在上一篇文章中，我們回顧了傳統(tǒng)變壓器的結(jié)構(gòu)特點，并分析了集膚效應(yīng)、近鄰效應(yīng)等在高頻條件下導(dǎo)致的損耗來源，也初步了解了這些限制為何成為現(xiàn)代開關(guān)電源繼續(xù)提升功率密度的障礙。

在本篇中，我們將繼續(xù)深入，比較傳統(tǒng)變壓器與平面變壓器在高頻應(yīng)用中的關(guān)鍵差異，并探討平面結(jié)構(gòu)如何成為一種有效的設(shè)計路徑。

從傳統(tǒng)變壓器邁向平面變壓器

為了克服前面提到的這些挑戰(zhàn)，可以對傳統(tǒng)變壓器的設(shè)計進行多項改進，從而減小體積、降低損耗，并更有效地散熱。

其中一個關(guān)鍵措施，是在不增加導(dǎo)體截面積的前提下提升其表面積。實現(xiàn)方式是使用扁平化的導(dǎo)體，例如 PCB 或柔性電路板（FPC）上的銅箔走線。從高頻特性來看，這種做法十分合理——因為在 200 kHz 下，集膚深度僅約為 146 μm（5.7 mil）。這意味著采用銅箔重量不超過 0.12 g/cm2（4 oz/ft2）即可滿足要求。

這些扁平線圈可以堆疊起來，并在初級與次級之間規(guī)律地交錯排列，從而有效降低交流電阻，減輕近鄰效應(yīng)的影響。

由此得到的結(jié)構(gòu)更加扁平，且在高頻開關(guān)電源的應(yīng)用場景下具備更合適的性能參數(shù)。在對比中，平面變壓器通常表現(xiàn)出更低的最高工作溫度，并能更快達到穩(wěn)態(tài)，這也進一步支持了高功率密度設(shè)計的發(fā)展趨勢。

平面變壓器的最終設(shè)計會配合選用磁滯損耗更低、適合扁平化結(jié)構(gòu)的磁芯材料（見圖 5）。在某些應(yīng)用中，變壓器甚至可以直接成為 PCB 的一部分。

圖 5：平面變壓器的爆炸示意圖（左）及其最終呈現(xiàn)的扁平化結(jié)構(gòu)（右）。

平面變壓器會成為開關(guān)電源的未來嗎？

傳統(tǒng)變壓器顯然已無法完全滿足現(xiàn)代開關(guān)電源的電氣性能需求，其龐大的體積也常常影響整體的外觀設(shè)計。此外，這類元件通常需要定制，并且往往依賴手工制造，進一步推高了成本。

相比之下，平面變壓器在高頻條件下具備更優(yōu)異的性能，同時以扁平化結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，能夠直接與 PCB 集成，并減輕 EMC 設(shè)計難度。與傳統(tǒng)變壓器相比，其結(jié)構(gòu)能夠有效降低近鄰效應(yīng)，并在一定程度上解決集膚效應(yīng)帶來的問題。當(dāng)然，平面結(jié)構(gòu)也帶來新的挑戰(zhàn)，例如耦合電容可能引發(fā)開關(guān)實現(xiàn)上的復(fù)雜性，團隊也可能需要多輪 PCB 設(shè)計迭代才能達到最佳效果。

但總體來看，其優(yōu)勢十分顯著。平面變壓器不僅節(jié)省空間，還能改善系統(tǒng)的熱設(shè)計，如在一個 70 W 電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中所展示的那樣（見圖 6）。在層數(shù)較少的情況下，其設(shè)計也較為簡潔，并且通常能夠輕松融入自動化生產(chǎn)流程。

圖 6：采用平面變壓器（左）和傳統(tǒng)變壓器（右）的兩個 70 W 電源轉(zhuǎn)換器對比。

文章作者：Simeon Tremp，產(chǎn)品經(jīng)理