PCB平面变压器设计解决方案 13页

PCB平面变压器设计解决方案　　一、PCB平面变压器简介　　PCB平面变压器可由独立的标准叠层电路或小型多层PCB板组件构成，或者集成到电源多层PCB板内。PCB平面变压器有如下的优点：　　1.非常小的外形体积：　　2.极好的散热性能;　　3.很低的漏感：　　4.优越的性能可重复性：　　通过对工作状态下的多层PCB板型电路的平面E型变压器的性能测试显示，与相同的有效体积的传统线绕型变压器相比，平面变压器的热阻大大下降（高达50%）。这是由于平面磁芯的比表面积有很大提高，更加有利于散热的原因，这就使得平面变压器能够工作在较高的功率密度下还能保持在可接受的温升范围内。　　而PCB平面变压器的设计难点在于：　　1.寻找薄PCB绝缘基材和厚钢销（大于70um）的PCB，才能满足绕组的多层（4-12层）低高度（2-3mm）以及大电流要求;　　2.大电流时铜箔的发热是否会引起铜销与绝缘基材的分层：　　3.为保证产品的可掌性，多层PCB布板时的绝缘距离如何设计等等问题。　　二、PCB平面变压器的设计参数　　2.1PCB平面变压器结构　　平面变压器没有漆包线绕组，而是将扁乎的连续铜质螺旋线刻蚀在印刷电路板上，然后叠放在磁芯上，其典型的结构如下图： 　　2.2变压器参数设计公式　　设计平面变压器和设计传统变压器所用的设计公式及所用的选择合适磁芯的准则是一样的，计算所需的磁芯公式如下： 　　2.3最大磁感应强　　变压器在工作状态下的铁损和铜损会导致器件环境温度的升高，温升必须被限制在最大允许温度范图内，否则会对变压器或其它电路造成损害。　　要使变压器的损耗最小，那么磁芯的铁损和线圈的铜损应该各占变压器总损耗的一半，我们可以用变压器的最大容许温升值为变量的函数来确定磁芯的最大铁损。其表达式如下：　　磁芯的功率损耗是频率f（Hz）、最大磁感应强度B（T）、以及温度T（℃）的函数铁损大致如下的函数关系式：　　公式中参数Cm，xvctctct2是通过功率损耗相关数据的测量间接得到的这些参数是由材料特性决定的。 　　注意：最大磁感应强度B也能通过另一种方法获得将上面公式里的所有参数输入相关计算机软件程序可以计算出任意波形下的功率损耗这样做的好处在于它可以对实际的磁感计算机软件程序可以计算出任意波形下的功率损耗这样做的好处在于它可以对实际的磁感最佳的铁氧体磁芯　　2.4磁芯窗口利用系数　　在传统的变压器中，窗口利用系数一般约为04左右，这就意味着铜填满窗口面积的40%，另外60%的面积是用于骨架或绕线管、层间绝缘和导线绝缘，以及由加工技术水平的限制而多占用的空间。设计采用PCB绕制绕组的方法进一步减小了窗口利用系数，两种不同绕制技术的窗口利用系数K的比较如下　　2.5电流密度J　　在平面变压器的设计中，一个未知的因数是电流密度J。电流密度影响铜损（调整率）以及由铜损引起的内部温升。一般的传统变压器中，用较低的电流密度米设计，经验上使用24A/mm2，而平面变压器设计中处理电流密度的方法与传统的方法不同，当设计平面变压器PCB绕组时，使用的是与PCB板设计相同的方法，即基于温升的钢导线宽度和厚度，般的平面变压器绕组电流密度J选择为20-50Amm2。　　PCB用铜皮覆盖，钢的厚度以oz（盎司）表示，例如loz，20z，30z。以盎司表示的质量是指1平方英尺面积上的材料的质量。因此，loz钢皮就是1平方英尺铜皮的质量是1盎司，即其厚度约为35um，2oz钢皮约为70um，3oz铜皮约为105um　　据PCB供应商介绍，一般PCB不做特殊说明通常采用半盘司即05o（约18m）铜箔厚度来做价格约68分/m2.lo（约35um）例箔厚的价格约75分/m2，2on（约70um）铜箔厚的价格更责约8.5分/cm2，板上走较大电流时多采用2oz的板，3on约105um）及以上铜箔厚的有特殊需要通常需要定做。以上价格为FR4材料双面板成品参考价格。实际的双板在制作的沉铜过程中进行电镀，电镀后钢箔厚度会增加025~0.5on厚。　　通常采用的PCB基材均为FR→4材料，铜箔的附着强度和工作温度较高，由于数铜板铜箔厚度有限，在需要流过较大电流的条状铜箔中应考虑铜箔的载流量问题，一般PCB允许温度为260℃，但实际使用的PCB温度最高时不可超过150℃，因为如果超过此温度就很接近焊锡的熔点（183℃）了。同时还应考虑到板上元件允许的温度，通常民品级C只能承受最高70℃，工业级IC为85℃，军品级C最高也只能承受125℃，因此在装有民品C的PCB上C附近的铜箔温度就需控制在较低水平，只有在只装耐温较高的大功率器件（125℃-175℃）的板上才能允许较高的PCB温度，但PCB温度较高时对功率器件散热的影响也是需要考虑的。 　　2.6PCB绕组的空间分布方式　　最大磁感应强度确定以后，对具体的电路拓扑结构和变压器类型虢能利用相应的公式计算出初级和次级绕组的团数。一旦绕组的PCB被做好了，其布线就固定了，绕组将不再变化。所有的寄生参数，包括漏感都将被固定，这在传统的变压器中是不一定的。　　在设计时有一点必须确定那就是绕线在层上应该怎样分布。导线上电流的流动会导致PCB板的温升，通常建议把绕组对称分布于外层以便于热扩散。从磁的角度来看，三明治状夹层式的初级和次级绕组结构是最佳的方式因为它有利于减小所谓“邻近效应的影响然而，实际PCB板上允许的绕组高度以及实际要求的线圈匝数往往难以满足最佳设计要求考虑到成本的原因建议采用标准厚度的的覆铜层通常PCB制造商采用35或70微米的厚度厚度的选择在控制电流引起的温升方面扮演着重要的角色。　　国际安规C60950中对环氧树脂（FR2或FR4）类PCB型变压器初级与次级之间的主要绝缘厚度要求为400微米如果主要绝缘厚度的值未要求那么绕组层间保证200微米的绝缘距离是足够的而且在顶层和底层的大约10微米厚的阻焊层也应该考虑在内。　　绕组的导线宽度取决于电流强度和最大允许电流密度的值绕组匝间间隔是由产品生产技术能力和成本决定的通常的规则是对于35微米厚的覆铜导线宽度和间隔必须大于150微米而对于70微米厚的覆铜则必须大于200微。 　　依靠PCB板制造商的生产能力生产出更小尺寸的PCB板也是可能的不过这可能意味着实际成本的增加。如下图，每层导线的匝数和巨间间距分别用Ni和s表示对于实际绕由以下公式算出　　为了满足主体绝缘要求可能有不同的位置结构实现方案，磁芯被看作是原边初级绕组的一部分，与副边次级绕组的分离距离必须至少为400微米因此靠近内层和磁芯外腿的次级绕组与磁芯的爬电安全距离必须至少为400微米这样由于800微米必须从绕组宽度中扣除导线的宽度就能够通过下面公式计算得到。　　2.7平均匝长MLT　　为了计算绕组的直流电阻，需要平均匝长MLT，当绕组电阻知道以后，就可以计算出在额定负载下绕组的压降，绕组平均匝长有关的绕组尺寸与匝长的计算如下所示： 　　2.8PCB绕组直流电阻与损耗　　PCB绕组直流电阻可由以下公式确定　　2.9绕的端接 　　如果对于终端的接法没有足够的考虑，那么平面变压器到外部的连接效果可能会很差，由于平面变压器使用的工作频率比较高，所以必须考虑趋肤效应（交流电阻）的影响，由于趋肤效应，平面变压器的外部引线必须尽可能的短，对于大电流而言，端接产生的影响会很大，低质量的连接会使得产品接触电阻大，导致发热严重，甚至于烧坏产品。　　连接方式也可能导致成本的上升，如下图所示的两种不同的端接方式：　　2.10磁芯的安装和固定　　磁芯的固定和安装应该是坚固而温度稳定的。使磁芯两半安全可靠合在一起的最可行的方法之一是使用环氧树粘合剂。当磁芯的两部分被环氧树脂粘合剂适当粘合的时候，粘合剂应该对其电性能很少或者没有影响。这就是说，环氧树脂粘合剂很少或者没有在啮合表面处附加气隙。而实际上，使用任何环氧树脂粘合剂来固定磁芯，都会附加有一定的气隙，因为环氧树脂是由颗粒存在的，因此在使用平面芯的场合，磁芯的两个端面是不能直接使用环氧树脂粘合剂来固定，只能从磁芯端面的两侧来粘接，这就降低了粘接的牢固性和可靠性同时还要仔细考虑磁芯与安装表面之间的热应力问题。构成磁芯的铁氧体是一种易碎的物质，平面磁芯的截面薄、外形低，不能像传统磁芯那样缓冲那么大的应变，因此，在平面变压器装配以后，在PCB与磁芯之间应该保证一个小的问隙以保证在整个温度变化中有最小的应力　　三、设计举例　　3.1正激变换器