什么是平面变压器？

通讯及伺服控制领域广泛使用模块电源，产品微型化设计对变压器提出了更严格的要求，如小尺寸、低剖面、大输出电流、小电磁辐射。传统变压器已经成为制约开关电源技术进一步发展的一个重要因素。

同时由于涡流效应，在高工作频率和大电流下，传统的绕线式磁元件的线圈结构单一、散热特性以及参数一致性差等问题导致线圈损耗显著增加，不仅降低了效率，而且引起温升增大，增加了热设计困难，限制了开关电源功率密度的进一步提高。因此研究线圈损耗模型、开发新型线圈结构以减小其损耗在工业界有迫切的要求，这也是电力电子高频磁技术一个非常重要的研究内容。

平面变压器是业内一直在尝试使用的一种新型高频铁氧体电感元件。与传统的高频变压器相比，平面变压器有以下特点：

• 电流密度高，能够满足高频电流的工作特型，电流密度可做到30A/模块；

• 工作效率高，原边和副边耦合紧密，漏感较小，交叉损耗小，但是分布电容较大；

• 磁芯窗口利用率较低；

• 变压器匝数少，磁通大，容易饱和；

• 更好的EMI，漏电感小意味着变压器的EMI指标更好，对开关功率器件的损害最小；
  

• 造型方正轻薄，适合于平面贴装；

• 热耗散热性好，很高的表体面积比、很短的热通道，结构有利于散热；

• 绝缘强度高，按照要求进行PCB层数和厚度进行绝缘设计；

• 一致性较好。

普通变压器与氮化镓充电头中的平面变压器

图片来自：充电头网

平面变压器的结构设计

PCB绕组结构

平面变压器的绕组是利用PCB上的螺旋形走线来实现的。PCB板中间被挖空用于安装磁芯。PCB板各层之间由板材绝缘。磁芯直接将PCB夹在中间，然后通过胶带或夹子固定。平面变压器的高度得到了有效的降低，同时进一步节省了体积。PCB走线扁平状，铜厚一般为1oz/2oz 。通过计算，在频率小于14MHZ时，铜的集肤深度都小于PCB铜厚的一半。通常开关电源频率远小于这个值，所以平面变压器的集肤效应可以忽略。

图片来自：Power Integrations

在PCB各层之间有供绕组互联的“通孔”，绕组间的匝数通过“通孔”以串联或并联的方式连接。

绕组串联时，每层印制板都布有一排通孔且位置对齐，但是每层绕组只用其中的两个通孔，从而实现绕组串联。在低压大电流的场合，可以通过绕组并联的方式，提高变压器的过流能力。

平面变压器的磁芯

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、RM型、EC、ETD和EER型磁芯。

E型磁芯制造工艺简单，售价较便宜，是目前平面变压器主流的磁芯形状。E型磁芯有大的绕组空间， 能够提供足够的空间供大截面积的绕线引出，可允许大电流通过。同时E型磁芯可以进行不同方向的安装， 由于其散热非常好，一般大功率变压器都使用这种磁芯。它的缺点是不能自我屏蔽，同时磁芯中间柱是长方体，不能有效利用PCB上方空间来增加单匝绕组的长度。同时PCB绕组的横截面积变大时，变压器的体积也相对较大。

RM类型的磁芯由于磁芯中间柱和边缘四周都呈圆形，可降低铜线的匝长，从而降低铜损。同时能够充分利用PCB上方的空间来减小绕组的横截面积，将绕组设计成正方形，这样磁芯漏感较小。RM磁芯的屏蔽效果也比E型磁芯要好。

EC、ETD和EER型磁芯介于E型和RM型之间。这类磁芯和E型磁芯一样，能提供足够的空间供大截面的引线引出，适合开关电源低压大电流的趋势。这类磁芯的散热也非常好，由于中间柱为圆柱形， 与E型相比具有RM型的一些优点。但是这类磁芯和E型磁芯一样屏蔽效果不好。

平面变压器的PCB设计

多层平面变压器的叠构设计

在设计平面变压器的多层PCB时，推荐上下对称的叠构设计，以避免PCB加工和组装过程中出现变形。介质层的厚度需要满足初级和次级绕线的绝缘要求，同时整个叠层的介质厚度要统一。

PCB铜厚与走线间距要求

降低PCB制造成本和减少延误的方法

1：从PCB制造商推荐的板材中挑选铜厚和绝缘符合设计要求的PP和Core；

2：厚铜会导致线宽公差变化的影响增大；

3：内层的铜厚避免超过3oz;

4：如果介质层的厚度大于0.2mm，在制作盲孔时，激光无法穿透内层，需要手动操作会增加成本和时间。

5：减少使用盲孔和埋孔；

6：多层板的板厚公差放宽到±10%；

7：叠层的设计决定了层压的次数，如下图：叠层设计材料统一，一次压合就能完成。做为对比，叠层的复杂设计增加了压合的次数；

不同叠层设计所需要的压合次数

图片来自：Power Integrations

8：减少钻孔的处理步骤，过孔尽可能对齐，埋孔最好从L2-L3，L4-L5，L6-L7，L10-L11，避免从一张Core到另外一张。

14层板的埋孔与通孔设计

图片来自：Power Integrations