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变压器设计与DC/DC转换器技术同步发展

供稿:barryzheng_93 2005/3/30 16:04:00

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撰稿人:Rob Hill C&D Technologies , Vice President – EMEA / Asia Sales and Global Marketing介绍最近几年,在电子行业的许多领域中,从事于DC/DC转换器设计和制造的公司都在承受很大商业和竞争压力。市场需求已经转向小体积、高密度和更高效率的产品。 无论从成本、体积还是表现来讲,变压器都是DC/DC转换器设计中的一个关键器件。因此大家都在努力去优化该器件使其与超前的半导体和被动元件发展向匹配。虽然传统的绕线型变压器仍在许多较大波形因数电源应用中使用,但近年来几种新技术的涌现为DC/DC转化器设计带来显著效益,其中一例是平板变压器。独立式和嵌入式平板变压器
独立式平板变压器是利用平面铜制引线框架或印制板的铜线为绕阻而构成。这意味着他们比传统的支架上绕铜线的变压器占有的空间要小的多。精密的铜制引线框架或印制绕组使设计规格比线绕变压器更精确的符合要求,件件间的重复性水平也得到提高。蚀刻铜制引线框架或印制型绕阻被堆叠在平板中,与高频铁氧体磁芯构成变压器的磁路。该设计使其成为一个非常低剖面的变压器组件。在平板设计中实现大的横截面积铜导体使高功率密度和高电流的设计变得更加容易。平板绕组和铁氧体的高表面容量比使产品具有良好散热功能。特别是在高工作频率下,高效是平面变压器的一个更进一步关键效益。在线绕形变压器中,效率被“趋肤效应”逆反影响,即当高频电流通过圆柱形导体时迫使电子由中部流向边缘集中在铜线表面,从而减少了电流通过的导体横截面积。 从一个完成和装配的观点来,平面变压器也有优于线绕变压器。绕线变压器通常要求手工操作来剥去在绕线端的涂料,然后蘸锡或手工焊锡。在平面变压器上的压制或蚀刻铜片的引出端常常能形成表面贴装终端以增长装配速度和重复性,从面减少成本。与嵌入平面变压器结合在一起,此优点甚至更突出,此处铁氧体从DC/DC转换器PCB上穿过,而且绕组呈螺旋状层层绕在印刷电路板上。尽管它们比嵌入式设计占用更多的空间,近年来,独立式平面变压器的欢迎度已经不断提高。因为全嵌入式变压器利用DC/DC转换器的电路板作为自己的绕线,所以每一组输入/输出电压都需要设计不同的电路板。而且,对于嵌入式平面设计,因为为了蚀刻线圈需要使用多层电路板,所以总体成本较高。一些混合设计利用主板作为初级绕线,然后用分离的小PCB作为次级来产生不同的输出电压。这种设计也很普遍。虽然嵌入式设计达到高功率密度并拥有良好的热性能以实现空间节约的特性,但是对于许多应用,这些优点被成本、缺乏灵活性和可互换性所限制。高生产量将在一定程度上抵销嵌入式设计的较高成本。 抽头绕线设计
C&D Technologies已经开发出一种被称为“交错”或“抽头绕线变压器”的技术,并应用在其WPA60双输出四分之一砖DC/DC转换器上。相对于标准的平面变压器,这种变压器提供了更高的功率。 此设计交错了初级和次级绕线,以减少不合需要的漏电感。一个直接的“三明治”式初级 – 次级 – 初级或次级 – 初级 – 次级能够减少漏电感。高漏电感将导致不完整的耦合,损耗和瞬态电压等缺陷 。尽管抽头初级或抽头次级变压器具有显著的优点,但仍有一些重点需要考虑。例如,因为有较多的端子,初级和次级电路的隔离变的更加困难。而且,设计要求初级和次级之间EMI 屏蔽,将来会要求额外数量的屏蔽物。更多的变压器设计
现有的变压器的设计都是基于磁性技术。未来,声耦合技术的大规模采取将提供变压器设计更小化的潜能。目前,一些低功率高输出电压的DC/DC转换器设计已经在一定程度上实现了。声耦变压器利用压电材料的特性,通过一个振动结构来耦合电能。一个转换器激发一个该材料的共振模式,然后被第二个次级转换器截取并转换为次级电压。在变压器设计的其它发展中,使用极高工作频率能产生有效的空气耦合,因此不需要铁氧体。将变压器和其它磁性器件如输出扼流圈结合到电路中是另一大进步,这将帮助减少DC/DC设计的总波形系数。最后,新磁芯材料的发展允许更高的操作频率而且损耗低,这将有助于为一个指定的电源提供更小的变压器。概要很明显,线绕变压器已经越来越不适宜用于DC/DC转换器和其它应用中。其大体积、低效率和不能满足件件重复性的困难意味着它们正快速的被新近技术取代。嵌入式和独立式平面变压器有他们各自的优点和缺点,设计中选择一个或另一个取决于应用需要。抽头次级(或主级)变压器的一个创新而且提供一些优于传统设计的优点。再一次强调,应用将决定对于一个指定的设计,它们是否是最合适的选择。未来,从磁性变压器转移到声学变压器的发展看起来将生产出一些令人振奋的新产品,而且DC/DC转换器设计者的选择将越来越多。

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