电子元件知识讲座(七)平面式变压器与扁平式变压器
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【编者按】电子元件是“无源”元件的总称，是构成电子设备的重要组成部分，是从事电子元件设计、研发、生产、营销和应用人员应该熟悉的内容。本刊从今年4月份开始以“电子元件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些元件的需求。欢迎厂家及用户的工程师们撰稿，并望提出宝贵意见。
平面变压器是在20世纪90年代中期问世的一种高技术微型变压器，特别适合于表面贴装，对电子设备的轻量化和小型化起着关键作用。平面变压器分宽带变压器、功率变压器和阻抗变换器等几类，它们是目前技术最成熟，同时也是应用最广泛的微型变压器。
1.1平面变压器的结构与制作方法
(1)平面变压器的磁心
平面变压器与传统变压器比较，最大区别在于磁心和线圈(绕组)。
平面变压器一般采用由高频功率铁氧体软磁材料制成的E型、RM型、罐型或环型磁心。高频功率铁氧体材料具有工作频率高、磁心损耗小、单位质量下承载的功率大等特点。
E型磁心价位低，有大的绕组空间，可允许较大的电流通过，但磁心正柱的方形给绕制变压器线圈带来一定的难度，并且变压器漏感较大，抗压强度也较低。RM型磁心适合于高密度安装，而且在安装中的各引线槽不在一起，屏蔽效果好，散热窗口较大，在500～700kHz的高频下有较低的磁心损耗。
(2)平面变压器的结构与制作方法
铁氧体平面变压器的结构与制作方法主要有多层印制电路板叠合式、绕组式和铜箔绕组折叠式三种类型。
①多层印制电路板叠合式。用印制铜线条的多层印制电路板代替漆包线及骨架的平面变压器结构如图1所示。这种结构的平面变压器采用印制板制造工艺技术，用精密的薄铜片或若干刻蚀在绝缘薄片上的平面铜线圈在多层板上形成螺旋式绕组。螺旋线和引线框叠在扁平的铁氧体磁心上形成变压器的磁路。这种铁氧体平面变压器的结构剖析及外形如图2所示。
采用多层电路板叠合结构的铁氧体平面变压器具有低直流电阻、低漏感和低分布电容的特点，可充分满足谐振电路要求，并具有良好的磁屏蔽特性，能有效抑制EMI。
②绕组式。绕组式平面变压器的制作方法有的与常规变压器一样。目前模块电源通常输出低电压大电流，功率一般在100W以上，因此变压器二次绕组匝数不多，但必须能通过10A以上的电流，这就要求绕组二次侧铜导线的截面积足够大，故一般采用铜箔作绕组。图3所示是一种圆环形绕组。这种绕组共6匝，利用印制板工艺制作，实际上它由3个双面印制电路板组成，PCB每一个面上的线匝经明孔或暗孔以串联方式相连接，每层导体都有向外伸出的连接片，相邻的双面板靠连接片上的焊孔相连。
③绕组折叠式。绕组折叠式平面变压器通常用铜箔作绕组，然后再折叠成多层线圈。图4所示为一种新型折叠式绕组设计，图中虚线为折叠线。由于相邻的环形导体中心线之间有一定的夹角α，每一环形导体所形成的匝数实际上只有(1-α/360°)。当α＝60°时，每一环形导体所形成的最大匝数为5/6。与图3所示的绕组结构相比，这种折叠式绕组在线圈匝数受磁心窗口高度限制时具有明显的优势。该绕组结构的缺点是相邻环形导体的折叠线不平行，为减小漏感和高频损耗，一、二次侧绕组交错配置给制作带来不便。
上述几种结构的平面变压器都使用铁氧体磁心。图5所示为一种利用非晶态材制作的参数振荡平面变压器。这种变压器尺寸为7mm×5mm，由采用电火花切割的5片非晶态磁性材料叠装而成，线圈用聚酯漆包线绕制。该参数振荡平面变压器在励磁频率为500kHz时的电压调整率为0.94%，具有优良的稳压特性、过载保护功能和噪声滤波性能，其缺点是输出功率小，效率不高。
1.2平面变压器的优点
从目前平面变压器所使用的磁心材料看，以铁氧体为主。铁氧体平面变压器与传统变压器相比，具有以下优点：
(1)体积小，高度小于2cm，功率密度为传统变压器的3倍。
(2)在平面变压器中，导线实际上是一些平面导体，因而电流密度大，每层绕组最大电流可达200A。
(3)功率大，单个器件功率可达0.5～25kW。
(4)工作效率高，可达98%至99%。
(5)漏感低，一次绕组漏感仅约为一次电感量的0.2%。
(6)工作频率和工作温度范围宽，频率范围为50kHz～2MHz，工作温度范围为-40～l30℃。
(7)热通道距离短，散热面积大，热传导效果好，温升低。
(8)具有高效磁心屏蔽作用，从而可有效抑制射频干扰。
(9)绝缘性能好，一次侧到二次侧的绝缘隔离可达4kV。
此外，平血侥压器还其有制作成本低、重复特性好和参数稳定等特点。
1.3平面变压器的应用
平面变压器可广泛应用于笔记本电脑、数码相机、数字化电视、通信电源、汽车电子、电力设备、航空航天电源、舰载电源、雷达电源等领域。
汽车电子是目前平面变压器的主要应用领域之一。由于汽车殊的电气和机械环境，要求变压器能承受高温及高达100A的瞬态大电流和非常大的加速度冲击，而E型铁氧体平面变压器则可以满足这些要求。因为这种磁心有大的绕组空间，可允许大电流通过；绕组结构仍采用多层印制电路板，磁心粘接和多层电路板粘接非常牢固，可承受大的温度和机械应力，因而E型铁氧体平面变压器已在中档轿车的电子系统中得到广泛应用。汽车氙灯镇流器需将12V的电池电压转换为100V，在DC-DC升压变换器中也可以采用平面变压器。
用铁氧体平面变捱器制成的5～60W的DC/DC变换器，已大量应用到电信系统插卡式板上电源中。为了使电信网络安全可靠，防止闪电和浪涌电压冲击，将表面贴装型平面变压器或者与电流补偿扼流圈集成在一个厚膜模块中作为通信电源，能够承受3～4kV的高压。
宽带传输应用的平面变压器，显示了良好的发展前景。以因特网为中心的宽带通信市场正在快速增长，传输系统大量采用数字技术，综合业务数字网络(ISDN)给用户提供了一个高度带宽的语言、文字、数据和图像通信的公共平台。当在电话用户与中心交换局之间采用数字化传输技术时，接口变压器、隔离变压器和扼流圈等是不可缺少的。低高度铁氧体高频平面变压器在电信领域得到了较大的应用。一个高度为l4mm的200W平面变压嚣，最高工作频率达2MHz，效率达97%，比传统高频变压器的体积和质量均大幅缩减。
随着家用电器向数字化和网络化发展，数字电视具有在有线电缆电视上进行交互作用的功能，如通过回程发送数据，进行电视购物等。通过卫星电视也可以实现类似功能，只不过频率要覆盖4～2400MHz的宽频带。采用铁氧体双孔磁心制成的平面变压器可以满足上述应用的要求。
随着开关电源频率的提高，平面变压器的应用优势越来越明显。可以相信，在未来的许多高技术领域，平面变压器将会取代传统变压器而得到更广泛的应用。
2扁平式变压器
扁平式变压器是60多年来变压器技术领域中的一项重要的技术创新成果，它克服了传统变压器散热差、漏感大、高频特性差、制造工艺冗长以及体积大等一系列缺陷，成为DC/DC电源变换器的重要部件。
2.1扁平式变压器的结构
扁平式变压器在结构上不同于普通变压器，它通常由两个磁心和线圈组成。扁平式变压器通常使用无隙方形磁心，也使用E型等磁心；绕组既可用导线绕制，也可由冲压铜片和绝缘板叠加而成。
图6所示为一种150W DC/DC变换器模块用超薄型扁平变压器的结构。这种变压器尺寸为50mm×30mm×8mm，功率为150W，工作频率为200kHz，耐压为2kV。DC/DC变换器模块的厚度仅为lOmm。变压器采用两个高磁导率的E型铁氧体磁心，每个磁心均为扁平状，高度为4mm。两个磁心的接触面采用磨削加工，达到较高的精度，有很小的磁阻。变压器绕组不是用漆包线绕制，而是由冲压铜片和冲压绝缘板叠加在一起组成。每个铜片制成一定的形状，铜片之间夹放冲击绝缘板。各铜片通过绝缘板的连接孔可以串联或并联，从而组成变压器绕组。该变压器一、二次侧均含4个铜片，由于二次侧铜片采用并联组合，所以可以通过大电流。二次绕组具体的制作工艺是：在一定位置上打孔，插入两根铜柱，4个铜片的两端分别焊接在两个铜柱上，两个铜柱同时又是接线端子。变压器一次绕组连接时，在打孔处插入五根铜柱，一次侧铜片与适当的铜柱焊接在一起，使各铜片首尾相连。与第一个铜片的首端连接的铜柱和与第四个铜片尾端连接的铜柱为输入接线端子。一、二次绕组均采用环氧树脂黏接，形成46mm×25mm×4mm的扁平状，具有良好的电气性能和很高的机械强度。由于采用了片状绕组，使磁路缩短，电流密度增加。
采用两个方形铁氧体磁心的扁平式变压器，每个磁心内一般有两根螺旋线圈被焊接在内部表面，两个方形磁心连接在一起形成一个中心开孔的变压器，如图7(a)所示。在很多情况下，扁平式变压器结合电感器一起使用，构成变压器/电感器组件。多个扁平式变压器组件可以构成一个扁平式矩阵变压器组件，如图7(b)所示。矩阵变压器组件结构可以解决普通变压器中单个散热点问题，并且在高频条件下能够满足大电流密度工作的需要。
2.2扁平式变压器的优点
扁平式变压器的主要特点如下：
(1)电流分布均匀性好，电流密度大
典型的扁平式变压器通常带有一些平行单匝二次线圈，每一个二次线圈与相同的一次线圈相耦合。因此，在励磁电流可以忽略的情况下，每一匝二次线圈电流与一次的安培匝数相等，线圈的电流分布均匀，小需要镇流电阻及外加元器件。扁平式变压器在封装体积很小的情况下仍可以达到非常高的电流密度，通常为40A/mm2。
(2)高频特性好，功率密度高
随着DC/DC变换器工作频率的不断提高，使得磁性元件和滤波电容器尺寸越来越小，元器件越小价格则越低，DC/DC电源变换器的尺寸可以做得很小，从而具有非常高的功率密度。普通变压器在高频下工作会使开关损耗增大，导致变压器出现过热现象。而扁平式变压器技术解决了这个问题，提供了一个经济实用的标准模块化方法，使变压器具有优良的高频特性。
(3)漏感小，效率高
扁平式变压器一、二次侧绕组匝数很少，绕组间耦合极好，连接元器件的端子对于互连绕组来说既短又很紧，使漏感值非常小，每个组件仅约4nH/N2(N为拖数)。扁平式变压器的绕组匝数少，绕组损耗小，从而可获得高达99％的效率。
(4)散热性能好
变压器发热主要是因铁心损耗和绕组损耗引起的。铁心损耗与其体积、磁通密度和频率有关。扁平式变压器磁心形状不同于普通变压器磁心，例如无隙方形磁心，有一层绝缘采用极薄的涂覆层，没有边缘通量，磁通路径阻力大为减小。扁平式变压器绕组平而宽，平行于磁通路径。磁心外的热路径有两条：一条是完全通过磁心厚度，而厚度又非常薄；另一条沿二次侧铜导体的长度方向，而铜导体又是优良的热导体。磁心与二次侧铜导体焊接在一起，所以热通路可以配合磁心损耗和绕组损耗共同排除热量。扁平式变压器一、二次绕组匝数很少，绕组的损耗很小，从一次绕组到二次绕组的热路径非常短，所以散热性能特别好。
(5)隔离电压高
扁平式变压器很容易根据所需要的厚度和绝缘层数进行绝缘，一次侧与二次侧之间的隔离电压可达4000V。
(6)成本低
扁平式变压器体积小，结构简单，装配方便，价格仅为普通变压器的一半。
扁平式变压器技术为DC/DC电源变换器提供了一个功率密度和散热问题的最佳解决方案。扁平式变压器的主要磁性元件和绕组经过优化并密封在完整的组件内，设计者不必担心其布局。扁平式变压器凭借绕组匝数少的优点，基本上消除了邻近效应。扁平式变压器的模块化设计，可根据功率要求增加或减少模块数。扁平式变压器所具有的一系列优点，是普通变压器难以做到的。
2.3扁平式变压器的应用
扁平式变压器适用于半桥、全桥、谐振式及推挽式DC/DC开关电源，特别是应用于300～2000W的开关电源中。下面举一个实例说明：一个输出电压为150V，功率为750W的半桥式DC/DC开关电源，采用了多个磁心的扁平式变压器组件。配有整流器的整个组件装在“活动”的散热片上，该散热片既可以接负输出端，又可接整流器的阴极端。每个磁心里有尺寸匹配的电感器，每个电感器连接在变压器中心孔的二次绕组上。电感器的另一边与整个组件的顶板共用，并提供一个方便操作的负输出端。同时组件上还配以电容器，如图8所示。运用变压器的匝数比计算公式，即匝比＝N×P:1。N表示对准中心孔排列的变压器磁心数，P表示通过所有磁心的一次线圈数。由此，我们可以得出该电源匝比=10:1，同时也可知道使用了5个扁平变压器，一次线圈为2匝。?笮