【導讀】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(huán)形變壓器有什么區(qū)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(tǒng)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(huán)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(fā)自動制造工藝極其困難。RECOM等制造商開發(fā)了自動繞線機來制造這類的微型環(huán)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(yè)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(jīng)降低，因此可以開發(fā)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(huán)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(huán)繞著繞組，如圖1所示。為了形成所需的匝數(shù)，利用隱藏過孔將PCB層連接起來。并聯(lián)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(wěn)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(huán)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(zhàn)。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(shù)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(shù)和層數(shù)。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(tǒng)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(shù)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轉換器變得更薄：圖 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(yōu)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(xiàn)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(wěn)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(yè)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(wěn)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(jié)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(yè)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(wěn)壓器，可提供不受負載影響的穩(wěn)定輸出。
改用平面變壓器可實現(xiàn)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(fā)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。
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