适用于薄型开关电源设计的平面变压器

在任何电源设计中,变压器都是一个关键元件,而在进行薄型开关电源设计时,工程师希望所用的变压器体积小且不受开关频率的影响,传统的变压器通常由铁氧芯及铜线圈构成,体积庞大也容易产生电磁干扰,很难满足这一要求。本文介绍了一种平面铁磁变压器,可有效解决薄型及高频问题。与传统的变压器相比,平面变压器最大的区别在于铁芯及其线圈绕阻。

如图所示,平面变压器采用精密的薄铜片或若干蚀刻在绝缘薄片上的平面铜绕组构成,绕组或铜片迭放在平面的高频铁芯上构成变压器的磁电路。这一结构的改进使平面变压器体积小巧,同时具有传统变压器难于达到的以下特征:

效率高、功率大

由于传统变压器由铁氧芯加圆柱状的线绕组构成,当电流流过时,趋肤效应使电荷远离导线中部而分散在边缘,使得圆柱导线中的电流沿导线表面分布,因而铜导线利用率不高。这一情况在高频时尤其明显。

而在平面变压器中,“导线”实际上是一些平面的导体,在平面导体中,电流也会远离中心趋于边缘流动,但电流仍然流经全部导体,因而可得到很大的电流密度,每层绕组最大电流可达200A。同时,由于铁芯小,损耗少,它可得到更高的效率。当开关频率为500kHz时,其工作效率可达到97%,其高电流密度和高效率可使单个变压器功率高达5W-20,000W。

绝缘性良好

在传统的变压器中,由于采用漆包线作为绕组,同时铁芯体积较大,高压放电及年久老化等原因均会导致变压器的绝缘受到影响。而平面变压器由导电电路与绝缘片相重迭构成,绝缘片可耐高温(+130℃),因而可保证绕组间、初-次级及次-次级的高绝缘性,避免了热损坏及短路情况。

在薄型开关电源设计中应注意输入电源总线应尽量短,以免过高的开关频率带来极大的噪声,同时减少或缩短AC回路,以避免二次输出电路产生热量过大,此外还须考虑磁场及绝缘问题。由于平面变压器体积小、重量轻、功率大且性能稳定,在考虑了以上因素后,它可有效地简化薄型开关电源设计。