一、PCB平面變壓器簡介
PCB平面變壓器可由獨立的標準疊層電路或小型多層PCB板組件構(gòu)成，或者集成到電源多層PCB板內(nèi)。PCB平面變壓器有如下的優(yōu)點：
1.非常小的外形體積：
2.極好的散熱性能;
3.很低的漏感：
4.優(yōu)越的性能可重復性：
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通過對工作狀態(tài)下的多層PCB板型電路的平面E型變壓器的性能測試顯示，與相同的有效體積的傳統(tǒng)線繞型變壓器相比，平面變壓器的熱阻大大下降（高達50%）。這是由于平面磁芯的比表面積有很大提高，更加有利于散熱的原因，這就使得平面變壓器能夠工作在較高的功率密度下還能保持在可接受的溫升范圍內(nèi)。
而PCB平面變壓器的設(shè)計難點在于：
1.尋找薄PCB絕緣基材和厚鋼銷（大于70um）的PCB，才能滿足繞組的多層（4-12層）低高度（2-3mm）以及大電流要求;
2.大電流時銅箔的發(fā)熱是否會引起銅銷與絕緣基材的分層：
3.為保證產(chǎn)品的可掌性，多層PCB布板時的絕緣距離如何設(shè)計等等問題。
二、PCB平面變壓器的設(shè)計參數(shù)
2.1PCB平面變壓器結(jié)構(gòu)
平面變壓器沒有漆包線繞組，而是將扁乎的連續(xù)銅質(zhì)螺旋線刻蝕在印刷電路板上，然后疊放在磁芯上，其典型的結(jié)構(gòu)如下圖：
2.2變壓器參數(shù)設(shè)計公式
設(shè)計平面變壓器和設(shè)計傳統(tǒng)變壓器所用的設(shè)計公式及所用的選擇合適磁芯的準則是一樣的，計算所需的磁芯公式如下：
2.3最大磁感應強
變壓器在工作狀態(tài)下的鐵損和銅損會導致器件環(huán)境溫度的升高，溫升必須被限制在最大允許溫度范圖內(nèi)，否則會對變壓器或其它電路造成損害。
要使變壓器的損耗最小，那么磁芯的鐵損和線圈的銅損應該各占變壓器總損耗的一半，我們可以用變壓器的最大容許溫升值為變量的函數(shù)來確定磁芯的最大鐵損。其表達式如下：
磁芯的功率損耗是頻率f（Hz）、最大磁感應強度B（T）、以及溫度T（℃）的函數(shù)鐵損大致如下的函數(shù)關(guān)系式：
公式中參數(shù)Cm，xvctctct2是通過功率損耗相關(guān)數(shù)據(jù)的測量間接得到的這些參數(shù)是由材料特性決定的。
注意：最大磁感應強度B也能通過另一種方法獲得將上面公式里的所有參數(shù)輸入相關(guān)計算機軟件程序可以計算出任意波形下的功率損耗這樣做的好處在于它可以對實際的磁感計算機軟件程序可以計算出任意波形下的功率損耗這樣做的好處在于它可以對實際的磁感最佳的鐵氧體磁芯
2.4磁芯窗口利用系數(shù)
在傳統(tǒng)的變壓器中，窗口利用系數(shù)一般約為04左右，這就意味著銅填滿窗口面積的40%，另外60%的面積是用于骨架或繞線管、層間絕緣和導線絕緣，以及由加工技術(shù)水平的限制而多占用的空間。設(shè)計采用PCB繞制繞組的方法進一步減小了窗口利用系數(shù)，兩種不同繞制技術(shù)的窗口利用系數(shù)K的比較如下
2.5電流密度J
在平面變壓器的設(shè)計中，一個未知的因數(shù)是電流密度J。電流密度影響銅損（調(diào)整率）以及由銅損引起的內(nèi)部溫升。一般的傳統(tǒng)變壓器中，用較低的電流密度米設(shè)計，經(jīng)驗上使用24A/mm2，而平面變壓器設(shè)計中處理電流密度的方法與傳統(tǒng)的方法不同，當設(shè)計平面變壓器PCB繞組時，使用的是與PCB板設(shè)計相同的方法，即基于溫升的鋼導線寬度和厚度，般的平面變壓器繞組電流密度J選擇為20-50Amm2。
PCB用銅皮覆蓋，鋼的厚度以oz（盎司）表示，例如loz，20z，30z。以盎司表示的質(zhì)量是指1平方英尺面積上的材料的質(zhì)量。因此，loz鋼皮就是1平方英尺銅皮的質(zhì)量是1盎司，即其厚度約為35um，2oz鋼皮約為70um，3oz銅皮約為105um
據(jù)PCB供應商介紹，一般PCB不做特殊說明通常采用半盤司即05o（約18m）銅箔厚度來做價格約68分/m2.lo（約35um）例箔厚的價格約75分/m2，2on（約70um）銅箔厚的價格更責約8.5分/cm2，板上走較大電流時多采用2oz的板，3on約105um）及以上銅箔厚的有特殊需要通常需要定做。以上價格為FR4材料雙面板成品參考價格。實際的雙板在制作的沉銅過程中進行電鍍，電鍍后鋼箔厚度會增加025~0.5on厚。
通常采用的PCB基材均為FR→4材料，銅箔的附著強度和工作溫度較高，由于數(shù)銅板銅箔厚度有限，在需要流過較大電流的條狀銅箔中應考慮銅箔的載流量問題，一般PCB允許溫度為260℃，但實際使用的PCB溫度最高時不可超過150℃，因為如果超過此溫度就很接近焊錫的熔點（183℃）了。同時還應考慮到板上元件允許的溫度，通常民品級C只能承受最高70℃，工業(yè)級IC為85℃，軍品級C最高也只能承受125℃，因此在裝有民品C的PCB上C附近的銅箔溫度就需控制在較低水平，只有在只裝耐溫較高的大功率器件（125℃-175℃）的板上才能允許較高的PCB溫度，但PCB溫度較高時對功率器件散熱的影響也是需要考慮的。
2.6PCB繞組的空間分布方式
最大磁感應強度確定以后，對具體的電路拓撲結(jié)構(gòu)和變壓器類型虢能利用相應的公式計算出初級和次級繞組的團數(shù)。一旦繞組的PCB被做好了，其布線就固定了，繞組將不再變化。所有的寄生參數(shù)，包括漏感都將被固定，這在傳統(tǒng)的變壓器中是不一定的。
在設(shè)計時有一點必須確定那就是繞線在層上應該怎樣分布。導線上電流的流動會導致PCB板的溫升，通常建議把繞組對稱分布于外層以便于熱擴散。從磁的角度來看，三明治狀夾層式的初級和次級繞組結(jié)構(gòu)是最佳的方式因為它有利于減小所謂“鄰近效應的影響然而，實際PCB板上允許的繞組高度以及實際要求的線圈匝數(shù)往往難以滿足最佳設(shè)計要求考慮到成本的原因建議采用標準厚度的的覆銅層通常PCB制造商采用35或70微米的厚度厚度的選擇在控制電流引起的溫升方面扮演著重要的角色。
國際安規(guī)C60950中對環(huán)氧樹脂（FR2或FR4）類PCB型變壓器初級與次級之間的主要絕緣厚度要求為400微米如果主要絕緣厚度的值未要求那么繞組層間保證200微米的絕緣距離是足夠的而且在頂層和底層的大約10微米厚的阻焊層也應該考慮在內(nèi)。
繞組的導線寬度取決于電流強度和最大允許電流密度的值繞組匝間間隔是由產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)能力和成本決定的通常的規(guī)則是對于35微米厚的覆銅導線寬度和間隔必須大于150微米而對于70微米厚的覆銅則必須大于200微。
依靠PCB板制造商的生產(chǎn)能力生產(chǎn)出更小尺寸的PCB板也是可能的不過這可能意味著實際成本的增加。如下圖，每層導線的匝數(shù)和巨間間距分別用Ni和s表示對于實際繞由以下公式算出
為了滿足主體絕緣要求可能有不同的位置結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方案，磁芯被看作是原邊初級繞組的一部分，與副邊次級繞組的分離距離必須至少為400微米因此靠近內(nèi)層和磁芯外腿的次級繞組與磁芯的爬電安全距離必須至少為400微米這樣由于800微米必須從繞組寬度中扣除導線的寬度就能夠通過下面公式計算得到。
2.7平均匝長MLT
為了計算繞組的直流電阻，需要平均匝長MLT，當繞組電阻知道以后，就可以計算出在額定負載下繞組的壓降，繞組平均匝長有關(guān)的繞組尺寸與匝長的計算如下所示：
2.8PCB繞組直流電阻與損耗
PCB繞組直流電阻可由以下公式確定
2.9繞的端接
如果對于終端的接法沒有足夠的考慮，那么平面變壓器到外部的連接效果可能會很差，由于平面變壓器使用的工作頻率比較高，所以必須考慮趨膚效應（交流電阻）的影響，由于趨膚效應，平面變壓器的外部引線必須盡可能的短，對于大電流而言，端接產(chǎn)生的影響會很大，低質(zhì)量的連接會使得產(chǎn)品接觸電阻大，導致發(fā)熱嚴重，甚至于燒壞產(chǎn)品。
連接方式也可能導致成本的上升，如下圖所示的兩種不同的端接方式：
2.10磁芯的安裝和固定
磁芯的固定和安裝應該是堅固而溫度穩(wěn)定的。使磁芯兩半安全可靠合在一起的最可行的方法之一是使用環(huán)氧樹粘合劑。當磁芯的兩部分被環(huán)氧樹脂粘合劑適當粘合的時候，粘合劑應該對其電性能很少或者沒有影響。這就是說，環(huán)氧樹脂粘合劑很少或者沒有在嚙合表面處附加氣隙。而實際上，使用任何環(huán)氧樹脂粘合劑來固定磁芯，都會附加有一定的氣隙，因為環(huán)氧樹脂是由顆粒存在的，因此在使用平面芯的場合，磁芯的兩個端面是不能直接使用環(huán)氧樹脂粘合劑來固定，只能從磁芯端面的兩側(cè)來粘接，這就降低了粘接的牢固性和可靠性同時還要仔細考慮磁芯與安裝表面之間的熱應力問題。構(gòu)成磁芯的鐵氧體是一種易碎的物質(zhì)，平面磁芯的截面薄、外形低，不能像傳統(tǒng)磁芯那樣緩沖那么大的應變，因此，在平面變壓器裝配以后，在PCB與磁芯之間應該保證一個小的問隙以保證在整個溫度變化中有最小的應力
三、設(shè)計舉例
3.1正激變換器
