变压器设计与DC/DC转换器技术同步发展

变压器设计与DC/DC转换器技术同步发展

近年来,从事于dc/dc转换器的设计和制造公司都承受着巨大的竞争压力,因为市场需求不断朝着更小体积、更高功率密度和更高效率的产品发展。无论从成本、体积还是性能来讲,变压器都是dc/dc转换器设计中的一个关键器件,对dc/dc转换器的整体性能有着举足轻重的作用。虽然传统的绕线型变压器仍在许多较大波形因数电源中使用,但近年来几种变压器新技术的涌现为dc/dc转化器设计带来了显著效益,平面变压器就是一例。

独立式和嵌入式平面变压器

独立式平面变压器是利用平面铜引线框架或蚀刻/印制的铜线为绕组而构成,比传统的在支架上绕铜线的变压器占用的空间要小很多。较之线绕变压器,精密的铜引线框架或印制绕组能更精确地符合设计规格要求,器件间的重复性水平也得到提高。 被蚀刻/印制的铜引线框架或印制绕组堆叠在平面中,与高频铁氧体磁芯构成变压器的磁路,为一种低剖面的变压器组件设计方案。在平面设计中,可获得较大的铜导体横截面积,更容易实现高功率密度和高电流设计。平面绕组和铁氧体的高表面容量比,为产品提供了良好散热功能。

线绕型变压器在高频工作时,受到“趋肤效应”的影响,当高频电流通过圆柱形导体时,迫使电子由中部流向边缘集中在铜线表面,从而减少了导体横截面积流过的电流。而平面变压器在高频工作时则没有此类情况发生,使变压器的效率大大提高。 从制造和装配的角度来看,平面变压器也优于线绕变压器。线绕变压器通常要求手工操作来剥去绕线端的涂料,然后蘸锡或手工焊锡。平面变压器的压制或蚀刻的铜片引出端,通常能形成表面贴装终端,提高了装配速度,降低了成本。与嵌入平面变压器结合在一起此优点将更为突出：铁氧体从dc/dc转换器pcb上穿过,而且绕组呈螺旋状一层层地绕在印制电路板上。 尽管与嵌入式设计相比,独立式平面变压器占用较多的空间,但独立式平面变压器在近年来却越来越受到设计人员的青睐。全嵌入式变压器利用dc/dc转换器的电路板作为绕线,每一组输入/输出电压都需要设计不同的电路板。而且,对于嵌入式平面设计,蚀刻线圈需要使用多层电路板,总体成本较高。一些混合设计普遍利用主pcb作为初级绕线,然后用分离的小pcb作为次级来产生不同的输出电压。

虽然嵌入式设计具有高功率密度、良好的热性能以及占用空间少等优势,但是由于其在成本、设计灵活性、可互换性方面的限制,嵌入式设计并没有获得广泛应用。若生产批量较大,则可在一定程度上降低嵌入式设计的高昂成本。

抽头绕线设计

c&d technologies公司开发出一种 “交错”或“抽头绕线变压器”技术,并在公司的wpa60双输出1/4砖dc/dc转换器上应用。相对于标准的平面变压器,这种变压器可提供更高的效率。
此设计交错了初级和次级绕线,以减少不必要的漏电感。高漏电感将会引起不完整的耦合、损耗和瞬态电压等缺陷 。一个直接的“初级 - 次级 - 初级”或“次级 - 初级 - 次级”的“三明治”式结构可减少漏电感。

尽管抽头次级（或主级）变压器具有显著的优点,但仍有一些重要因素需要考虑。例如,因为有较多端子,初级和次级电路的隔离将会更加复杂。而且,设计中需要的初级和次级之间的emi 屏蔽物也会增多。

其他变压器设计

现有变压器的设计都是基于磁性技术的。声耦技术的大规模使用,将会使未来的变压器更加小巧。目前,在一些低功率高电压输出的dc/dc转换器设计中,已经在一定程度上采用了声耦技术。声耦变压器利用压电材料的特性,通过一个振动结构来耦合电能。在声耦变压器中,一个转换器激发一种压电材料的共振模式,然后被第二个次级转换器截取并转换为次级电压。 此外,还有一些其他变压器新技术,如使用极高工作频率产生有效的空气耦合进而取消铁氧体;将变压器和其他磁性器件（如输出扼流圈）结合到电路中,来减少dc/dc设计的总波形因数;新磁芯材料的发展可实现低损耗高频工作,有助于为既定的电源提供更小的变压器。

小结

线绕变压器已逐渐不能满足诸如dc/dc转换器的应用需求,受到体积大、效率低等很多不足之处的限制,使线绕变压器正在快速地被新兴产品所取代。嵌入式和独立式平面变压器有各有所长,实际应用中可根据具体要求选取。抽头次级（或主级）变压器是一个创新,提供了一些优于传统设计的方案。未来,从磁性变压器到声学变压器的发展,将会引发出更多更广的新产品,为dc/dc转换器设计者的提供更加丰富的选择。