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平面电力变压器设计
内容
介绍 3
设计程序 4
设计实例
-光的回程 8
-光的前扫 10
公式 13
分层设计 14
平面变压器分解图
介绍
平面变压器可以作为独立的组件，采用堆叠层设计或小的多层PCB，或集成到电源的多层板中。
平面磁学的重要优点是：
- 极低剖面
- 优良的热特性。
- 低漏电感
- 优良的重复性能
在多层印制电路板中绕组的工作条件下，对平面E型铁心变压器的测量表明，与具有相同有效铁心体积V的传统绕线变压器相比，其热阻要低得多（高达50%）。这是由于提高了表面体积比。这种更好的冷却能力的结果是，平面变压器可以处理更高的吞吐功率密度，而温升仍在可接受的范围内。
本手册介绍了一种快速简便的平面电力变压器设计方法。
将讨论用这种快速程序设计的示例。
运行情况试验表明，实测结果与预测温升吻合较好。
平面原理
设计程序
1。最大通量密度的计算
变压器在运行条件下的铁心和铜损耗会引起温升。此上升必须保持在最大允许值以下，以避免损坏变压器或其他电路。在热平衡中，变压器的总损耗与变压器的温升∆T有关，类似于欧姆定律：
= [1]
在这个公式中，代表变压器的热阻。实际上可以解释为变压器的冷却能力。
以往的研究表明，可以建立一个实验式，将变压器的热阻值直接与所用铁氧体磁芯的有效磁容积Ve值联系起来。该实验式对铁芯形状为RM、ETD的绕线变压器是有效的。平面E型变压器也发现了类似的关系。这一关系可以用来估算变压器温升随通流密度的变化关系。由于可用的绕组空间有限，建议在平面磁学中使用最大允许磁通密度。
假设变压器总损耗的一半是铁心损耗，可以将最大铁心损耗密度表示为变压器允许温升∆T的函数，如下所示：
= (mW /立方厘米) [2]
铁氧体中的功率损耗是由频率(f为Hz)、峰值磁通密度(B为T)、温度(T为℃)决定的。岩心损失密度可通过以下公式进行近似计算：
=
=
公式中，Cm、x、y、cT0、cT1、cT2是对实测功率损耗数据进行曲线拟合得到的参数。这些参数是铁氧体材料特有的。它们的尺寸在100°C时，值等于1。
表1列出了几种铁氧体功率铁氧体的拟合参数。最大允许磁通密度用公式[2]计算。将该值插入方程式[3]中。从而可以通过重写方程[3]计算最大允许通量密度：
= [4]
|
表1：计算功率损耗密度的拟合参数 |
注：
B的最大允许值也可以用另一种方法求出来。即将公式[3]和拟合参数插入到计算机程序中，从而可以计算任意波形的功率损耗。其优点是可以模拟的真实波形来计算损耗，并且可以为相关应用选择最佳的铁氧体。
2。绕组空间中匝数分布的建议
一旦确定了最大峰值磁通密度的值，就可以使用适用于变换器拓扑和变压器类型（如反激或正向）的已建立公式来计算一次和二次匝数。
我们必须决定如何将绕组划分到可用的层上。但是轨道中的电流会引起PCB的温升。这是由于热膨胀的原因，所以建议将绕组匝数在外层相对于内层的匝数对称分布。
从磁学的角度来看，最佳方案是将初级和次级层夹在一起。这将减少所谓的邻近效应（见第6页）。但是，PCB中的可用缠绕高度和应用所需的圈数并不总是允许进行优化设计。
出于成本原因，建议选择标准厚度的铜层。PCB制造商通常使用35或70微米的厚度。层厚的选择对电流引起的绕组温升起着重要作用。
安全标准（如IEC 950）要求一次绕组和二次绕组之间的主绝缘距离为400微米（通过PCB材料（FR2或FR4））。如果不需要电源绝缘，绕组层之间200微米的距离就足够了。此外，必须考虑到PCB顶部和底部约50微米的阻焊层。
绕组的磁道宽度取决于电流值和允许的最大电流密度。间距由生产能力和成本决定。对于厚度为35微米的铜层，一般是轨道宽度和间距gt;150微米，对于厚度为70微米的铜层则要gt;200微米。
根据PCB制造商的生产能力，更小的尺寸也是可能的，但这可能意味着印制电路板的成本增加。
每层的匝数和间距匝数分别用符号Nl和s表示。然后对于一个可用的绕组宽度bw，可以计算出轨宽wT，如图1所示:
= [5]
如果必须满足电源绝缘要求，情况会有所不同。核心被视为一次绕组的一部分，必须与二次绕组分开400微米。因此，靠近内外支腿和磁芯的（二次）绕组之间的距离必须为400mu;m。在这种情况下，可以用[6]计算磁道宽度，因为必须从可用绕组宽度中减去800mu;m。
= [6]
在公式5和6中，所有尺寸均以mm为单位。
图1
三。电流引起的PCB温升的测定
最后一步是检查电流引起的铜轨温升。为此，必须根据输入数据和所需输出计算有效（=RMS）电流。计算方法取决于所使用的拓扑结构。在设计实例中，这一点适用于传统的标准正向和反激变换器拓扑。图2显示了多氯联苯中不同截面导体的均方根电流和感应温升之间的关系。对于间隔不太近的单导体应用或电感器，此图表可直接用于确定导体宽度、导体厚度、横截面积和各种预设温升值的允许最大电流。
注：
对于类似的并联电感器组，如果间距很近，则可以通过使用等效横截面和等效电流来确定温升。等效横截面是平行导体横截面的总和，等效电流是电感器中电流的总和。
这种设计方法的一个缺点是，假设绕组中的感应热是由直流电流引起的，而实际上有交流电流引起集肤效应和邻近效应。
集肤效应是由导体自身电流产生的导体内部磁场的结果。快速的电流变化（高频）会引起交流磁通量，从而产生涡流。这些涡流加在主电流上的方向与主电流的方向相反。电流在导体的中心被抵消，并向表面移动。电流密度从表面向中心呈指数递减。
集肤深度delta;是从导体表面到中心的距离，在此距离上电流密度降低了1/e。集肤深度取决于材料的导电性和渗透性，与频率的平方根成反比。对于60°C下的铜，表皮深度可近似为：delta;（mu;m）=2230/（f[kHz]）1/2
当导体宽度（）小于2delta;时，这种效应的贡献将受到限制。这意味着500 kHz频率下的轨道宽度小于200mu;m。如果有关匝数的绕组宽度bw更大，从磁学的角度来看，最好的解决方案是将它们分成平行的轨道。
在实际情况下，导体中会产生涡流效应，这不仅是由于其自身电流的交变场（集肤效应），还因为附近其他导体的场。这种效应称为邻近效应。当第一层和第二层夹在一起时，这一效应将大大降低。原因是一次电流和二次电流流向相反的方向，这样它们的磁场就会消失。然而，在同一层中，相邻导体的邻近效应仍有作用。
有效工具
对多个多层印制电路板设计的温度测量表明，与直流电流测定值相比，每增加100 kHz的频率可使印制电路板的温升增加2°C，其准确度合理。
图2电流、多氯联苯轨道尺寸与温升的关系。
设计实例1：反激变压器
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最小输入电压：Uimin=70V |
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输出电压：Uo=8.2V |
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额外一次输出：向上=8V |
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一次占空比：asymp;0.48/0.5delta; |
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二次占空比：asymp;0.48/0.5delta; |
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开关频率fasymp;120kHz |
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输出功率P 8 W |
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环境温度T 60C o |
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允许温升∆T 35Co |
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目的是设计一个反激变压器的规格如上所示。
作为第一步，假设在这个频率下，可以使用160mT的高峰值通量密度。然后，将检查考虑到允许的堆芯损耗和温升，这是否可能。
表2显示了铁氧体平面E和PLT磁芯的六个最小标准组合的计算匝数。同时，根据附录1所示的公式计算初级自感系数和所需气隙和电流。
从表2可以看出，对于多层PCB绕组，E-14芯组所需的一次匝数太高。因此，E-E18或E-PLT18核心组合看起来是最合适的选择。N1、N2和N3的四舍五入分别得到24、3和3。
基于表达式[3]的程序可用于计算频率为120kHz、 160 mT和工作温度为95°C的单极三角形磁通波形的损耗。对于功率铁氧体3C30、3C90，预期的堆芯损耗密度为385 mw/和430 mw/。
Delta;T=35°C时，E-PLT18的容许堆芯损耗密度为470 mW/，E-E18的容许堆芯损耗密度为429 mW/（从方程式1得到）。
结论是3C30和3C90可用于两种核心组合。功率损失较高的劣质铁氧体会导致温度升高过高。
24个一次绕组匝数可以用2层或4层对称划分。E-18磁芯的有效缠绕宽度为4.6 mm。这意味着，仅使用两层，每层12圈，在技术上是很困难的，因此也是很昂贵的解决方案。这将需要非常窄的轨道宽度和间距。
因此，选择4层，每层6圈。多层PCB的层数越少，成本就越低。因此，我们假设一次绕组的3圈（对于IC电压）和二次绕组的3圈各转一层。六层设计可以建立如表3所示。
表2。几种反激变压器的数据计算。
根据电流产生的热量，可在35或70mu;m铜层之间进行选择。在一次和二次层之间，电源绝缘需要400微米的距离。E-PLT 18组合的最小缠绕窗口为1.8.mm。这足以满足35微米层设计的要求，从而使PCB厚度约为1710微米。
为了实现经济设计，我们假设轨道之间的间距为300微米。计算具有[5]的二次绕组的轨道宽度返回1.06 mm，包括主绝缘。
如图2所示。并且使用1.6 A的计算二次均方根电流（见表2），35微米层的温升为25°C，70微米设计的温升约为7°C。
绕组损耗引起的温升允许约为总温升的一半，在这种情况下为17.5°C。显然，对于1.6 A的均方根电流，35微米层的温升会过大，必须使用70微米层。
一次绕组匝的轮距见表3。用[5]计算的六层设计示例，约为416微米。该轨道宽度几乎不会引起初级均方根电流0.24 A的任何温升。
由于频率为120 kHz，与直流电流情况相比，预计PCB的额外温升为2°C。由电流引起的PCB的总温升将保持在10°C以下。
该设计具有6层70mu;m铜轨道，应在其规范范围内发挥作用。PCB的标称厚度约为1920微米，这意味着不能使用标准平面E-PLT18组合。标准的E-E18组合带3.6 mm的窗口。然而，它的缠绕窗口过大，因此定制的核心形状（缠绕窗口约为2 mm）将是一个更好的解决方案。
在与3C90材料中的
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