平面变压器的技术分析
印制板平面变压器及其设计方法
印制板平面变压器及其设计方法平面变压器（Planar Transformer）是现代电子设备中常见的一种电力转换器件，它具有体积小、功率密度高、效率高等优点，在高频应用中广泛使用。
本文将介绍平面变压器的基本原理及其设计方法。
一、平面变压器的基本原理平面变压器是通过在层板或多层板上分布式绕制高导电性的导线来实现电磁能的传输的一种变压器结构。
相比传统的线性绕制变压器，平面变压器的导线更加紧凑，可以提高电路的热耦合效果，从而提高效率。
平面变压器主要由主绕组和副绕组组成，两者之间通过互感耦合进行能量传输。
主绕组和副绕组都是由导线在平面上绕制而成，副绕组通常绕制在主绕组上方或下方的另一平面上。
这种结构可以减小漏感应耦合，提高效率。
二、平面变压器的设计方法1.确定基本参数：根据应用需求确定平面变压器的输入电压、输出电压、额定功率等基本参数。
2.计算变压器的参数：根据基本参数，计算变压器的变比，即主副绕组的匝数比。
变比的选择会影响到变压器的效率和输出电流的稳定性。
3.计算导线的尺寸：根据变压器的额定功率和电流，计算主绕组和副绕组导线的尺寸。
导线的尺寸会影响到导线的电阻和损耗，同时也需要考虑到导线间的绝缘和间隔，避免电弧击穿。
4.绘制变压器的外形：根据导线的尺寸和布局确定变压器的外形尺寸。
通常采用绘制软件进行设计，以便更好地进行后续的制造和组装。
5.选择磁芯材料：根据变压器的工作频率和功率密度选择合适的磁芯材料。
磁芯的选择会影响到变压器的磁耦合效果和磁滞损耗。
6.计算磁芯的尺寸：根据变压器的输入电压和工作频率，计算磁芯的尺寸和磁通密度。
磁芯的尺寸和磁通密度会影响到变压器的效率和磁耦合效果。
7.进行仿真和优化：使用电磁场仿真软件对设计进行模拟和优化，以改善变压器的性能，如减小漏感应耦合、降低电磁干扰等。
综上所述，平面变压器是一种高效、高密度的电力转换器件，其设计需要根据具体应用需求确定基本参数，计算变压器的参数和导线尺寸，并选择合适的磁芯材料和计算磁芯尺寸。
分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计
分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计摘要：平面变压器是一种新兴的开关电源产品，其设计合理性能够直接影响到开关电源产品的大小、成本和性能，鉴于此，要想使其在一些大功率开关电源设备中发挥出最大的利用价值，关键任务就是要对当前结构设计较为复杂的大功率平面变压器和电感器进行全面的优化与完善。
本文也会通过相应的仿真模型，来对两者的优化设计进行着重分析，并提出合理的意见和建议，以便有关人士参考。
关键词：平面变压器；电感器；优化设计要点；研究分析前言目前，在高压大功率场合中，大功率平面变压器一般都会根据拓扑电路进行单独设计，而一般的设计方法仅仅是满足电路能正常工作，并不是性价比高的设计，鉴于此，要想改善现状，使大功率平面变压器在高压大功率开关领域中得到更好的应用与发展，当务之急就是要对平面变压器和电压器的结构设计进行全面的优化。
1.高压大功率平面变压器的热仿真及优化设计分析通常，判断平面变压器的设计是否合理，关键任务就是要看其温升是否合理，即变压器的工作温度是否为最佳工作温度。
鉴于此，在对高压大功率平面变压器进行优化设计时，就要采用AnsysWorkbench热仿真软件对平面变压器进行热仿真分析，在这一环节中，首先要根据变压器实物构建一个热仿真模型，如图一所示。
并在模型中输入相应的模型参数，如材料参数、环境参数等，同时还要利用有限元的方法对这些参数进行计算，这样才能在后处理结果中获得变压器的温度参数。
从最终仿真结果来看，平面变压器的绕组温升较低，而磁芯的温升较高，这证明变压器在运行过程中，会产生较大的磁芯损耗。
另外，为了准确计算出变压器的热阻值，还要在热仿真模型中分别将磁芯损耗和绕组损耗设置成唯一的热源，这样能根据模型求解出变压器的热阻值，即根据模型求解结果显示，当变压器在运行期间磁芯温度和绕组温度都高于标准值时，就会产生单磁芯损耗问题；另外，若变压器在工作状态下，仅绕组温度较高，而磁芯温度正常时，会产生单绕组损耗问题，鉴于上述情况，要想得以改善，就要结合热电相似原理，将最大温升带入到热模型中，来对模型中各部分热阻进行计算。
平面变压器寄生参数分析
(P +1)H p P(h1 + h2 ) + h1 < x < (P + 1)(h1 + h2 )
（3）
其中，P为原边绕组从上到下所在的层数，且 0≤P≤mBpB-1。mBpB为原边绕组的总层数。最大的磁场强 度也就是中间绝缘层的磁场为mBpBHBpB，即
H (x) = mp H p mp (h1 + h2 ) < x < mp (h1 + h2 ) + h∆ （4）
H (x) = I pnp x bw h1
（2）
当h <x<h +h 1B
B
1B
B
2B
B
时，H(x)保持HBpB不变。
当x>
h +h 1B
B
2B
B
时，
使用相
同
方法可
以
求
出
H(x)的值。
因此可以得到H(x)的表达式如下：
H(x) =
PHp
+
x
−
P(h1 h1
+
h2
)
H
p
P(h1 +h2) < x < P(h1 +h2)+h1
用非常广泛的 EE 型磁芯就不符合这个条件。另外，
平面变压器的绕组排列方向和传统变压器的方向是垂
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
直的，其模型和 Dowell 模型有所不同。本文依据漏磁
场的能量关系，推导出非中心对称结构磁芯平面变压
器漏感的估算公式。
平面变压器的漏磁场模型如图 4 所示。上面是原
容。如图
模块电源中平面变压器的设计与应用
模块电源中平面变压器的设计与应用平面变压器是一种特殊的变压器，它采用平面线圈结构，相对于传统的线圈结构，具有体积小、重量轻、功率密度高、成本低等优点。
这使得平面变压器在电子设备中得到了广泛的应用。
本文将从设计和应用两个方面，介绍平面变压器的相关知识。
一、平面变压器的设计1.线圈结构设计平面变压器的线圈主要由两个平行排列的薄片形成，每个薄片上绕有若干层线圈。
为了提高变压器的效率，一般采用高导磁率材料，如硅钢片，以减小磁通的损耗。
此外，薄片的宽度应根据设计的功率和频率来确定，需要满足一定的磁通密度和电流密度。
2.选材设计平面变压器的选材设计主要涉及材料的导磁性能和绝缘性能。
对于导磁材料，一般采用具有高导磁率和低回磁特性的材料。
对于绝缘材料，一般需要具有较高的击穿电压和耐热性。
此外，还需要考虑材料的成本、可加工性以及环境友好性等因素。
3.磁芯设计平面变压器的磁芯一般采用环形状，以方便线圈绕制。
磁芯的选用应考虑其导磁性能和磁阻特性，以减小磁通的损耗。
同时，磁芯的尺寸和形状也需要根据设计的功率和频率来确定，以满足一定的电感值和磁通密度要求。
4.散热设计由于平面变压器的功率密度较高，因此散热设计非常重要。
一般可以通过增加散热片的面积、使用导热材料等方式来提高散热效果。
另外，也可以通过合理的线圈布局来提供空气流动，从而提高散热效果。
二、平面变压器的应用1.电源模块平面变压器广泛应用于各种电源模块中，如手机充电器、笔记本电源适配器等。
由于平面变压器的体积小、重量轻，非常适合于电源模块的紧凑设计。
此外，平面变压器还具有高效率、低磁声等特点，可以提高电源模块的整体性能。
2.通信设备平面变压器也被广泛应用于通信设备中，如路由器、交换机等。
通信设备对电源的稳定性和转换效率要求较高，平面变压器可以满足这些要求。
同时，平面变压器还具有高密度布局和低漏磁等特点，可以减小设备体积，提高系统的集成度。
3.汽车电子随着电动汽车的普及，平面变压器也开始在汽车电子中得到应用。
pcb平面变压器工作原理
pcb平面变压器工作原理pcb平面变压器是一种特殊的变压器结构，广泛应用于电子产品中。
它的工作原理是通过磁耦合的方式实现电能的传递和变换。
平面变压器的结构特点是将主、副绕组分别布置在不同的PCB层内，使得变压器的磁路完全位于PCB板内部，形成一个平面结构。
这种设计不仅可以节省空间，还能提高变压器的性能和可靠性。
平面变压器的工作原理可以分为以下几个方面来说明：1. 磁耦合原理：平面变压器的主、副绕组之间通过磁耦合相互连接。
当主绕组通以交流电流时，产生的磁场会穿透到副绕组中，从而在副绕组中诱导出电动势，实现能量的传递和变换。
2. 磁路闭合原理：平面变压器的磁路完全位于PCB板内部，通过合理的设计，使得磁路的闭合性得到保证。
这样可以有效地减小磁漏耗，提高变压器的效率。
3. 匹配阻抗原理：平面变压器的主、副绕组之间存在电性能的匹配问题。
通过合理选择主、副绕组的匝数比例和材料特性，可以实现输入输出端口之间的阻抗匹配，从而提高功率传递的效率。
4. 电磁屏蔽原理：平面变压器的主、副绕组之间通过PCB板分隔，形成一个相对独立的电磁环境。
这种结构可以有效地减小外界电磁干扰对变压器的影响，提高系统的抗干扰性能。
5. 热管理原理：平面变压器在工作过程中会产生一定的热量。
通过合理的散热设计和材料选择，可以实现对变压器温度的控制和管理，保证其工作在安全可靠的温度范围内。
pcb平面变压器是一种特殊的变压器结构，通过磁耦合的方式实现电能的传递和变换。
其工作原理包括磁耦合原理、磁路闭合原理、匹配阻抗原理、电磁屏蔽原理和热管理原理等。
通过合理的设计和制造，可以使平面变压器在电子产品中发挥重要的作用，提高系统的性能和可靠性。
平面变压器的技术分析!
另外，对于多绕组的变压器来说，绕组间保持很好的耦合非常重要。如果耦合不理想则漏感值增大，将会使得次级电压的误差增大。而平面变压器因为具有很好的耦合，使得它成为最佳的选择。
2．3在不同拓扑中平面变压器的作用
在不同的拓扑中，磁性元件的作用也是不同的。在正激变换器中的变压器，磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中。然而，在反激变换器中的“变压器”并不完全是一个变压器，而是两个连接的电感器。在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候初级绕组储存能量，而在关闭的时候将能量传送到次级绕组。因此，这种插入技术的优点同上面相比是不同的。应用于这种变压器的插入技术的特点指在布置变压器原、副边绕组时，使原边绕组与副边绕组交替放置，增加原、副边绕组的耦合以减小漏感，同时使得电流平均分布，减小变压器损耗。
现在插入技术的研究被分为两个方面，即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路)。因此，插入技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。
铜箔高度按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取，这样可以使铜箔的所有部分都成为电流通路，大大减少集肤效应的影响。因此，应该使每一种开关频率对应于不同的铜箔高度。
4实验论证
为了比较平面变压器和传统变压器，分别做了两种变压器的模型，一种使用平面结构并使用了插入技术，另一种使用铜线分别在初级和次级绕制而成。两种变压器都被运用于一个互补控制的半桥变换器中。两个变压器的参数如下：
1平面变压器的特性研究
如前所述，平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗。绕组问的间隙越大意味着漏感越大，也就产生更高的能量损失。平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合，使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小，因此能量损耗也就很小了。
印制板平面变压器及其设计方法
印制板平面变压器及其设计方法印制板平面变压器是一种广泛应用于电路板中的小型变压器，其结构紧凑、体积小，具有良好的电磁兼容性和耐热性能，能够满足电子产品对于节省空间和提高性能的要求。
本文将就印制板平面变压器及其设计方法进行探讨。
一、印制板平面变压器的结构与原理印制板平面变压器的结构主要由两部分组成：铁芯和线圈。
铁芯由磁性材料制成，线圈则由导体材料绕制而成。
当外部交流电源施加在线圈上时，线圈中产生电磁场，通过铁芯传导到另一端的线圈中，从而实现电能的传输和变换。
印制板平面变压器的特点是线圈和铁芯均采用印制板技术制作而成，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功率密度高等优点。
同时，其电磁兼容性能好、耐热性能强，能够满足电子产品对于节省空间和提高性能的要求。
二、印制板平面变压器的设计方法印制板平面变压器的设计方法主要包括铁芯的选择、线圈的绕制和参数的计算。
1.铁芯的选择铁芯是印制板平面变压器的核心部件，其选择应考虑到磁导率、饱和磁感应强度、磁滞损耗、温度系数等因素。
一般采用磁性材料如硅钢片、铁氧体等制作。
2.线圈的绕制线圈的绕制是印制板平面变压器的关键步骤，其绕制方式直接影响到变压器的性能和效率。
一般采用绕线机进行绕制，绕制时应注意线圈匝数、线径、层数等参数的控制，以确保变压器的匹配度和电气性能。
3.参数的计算印制板平面变压器的参数计算包括电压比、匝数比、功率、直流电阻等参数的计算。
根据实际需求和规格要求，通过公式计算得到合适的参数值，并进行合理的调整和优化。
三、印制板平面变压器的应用领域印制板平面变压器广泛应用于电子产品中，如高频电源、通讯设备、计算机、音频设备、电视机等。
其体积小、功率密度高、电磁兼容性好等优点使其在电子产品中得到了广泛的应用。
四、印制板平面变压器的发展趋势随着电子产品的不断发展，对于印制板平面变压器的要求也越来越高。
未来，印制板平面变压器将更加注重体积的缩小、功率密度的提高、温度的控制、材料的改良等方面的发展，以满足电子产品对于高性能和节省空间的要求。
平面变压器技术专利分析
平面变压器技术专利分析作者：王红芬来源：《科学与财富》2016年第19期摘要：从专利的角度研究了平面变压器技术的发展趋势和竞争格局，分别对国外和中国的申请人分布情况进行统计分析，希望对相关领域研究人员或企业科技管理相关人员有所帮助。
关键词：平面变压器、发展趋势、专利分布通常的电源电路都要使用变压器等磁性元件，而在电源电路的小型化是当前电子产品发展的趋势，减小变压器体积的方法就是提高工作频率。
而常规变压器体积和效率难以同时提高，而平面变压器的绕组成扁平状，其厚度甚至小于导体的趋肤深度，因此有效避免的电流的趋肤效应，效率和工作频率都得到了提高。
因此，平面变压器是今后的研究趋势。
1.平面变压器技术专利发展历程平面变压器已经经过了二十几年的发展，由图1可以发现，其技术发展大致分为两个阶段（本文所有的专利数据库统计截止至2013年）。
1.1起步期：1976-1990年1976年3月10日，申请人为BELL TELEPHONE LAB INC发明人SEIDEL H首先公开了一种单层电路板上的隔离电路，该电路包含对应数据信号的微波震荡电路，耦合微波信号的平面变压器。
20世纪70年代，外国各企业开始对平面变压器进行研究。
这一时期，仅有零星的关于平面变压器的专利申请。
1990年以前，全球关于平面变压器的申请仅为十几件，且申请人均为国外的大公司，例如通电电气，IBM，贝尔实验室，斯伦贝谢技术公司，亚德诺半导体等。
然而，在上述申请中，大部分仅涉及利用平面变压器中的平面绕组耦合隔离功能，例如来贝尔实验室申请的专利US4024452A，采用平面绕组耦合震荡电路中产生的微波，重点不在平面变压器本身的改进上面；或者涉及平面变压器中平面绕组的改进，平面绕组的改进也只是将常规的漆包线螺旋的平面的绕制在变压器铁芯上面，用以来处理大电流与高的击穿电压，这种类型的平面变压器属于早期的绕线式平面变压器。
可见，这一时期的专利主要关注于利用平面变压器平面绕组初级阶段改进，处于小规模研究阶段。
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平面变压器的技术分析
中心议题：平面变压器的特性研究平面变压器的插入技术平面变压器的标准化设计
解决方案：使变压器中磁性能量储存的空间减少，导致漏感的减少使电流传输过程中在导体上理想分布，导致交流阻抗的减少绕组间更好的耦合作用，导致更低的漏感
磁性元件的设计是开关电源的重要部分，因为平面变压器在提高开关电源的特性方面有着很大的优势，因此近年来得到了广泛的应用。
对于一个理想的变压器来说，初级线圈所产生的磁通都穿过次级线圈，即没有漏磁通。
而对普通变压器来说，初级线圈所产生的磁通并非都穿过次级线圈，于是就产生了漏感，电磁耦合的紧密要求也无法满足。
而平面变压器只有一匝网状次级绕组，这一匝绕组也不同于传统的漆包线，而是一片铜皮，贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。
所以，平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数，而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充，以满足设计的要求。
因此，平面变压器的特点就显而易见了：平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小；平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低，这使变换器做在一个板上的设想得到实现。
但是，平面结构存在很高的容性效应等问题，大大限制了它的大规模使用，不过，这些缺点在某些应用中，也有可能转换为一种优点。
另外，平面的磁芯结构增大了散热面积，有利于变压器散热。
1平面变压器的特性研究如前所述，平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗。
绕组问的间隙越大意味着漏感越大，也就产生更高的能量损失。
平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合，使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小，因此能量损耗也就很小了。
在平面型变压器里，其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊。
扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗，也就是涡流损耗。
因此，能最有效地利用铜导体的表面导电性能，效率要比传统变压器高得多。
图1给出了一个平面变压器的剖面图，并且利用两层绕组间距离的不同，而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值。
图2与图3给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化，可以明显地看出间隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。
在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了5倍之多。
因此，在满足电气绝缘的情况下，应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值。
然而，容性效应在平面变压器中是非常重要的，在印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显。
而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响，绝缘材料的介电常数越高，变压器的容性值越高。
而容性效应会引起EMI，因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰。
为了验证，笔者做了一个试验，在铜导线的间隙增加O．2mm的情况下，而电容值就减少了20％。
因此，如果需要一个比较低的电容值，则必须在漏感和电容值之间做出一个折中的选择。
2插入技术插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时，使原边绕组与副边绕组交替放置，增加原、副边绕组的耦合以减小漏感，同时使得电流平均分布，减小变压器损耗。
现在插入技术的研究被分为两个方面，即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路)。
因此，插入技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。
2.1应用于平面变压器的插入技术应用于变压器中的插入技术的主要优点如下：1)使变压器中磁性能量储存的空间减少，导致漏感的减少；2)使电流传输过程中在导体上理想分布，导致交流阻抗的减少；3)绕组间更好的耦合作用，导致更低的漏感。
为了说明插入技术的特征，图4给出了应用3种不同插入技术的结构，P代表初级绕组，s代表次级绕组。
试验显示SPSP结构是最好的，因为初级和次级的绕组都是间隔插人的。
图5显示了在500kHz时，3种结构的交流阻抗和漏感值，通过比较可以很容易地发现应用了插入技术的变压器，交流阻抗和漏感值都有了很大的减少。
2．2多绕组变压器中平面结构的优势平面变压器另一个重要的优点是高度很低，这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数。
一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件，平面变压器很好地满足了这一要求。
例如，在多绕组的变压器中需要非常多的匝数，如
果是普通的变压器将会造成体积和高度过大，影响电源的整体设计，而平面变压器则不存在这一问题。
另外，对于多绕组的变压器来说，绕组间保持很好的耦合非常重要。
如果耦合不理想则漏感值增大，将会使得次级电压的误差增大。
而平面变压器因为具有很好的耦合，使得它成为最佳的选择。
2．3在不同拓扑中平面变压器的作用在不同的拓扑中，磁性元件的作用也是不同的。
在正激变换器中的变压器，磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中。
然而，在反激变换器中的“变压器”并不完全是一个变压器，而是两个连接的电感器。
在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候初级绕组储存能量，而在关闭的时候将能量传送到次级绕组。
因此，这种插入技术的优点同上面相比是不同的。
应用于这种变压器的插入技术的特点如下：1)在磁芯中储存的能量没有减少，因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动，并且没有电流补偿；2)电流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也没有减小；3)插入使得绕组间产生较好的耦合，因此有比较小的漏感值。
3平面变压器的标准化设计平面变压器的优点如上所述，同样它也有缺点，其最主要的缺点就是设计的过程非常复杂，而且设计成本也非常高。
下面介绍一种标准的设计平面变压器的程序步骤[3];它通过提供一个标准的匝数模型的设计，使之能够被使用于不同的平面变压器中，从而使得设计过程大大简化，费用大大降低。
在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的，而且所有的层都保持着一样的物理特性：即相同的形状和相同的外部连接点。
在有些多匝的层次中，这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点。
如果有些层只有一匝，它也可以被印制在PCB的双面来降低交流阻抗。
使用铜箔直接印制在PCB板上来替代传统的导线，即使在许多需要很多匝数的开关电源中，变压器依旧能保持一个很小的体积，这便大大减小了整机的体积。
具体的设计步奏和注意事项请参阅文献[3]。
图6显示了一个顶层的标准匝数设计的例子，它使用的是罐形(RM)磁芯。
铜箔高度按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取，这样可以使铜箔的所有部分都成为电流通路，大大减少集肤效应的影响。
因此，应该使每一种开关频率对应于不同的铜箔高度。
4实验论证为了比较平面变压器和传统变压器，分别做了两种变压器的模型，一种使用平面结构并使用了插入技术，另一种使用铜线分别在初级和次级绕制而成。
两种变压器都被运用于一个互补控制的半桥变换器中。
两个变压器的参数如下：初级12匝：次级两个l匝的绕组(1：1中心抽头)。
传统变压器使用漆包线作为绕组，虽然在这些线圈中电流密度不尽相同，选择电流密度小于7.5A／mm。
平面变压器初级绕组做成4层，有4个并列的次级。
这个变压器的最终结构。
两种变压器都使用了同样的磁芯RM10，比较了两种变压器的漏感，交流阻抗和占用的面积，结果列于表1。
由表1可知，平面变压器的漏感仅为传统变压器的1／5，交流阻抗也仅为l／3，由此可见这将大大提高变换器的工作特性。
而且，由于结构的更加紧凑，使得可以使用更小的RM8磁芯。
平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点，并且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件。
给出了一种标准的设计平面变压器的方法，使得设计平面变压器变得更加容易，成本也将大大降低。
可以预见，平面变压器将有着相当好的应用前景。