UH，高30.2mm，重120g。

从图10的对比可以看出，平面变压器不仅比常规变压器的漏电感小，而且体积和重量也小得多。

图11显示了不同变压器下反激式转换器的效率曲线。由于平面变压器的漏感和自损耗小，平面变压器在整个负载范围内的效率都高于常规变压器。

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本文讨论了平面变压器的相关技术，详细介绍和设计了PCB平面变压器，并结合具体实例讨论了其特点。与传统磁芯相比，平面磁芯具有低剖面、低漏电感、低损耗等优点。，并且还具有良好的热特性、绝缘性、一致性和耦合性。因此，与传统电源变压器相比，平面电源变压器可以显著提高变换器的性能和体积，具有明显的优势，是开关电源的理想选择。