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PCB
板平面变压器设计与仿真
Http://www.big-bit.com 2006
年
11
月
09
日
03:07
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1
引言
½前，电力电子设备不断朝着更小½积、更高功率密度和更高效率发展，变压器½为
电力电子设备中的关键元件之一，其½积变得更小、重量变得更½、性½也在很大程
度上得到了提升。特别是
PCB
板平面变压器与传统线绕变压器相比，无论在成本、
½积、重量、性½等方面½更胜出一筹，且发展十分迅速。它已在通讯、计算机、½
½电子、数码相机、数字电视等得到了广泛的应用；也将在½防、航空、航天等对重
量、½积和性½要求较高的领域拓展出一个崭新的局面。
2
分析与设计
2.1
技术指标
本文是为某预研课题设计的
PCB
板平面变压器，其基本技术要求是：
a.输入电压 300V
b.输出电压 48V
c.输出功率 1kW
d.开关频率 100KHz
e.最大工½比 0.5
f.变压器的高度为 20mm。
2.2
选择磁心
为了降½变压器的高度，我们选择了铁氧½的平面磁心(PLANAR
CORE)。它与常规
EE
型磁心相比,其磁心高度½了很多，磁心的表面比（CORE
ASPECT RATIO）也
½了很多。是制½平面变压器的最½选择（如图
1）。
如果选择常规
EE
型磁心，即½采用横卧式安装，其高度超过
60mm；如果选择平面
磁心，其高度为
20mm。正因为平面磁心的高度和表面比½小了很多，所以它的磁
路长度小了很多，而表面积增加了许多。这两个参数一小，一大，对提高变压器的功
率密度和效率极为有利，磁路长度的减小，增大了励磁电感，减小了空½½损耗，减小
了漏感，提高了效率；表面积的增加，增加了散热面积，减小了热阻，提高了功率密
度。
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2.3
确定最½磁感应强度
B
和最½电流密度
J
在设计变压器时，
如½确定最½磁感应强度
B
和最½电流密度
J
是设计变压器的关键。
对设计平面变压器尤其重要，因为对平面变压器来说，不½有设计½量。如果有设计
½量，那么它的½积、重量就无法减小。为了设计计算方便快捷，我们建立了最½磁
感应强度和最½电流密度的设计½件程序。
该套设计程序的界面非常简洁，
一目了然，
很容易操½。（操½界面见图
2）
从上面的设计结果来看，我们可以看到：最½磁感应强度
B
为
0.1435T，最½电流
密度
J
为
10A/mm2。其中最½电流密度比常规取值大很多，那是由于热阻 Rth
的
减小，½得
B
和
J
的取值可以提高一些，特别是
J
的提高很大。另一方面，由于传统
变压器用圆型导线，½电流流过时，趋肤效应½电荷远离导线中部而分散在边缘，½
得圆柱导线中的电流沿导线表面分布，因而铜导线利用率不高。而在平面变压器中，
用印刷线，电流也会远离中心趋于边缘流动，½电流仍然流经全部导½，因而可得到
很大的电流密度。
2.4
设计匝数
计算变压器匝数是我们设计变压器的重要目的之一。
其理论算法有很多，
也很成熟了。
我们根据这些理论算法，½纳和总结了一套比较优化的、适应范围广的计算机辅助设
计程序，½我们设计变压器的工½变得½松自如，大幅度地减½设计人员工½量，极
大地提高了设计变压器的工½效率。首先将技术指标输入到相应的“输入参数”中，其
次将上述确定½的最½磁感应强度、最½电流密度输入到相应的½½，再点击“设计”
即可（如图
3）。
从上面可以看出：初、次级匝数分别为
18
和
3，初、次级导线的截面积分别为 0.4
mm2
和
2.5mm2。如果我们采用圆导线的话，由于集肤效应的½响，其线径应小于
0.38mm。½然，我现在采用 PCB
板来做线圈，就不必考虑这种½响。因为，印刷
线的厚度通常为
0.035mm
和
0.07mm。
2.5 PCB
板设计
PCB
板的设计是平面变压器设计的难点和重点。一方面，绝大部分变压器设计师对
P
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CB
板的设计不太熟悉，对
PCB
板的电气和绝缘性½了解不够；另一方面，用
PCB
板制造的线圈，其½成的分布参数与传统线绕变压器差别很大，对不同的电路½响很
大，需要变压器设计师和电路设计师大力协½，将平面变压器应用在最½状态。正由
于上述原因½大功率平变压器应用没有得到更广泛应用，½然还有生产成本和生产方
式的问题。为了适应批生产和降½成本，我们采用常用的
12
层覆铜箔环氧玻璃布层
压板（FR-4），它是金属化孔印刷板常用的材料，具有较½的冲剪和钻孔性½，也具
有很½的电气绝缘性½。通过通孔、盲孔、埋孔将各层串联或并联½成线圈。
图
4
是用
PCB
板½成的初级线圈，在
12
层的印制板中，每层中做三圈印制线，互
相串联起来,
1-2
和
11-12
层的中间连接孔为盲孔，其½
3-4、5-6、7-8、9-10
层的中间连接孔为埋孔。然后，每两层的并联连接以及几块印制之间的连接为光孔。
½然用同样的方法可以½成次级线圈。初级线圈、次级线圈以及磁心之间的绝缘用绝
缘膜或杜邦绝缘纸。
最终制造的平面变压器(如图
5)。
其外½尺寸为
80mm×60mm
×20mm。
3
仿真
目前，各种仿真½件有很多，我们采用
Saber
½件进行仿真。Saber ½件对磁性元
件的描述可以很详½，
对建立不同的变压器模型十分有利，
提高了仿真结果的真实性。
3.1
磁滞回线
给磁心元件建模，首先应建立磁心磁滞回线。特别对于用新磁心材料制造的变压器来
说尤其重要，因为磁心磁滞回线是设计变压器的基石。如果变压器设计师对磁心磁滞
回线了解的非常清楚，设计变压器时就会做到胸有成竹、有的放矢了。
从图
6、7、8
可以看出，我们选用的磁心性½：μi=2076，μmax=12768.9，Bm
ax=4500Gs，HC=15A/m，Br=2227Gs，而且可以看出在某一频率时，磁心损耗
与磁感应强度的关系。这些参数是我们设计变压器时不可缺少的数据。通过这个仿真
可以让设计师明½该磁心在工½时的状态（或工½点）。
3.2
建立变压器模型
首先通过
Saber
的磁路结构法构造出平面变压器的磁路模型（如图
9），并将上述的
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磁心性½输入到磁路模型中。其次，建立起初级、次级线圈的模型，初级由两块印制
板并联，次级由三块印制板并联，同外围电路连接如下图。由于这里主要仿真平面变
压器，所以其外围器件均为理想器件。比如：电源就用理想的方波源，电压为±300
V，频率为 100KHz，
脉½为
5μs，（如图 10）。在负½½上得到的波½（如图 11）。
采用
Saber
½件通过磁路结构法构造出平面变压器的模型且进行仿真，具有很高的
实际意义。它不仅让我们在生产之前就½判别出设计是否合理，而且通过仿真让我们
明½设计的缺陷在哪里，有助于我们改进和优化设计。
参考文献
[1]杨玉岗、李洪珠，平面型高频 PCB
变压器材料和结构工艺，½宁工程技术大学学
报，2004/6。
[2]梁½恩，平面螺旋线圈回扫变压器，电子元件与材料，2002/5。
[3]李茜，小型高压平面变压器，中½物理研究院，2002/3。
[4]旷建军、阮新波、任小永，平面变压器中并联绕组的均流设计，2005/7。
[5]J.T Strydom,J.D.Van Wyk, J.A.Ferreira “Volumetric Limits of Planar
Integrated Resonant Transformers: a 1MHz Case Study ”PESC 2001。
[6]J.T Strydom,J.D.Van Wyk“ Electromagnetic Design Optimization of
Planar Integrated Power Passive Modules” APEC 2002。
[7]R.Prieto,J.A.Cobos,O.Garcia,P.Alou and J.Uceda“Using parallel windi
ng in planar magnetic components”PESC 2001。
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