平面變壓器有利于 DC/DC 轉換器設計

長期以來，變壓器一直是DC/DC轉換器設計人員的痛點和難點。因為它們體積大、價格貴且難以制造。通過閱讀本篇文章，你可以了解平面變壓器是如何提高質量并降低低功率DC/DC轉換器設計成本。

平面變壓器與環形變壓器有什么區別？

變壓器是任何DC/DC轉換器設計的主要核心，是決定整體性能的關鍵組件。

傳統的變壓器和電感是繞線組件。大部分的量產低功率DC/DC轉換器使用手工繞制的環形變壓器；對于需要多達6個獨立繞組且鐵芯直徑小至6 mm、孔徑為3 mm的變壓器來說，開發自動制造工藝極其困難。RECOM等制造商開發了自動繞線機來制造這類的微型環形變壓器，但這種解決方案非常難。

平面磁體自80年代就已存在，但早期的制造過程十分昂貴，因此平面變壓器在專業應用之外的市場滲透率有限。然而隨著制造技術的進步，平面變壓器的成本已經降低，因此可以開發新的應用市場。

平面變壓器的設計及結構

圖 1: RPA100E-W 系列 DC/DC 轉換器的鐵氧體磁芯環繞著繞組形成平面變壓器

平面變壓器或電感使用多層印刷電路板(PCB)的銅層形成繞組；鐵氧體磁芯環繞著繞組，如圖1所示。為了形成所需的匝數，利用隱藏過孔將PCB層連接起來。并聯連接多個過孔可以承載足夠的電流來制成微型電源變壓器。

圖 2: 由兩個堆疊層和一個隱藏過孔所構成的 6 匝繞組

圖2顯示了如何通過堆疊層連接隱藏過孔來形成6匝繞組。觀察這種布置是如何將繞組的兩端放置在鐵氧體磁芯的外面。初級和次級繞組通常交錯放置以減少漏感。印刷電路板可提供機械穩定且一致的繞組結構，適合自動化生產。此外，多層PCB結構的進化讓繞組之間的環氧樹脂絕緣可以承受初級和次級電路之間的高隔離電壓。

平面設計確實給設計和制造團隊帶來了一些挑戰。由于在多層PCB上布置多條走線是有難度的，因此平面變壓器最適合不需要使用復雜變壓器的DC/DC轉換器拓撲，而半橋拓撲是常見的選擇。

即便如此，層數仍有實務上和成本上的限制，因此平面磁體使用高頻PWM調制器和驅動電路來減少所需的匝數和層數。這些較高頻率造成的趨膚效應是它們造成的主要問題。隨著頻率的增加，電荷載流子越來越移動到導體表面，減小有效橫截面并增加I2R損耗。將導體設計成扁平的(矩形)可以預防這種趨膚效應。

多層結構具有高耦合電容而對高頻PWM控制造成影響。必須仔細管理平面變壓器和傳統電路之間的耦合以避免端接損耗。磁芯氣隙和分層繞組靠近會導致顯著的渦流損耗，而且由于匝數比不同，因此必須為每個輸入/輸出組合設計和測試單獨的PCB。

一旦這些問題得到解決，平面技術就可以構建極扁平變壓器以傳輸大功率，進而讓DC/DC轉換器變得更?。簣D 1 的15W轉換器的封裝高度僅9.9 mm（0.4 英寸）！

平面設計的其他優點是更好的繞組散熱、高密度設計、低漏感和高功率密度。

平面變壓器朝向更低功率邁進

前面描述的好處使平面變壓器成為大功率DC/DC轉換器技術中不可或缺的一部分，而RECOM現在正在將平面技術整合到功率更低、尺寸更小的轉換器中。

圖 3: RECOM 的 RS12-Z 12W DC/DC 轉換器使用平面變壓器

圖 3 顯示了RS12-Z穩壓DC/DC系列的外部和內部結構。該產品使用帶有通孔、埋孔和盲孔的多層PCB，在非常緊湊的SIP封裝中打造出行業領先的12W 部件，與SIP8競爭產品相比功率密度提高了150%。

這個穩壓設計在變壓器的初級側和次級側都集成了集成電路。初級側IC是一個寬輸入、推挽式變壓器驅動器。輸出（次級側）的同步降壓級用來精確調節負載。

甚至1W和2W的DC/DC轉換器也在籌劃中，從兩個產品系列開始。RKK系列 DC/DC轉換器具有4kVDC/1s的極高隔離適用于工業市場。標配包含寬工作溫度范圍-40°C 至+105°C，無需降額。轉換器通過了IEC/EN/UL62368-1認證，適用于IGBT驅動器應用。

RYK系列DC/DC轉換器是一款低成本、通用的隔離式轉換器，內置線性穩壓器，可提供不受負載影響的穩定輸出。

改用平面變壓器可實現更加自動化的制造過程并減少人工組裝工序，從而提升設計質量。無需更改變壓器繞組以適應不同的電壓，因此開發定制設計也變得更容易。結果就是定制設計的周轉時間更短，因為需要的測試更少。

平面變壓器的時代已到來，RECOM將平面變壓器運用在DC/DC轉換器產品線來做最有效的利用。