概論
---近年來(lái),在電子行業(yè)領(lǐng)域里,設(shè)計(jì)和制造DC/DC轉(zhuǎn)換器的公司都面臨著巨大的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力。市場(chǎng)需要更小巧、密度更高、效率更高、功率選擇范圍更廣且封裝更結(jié)實(shí)的電源產(chǎn)品。
---由于變壓器會(huì)影響DC/DC轉(zhuǎn)換器的成本、大小和性能,是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵元件之一,人們不得不投入大量精力來(lái)優(yōu)化這一元件,使之能符合半導(dǎo)體和無(wú)源元件的發(fā)展要求。
---盡管許多外形較大的電源中仍在使用傳統(tǒng)繞線變壓器,但近年來(lái)出現(xiàn)的一些新技術(shù)如平面繞線變壓器,為DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大好處。 獨(dú)立式和嵌入式平面變壓器
---獨(dú)立式平面變壓器利用平面銅導(dǎo)線框構(gòu)成的繞組,或者絕緣材料上蝕刻/印刷的銅繞組層裝配而成。這意味著它們比用銅線繞在骨架上的傳統(tǒng)變壓器占用的空間小得多。使用精密的銅導(dǎo)線框或印刷繞組的變壓器比繞線變壓器能更精確地符合設(shè)計(jì)指標(biāo),元件的可重復(fù)性也得以提高。
---蝕刻或模壓的導(dǎo)線框或印刷的繞組層疊在平面的、頻率通常較高的鐵氧體磁芯中,構(gòu)成變壓器的磁路,這樣設(shè)計(jì)的變壓器很薄。平面型的設(shè)計(jì)中銅片橫截面積大,容易進(jìn)行高功率密度和大電流的設(shè)計(jì)。平面繞組和鐵氧體的面積與體積的比例（surface-to-volume ratio）大,能獲得良好的散熱效果。
---高效率,特別是高頻工作時(shí)的高效率,是平面變壓器的另一項(xiàng)關(guān)鍵性的優(yōu)勢(shì)。在繞線式產(chǎn)品中,趨膚效應(yīng)會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生不利的影響。趨膚效應(yīng)是當(dāng)高頻電流流經(jīng)柱形導(dǎo)體產(chǎn)生的,它迫使電子從導(dǎo)線中心流出,集中在靠近導(dǎo)線表面,實(shí)際上減小了導(dǎo)體的橫截面積。
---從涂漆和裝配的角度而言,平面變壓器也優(yōu)于繞線變壓器。為了進(jìn)行浸焊或手工焊接,繞線變壓器通常需要以手工方式剝?nèi)ダ@組終端上的涂漆。平面變壓器外蝕刻或模壓的銅導(dǎo)線常�？梢詷�(gòu)成表面貼裝的端點(diǎn),提高了裝配速度和重復(fù)性,從而降低了成本。嵌入式平面變壓器的鐵氧體磁芯通過(guò)PCB板上的開孔夾在DC/DC轉(zhuǎn)換器的主PCB板上,并以該P(yáng)CB板上的螺旋線作為繞組,這一優(yōu)勢(shì)更為突出。
---盡管占用的空間比嵌入式設(shè)計(jì)大,獨(dú)立式平面變壓器近年來(lái)還是越來(lái)越普及。全嵌入式變壓器由于用DC/DC轉(zhuǎn)換器主電路板來(lái)提供繞組,每路輸入/輸出電壓需要不同的電路板設(shè)計(jì)。同時(shí),由于嵌入式平面變壓器設(shè)計(jì)還需要多層電路板提供所需的繞組,系統(tǒng)整體成本較高。有些混合型設(shè)計(jì)用轉(zhuǎn)換器的主PCB板提供初級(jí)繞組,這部分繞組通常是公用的;另外再用一塊單獨(dú)的小PCB板或沖壓件來(lái)提供次級(jí),次級(jí)繞組會(huì)因輸出電壓而不同。
---盡管嵌入式設(shè)計(jì)不僅節(jié)約空間,還能實(shí)現(xiàn)高功率密度,熱性能也很出色;但在許多應(yīng)用中,它昂貴的成本、缺乏靈活性和互換性的缺點(diǎn)卻抵消了這些優(yōu)點(diǎn)。大批量生產(chǎn)將在某種程度上抵銷嵌入式設(shè)計(jì)較高的成本。 分裂繞組（Split winding）設(shè)計(jì)
 ---C&D Technologies公司開發(fā)了一種叫作交錯(cuò)式（interleaved）或分裂繞組變壓器的技術(shù),并在WPA60雙輸出1/4磚DC/DC轉(zhuǎn)換器（見圖）上實(shí)現(xiàn)了這種技術(shù)。這種變壓器比標(biāo)準(zhǔn)平面變壓器的效率更高。
---這種設(shè)計(jì)用交錯(cuò)初級(jí)和次級(jí)繞組的方式減小不想要的漏電感。它以簡(jiǎn)單的“三明治”形式的初級(jí)-次級(jí)-初級(jí)或次級(jí)-初級(jí)-次級(jí),將漏電感降低至原來(lái)的1/4。過(guò)大的漏電感會(huì)導(dǎo)致耦合不完善、產(chǎn)生損耗和瞬態(tài)電壓。
---盡管分裂初級(jí)或分裂次級(jí)的變壓器優(yōu)點(diǎn)很多,仍有一些要點(diǎn)必須加以考慮。例如,它通常會(huì)使終端數(shù)量很多,并且更難以實(shí)現(xiàn)初級(jí)和次級(jí)電路間的絕緣。同時(shí),在初級(jí)和次級(jí)間需要EMI屏蔽的設(shè)計(jì)中,會(huì)需要有更多的終端。 未來(lái)的變壓器設(shè)計(jì)
---各種現(xiàn)有的變壓器設(shè)計(jì)都以磁技術(shù)為基礎(chǔ)。將來(lái)隨著聲音耦合技術(shù)的大規(guī)模采用,變壓器設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)小型化。在有些高壓輸出的小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中確實(shí)也初步實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。
---聲學(xué)變壓器利用了壓電材料的特性,通過(guò)振動(dòng)結(jié)構(gòu)以聲學(xué)方式耦合能量。它用轉(zhuǎn)換器引發(fā)材料的共鳴,然后由次級(jí)轉(zhuǎn)換器收集這種共鳴振動(dòng),并將其轉(zhuǎn)換為次級(jí)電壓。
---變壓器設(shè)計(jì)的其他發(fā)展方向包括使用極高的工作頻率,這樣能通過(guò)空氣耦合,而不再需要鐵氧體。另一項(xiàng)進(jìn)步是將變壓器與其他在電路中起重要作用的磁性部件集成在一起,如輸出扼流圈等,這將有助于減小DC/DC設(shè)計(jì)的整體尺寸。
---最后,新型磁芯材料的發(fā)展也能讓工作頻率更高而不產(chǎn)生高損耗,有助于用更小的變壓器提供所需的功率。 小結(jié)
---很明顯,繞線變壓器越來(lái)越不適用于DC/DC轉(zhuǎn)換器和其他應(yīng)用。它們體積大,效率低,部件之間的可重復(fù)性也差,因而很快被新技術(shù)所取代。
---嵌入式平面變壓器和獨(dú)立平面變壓器都各有自己的優(yōu)缺點(diǎn),到底在設(shè)計(jì)中采用哪一種主要由應(yīng)用來(lái)決定。分裂次級(jí)（或初級(jí)）繞組形式的變壓器是一種創(chuàng)新,有一些優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的有用之處;要再次強(qiáng)調(diào)的是,它們是否最適合某個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)該由應(yīng)用本身來(lái)決定。將來(lái),磁性變壓器逐漸為聲學(xué)變壓器所取代,將創(chuàng)造出許多令人激動(dòng)的新產(chǎn)品,并為DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員開辟更廣的選擇空間。 |
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