无铁芯印刷电路板（PCB）变压器--基本特性及潜在应用
Coreless printed Circuit Board(PCB)Transformers-Fundamental Characteristics and Application Potential

摘要：本文叙述了无铁芯印刷电路板（PCB）变压器的基本概念，特性及潜在应用。无铁芯印刷电路板（PCB）变压器不受与磁性铁芯有关的诸如频率、磁饱和及铁损的限制。另外，它消除了手工绕制过程及与之相关的一些问题；其中包括劳动力的花费、可靠性和在制造过程中保证变压器的质量问题。在现代PCB技术中，印刷绕组的参数可精确地加控制。无铁芯PCB变压器由于在垂直方向上的尺寸大为减小， 因而它能达到很高的功率密度并适合于满足电路在较严格要求下的一些应用，在功率转换器的应用中从已经有了变压器功率为24w/的报告。当无铁芯变压器用于隔离放大器时，迄今年内为止它已达到IMHz左右的线性频率范围.它几乎比现有的集成电路产品中120kHz的频率范围为高8倍。PCB部件提供了极高的绝缘电压， 其典型值从15KV到40KV，它比未用诸如光耦合器等许多其它方法达到的电压要高得多。可以预料，在一些工业应用中PCB变压器将代替传统的基于铁芯的变压器， 其潜在应用应受到更多的关注和探索。

引言 法拉第电磁感应定律的发现是电气和电子工程领域的一块毋庸置疑的奠基石，随后发电机和变压器的发展更使电在现代社会中成为一种能量的共同形式。现阶段，变压器大多用于电气隔离和能量传输和/或信号转输。通常，传统变压器是由绕在铁芯上的铜线而做成。变压器中使用铁芯是一个本质的思想，因为由铁磁性材料做成的铁芯为磁通提供 了一个良好的路径。这种基于铁芯的变压器概念在过去没有面临严峻的挑战，可能是因为绝大多数变压器只适用于低频（50或60Hz）情况这样一事实。甚至到了90年代，当许多现代功率电子仪器应用（如开关电源）中工作频率显著增加到几百千赫时， 基于铁芯的变压器概念仍未受到多大影响。尽管众所周知：随着工作频率的增加磁性部件的体积减小；但"何时磁性部件的体积可趋于零并达到零"的问题却很少有人提出。
使用铁芯的主要原因是为了提供一个较高的磁耦合以减小漏感。文献[1]中提出了在高频应用中由无铁芯双绕线圈所构成的变压器，其中阐述了双绕线圈变压器在1MHz左右能达到耦合系数为0.8。然而，该双绕绕圈变压器的参数很难精确地控制。此外，在严格的质量控制下也不易大批量地生产完全相同的双绕线圈变压器。对用于电感器或变压器的印刷平面绕组，人们已作了大量研究[2-10]。印刷平面绕组的使用不仅清除了传统变压器中昂贵的手工过程，而且，更重要的是它能够用自动化的方法制造出具有精确参数的电感器或变压器。在大多数文献[2-9]中，磁性衬底或材料仍被用作铁芯结构的一部分。文献[10]中提出了不用铁芯而将两个螺旋形绕组印刷在一个PCB的同一表面的有趣尝试，同时它还给出了预测单面PCB变压器参数的积分方程分析法。
在迄今为止所提到的文献中，平面电感器和变压器具有较低的输出功率（其典型值小于2W）。除[1，10]外，磁性设计均需用使用一种或另一种形式的铁芯。在本文中，我们总结了无铁芯PCB变压器技术最新的进展[11-17]，澄清了对无铁芯PCB变压器可能具低度耦合系数、低度电压增益和较高电磁辐射干扰（EMI）等一些问题的误解。借助于高频电路模型，给出了无铁芯PCB变压器的基本特性和应用举例。尤其是，我们将谐振技术结合到了本文所提出的无铁芯PCB变压器的应用中，以达到一个高的电压增益（克服表面的低磁耦合）并充分利用漏感（将表面的不利因素转变为有利因素）。本文还叙述了在（1）最小输入功率（2）最大能量效率条件下，使用无铁芯PCB变压器的优化运行技术。

无铁芯PCB变压器的基本结构及等效电路
无铁芯PCB变压器的基本结构非常简单。从本质上讲，变压器的绕组基本上印刷在一个双面PCB上。图1示出了一个无铁芯PCB变压器（右边）的例子，同时还给出了一基于铁芯的脉冲变压器（左边）。为了说明无铁芯变压器的特性，图2给出了一个变压器原型，将其标记为Tr6而作为例子。该变压器铜线的宽度和高度分别为0.22mm和0.25mm，相领铜线的距离为0.28mm，初次级绕组的匝比为10。

图1 无铁芯PCB变压器（右边）和一个基于铁芯的变压器（左边）的摄影图

图2 Tr6的尺寸图
图3给出了无铁芯PCB变压器的等效电路图，其中
为初级绕组电阻；
为折合到初级的次级绕阻电阻；
为电阻性负载；
为初级漏感；
为折合到初级的次级漏感；
为初级互感系数；
为初级绕阻电容；
为折合到初级的次绕组电容；
为初次级绕组间的电容；
n为匝比
该等效电路的无负载谐振频率为：

图3 带并联电容性/电阻性负载的PCB变压器等效电路 (1)
式中且(这里包括负载电容)。Tr6在10MHz处的参数值如图4的等效电路所示。

图4 Tr6的高频等效电路模型
值得注意的是式（1）中通过与次级绕组相联一个外部电容可以改变该无负载谐振频率。这一特性使得对于一个特定的应用，人们可以选择最佳的工作频率。例如，如果无铁芯PCB变压器工作频率限制在10MHz连接一个180PF的电容，Tr6的谐振频率便可以接近9MHz。

无铁芯变压器的特性
基于等效模型Tr6在一个680PF负载电容和一个假设的2K安负载下的频率响应，示于图5A和5B，电压增益为输出电压与输入电压的比值（V2/V1）。

图5a Tr6的电压增益与工作频率的预测值与测量值

图5b Tr6的相移与工作频率的预测值与测量值
对该典型频率响应进行观察便可得出在最佳方式下运行无铁芯变压器应考虑的重要的几点：
（1） 正如所预料的，我们可看到在较低的工作频率（小于20KHz）下电压增益很低，随着频率的增加，电压增益也增加；直到它在谐振频率处达到最大值；
（2） 很有越的是，我们可以看到无铁芯PCB变压器的电压增益在高频范围内能超过1.0。这就消除了对无铁芯PCB变压器只具有低电压增益的误解；
（3） 在谐振频率范围以外，变压器的增益为零。因此，可用频率范围应低于谐振频率；
（4） 无铁芯PCB变压器的工作频率应当接近并低于谐振频率，谐振频率为可用工作频率的最大值；此处的磁化电抗很大。此外，在低频处该等效电路表现为短路。
（5） 在谐振区域近（仅指低于谐频率），基电压增益比其它工作频率要高。此处为具有高增益和小相移的"部分谐振"区域。可以充分利用该高增益高频率区域进行各种不同的应用。


用作信号传输和功率的变压器
信号传输的最大阻抗频率
变压器常用来以最小的功率传输信号。例如，用于诸如功率MOSFETs和隔离门双极型晶体管（IGBTs）等功率电子器件中的门驱动电路。该门驱动电路要求以一小部分的功率将门驱动电路。该门驱动电路要求以一小部分的功率将门信号送达门。为了使输入变压器的输入功率最小，人们考虑输入阻抗的特性。可以确定Tr6的输入阻抗。且如图6所示。通过这些观察可以得出以下重要的几点：
（1） 阻抗的幅度在可用频率范围内并稍低于谐振率处（称为"最大阻抗频率"）到峰值。对Tr6而言，该频率约为8MHz，阻抗约为150安；
（2） "最大阻抗频率"处的电压增益很高（约1.8），也就是说信号将被放大。部分谐振技术的使用克服了所认为的低增益问题并能使该电压增益大于整体增益；
（3） 该频率处或其附近运行无铁芯PCB变压器将使得在信号的传输应用中变压器需要的功率得以最小。

图6 Tr6的输入阻抗与工作频率的预测值（实线）和测量值（点）
用于功率传输中的最大效率频率
无铁芯PCB变压器可用作功率传输中的功率变压器。图7给出了一个已被测试过的用于94W DC-DC 功率转换器的样机（标记为Tr9。对不同电阻负载等效电路的能量效率的分析表明，无铁芯PCB变压器能达到性能超过90%的很宽的频率范围。图8为Tr9的能量效率图。由于驱动初级绕组的电子驱动设备消耗的功率随工作频率的增加而增加，最佳工作频率范围的低频端并应低于变压器电路的谐振频率。

电磁场对无铁芯变压器的一般误解就是认为它会有严重的电磁辐射干扰（EMI）问题。对一个环形天线，其辐射主要是垂直于X-Y平面，即0=/2。其本身在自由空间的固有阻抗为120或377安。如果工作频率为8MHz，其辐射信号的波长l为：
（2）
式中fc为工作（或载波）频率。
（3）

图7 Tr9变压器的尺寸

图8 使用了FPC片的PCB变压器的效率和工作频率
环形天线的时间平均辐射功率（P）为辐射功率取决于（1）电流I0（或运行功率）；（2）该天线的构结构尺寸（半径A）；（3）工作频率FC。辐射功率随频率和辐射击结构的增加而急剧增加。根据天线理论：一个好的环形辐射体，其半径应与其辐射信号的波长处于同一数量级且较为接近。对变压器Tr6而言，其最外环的半径为0.005M，它只有波长（37.5M）的0.13*10 ，（A/）与10 处于同一数量级。对一个I=IA 的电流，半径为5MM的单个环形天线，其辐射击功率为P=4.86*10W。因此，半径为5MM的单个环形天线的平均辐射功率可忽略不计尽管无铁芯PCB变压器有10匝，其总的辐射功率及辐射干扰仍太小而不足考虑。因此，该计算表明，就大的空间辐射而言Tr6变压器是一种极差的传输天线。根据互易定理：对一个一空波长的信号，一个差的传输器同时也是一个差的接收器。该Tr6在8MHz处被激励的三维电磁场如图9所示；其磁通量主要集中在变压器结构内部和它附近。

图9 无铁芯PCB变压器Tr6的三维电磁场
若干应用的例子
例1 具有高频带范围的变压器隔离门驱动电路
在门驱动电路和功率电子电路之间常要求隔离以便低电压控制的电子电路与功率电路相互绝缘。为了（1）使输入电流达到最水；（2）提供一个较宽范围的开关频率，在图10中给出了隔离驱动电路及一个带有电阻一电感性负载（5安和11MH）的测试电路。该门驱动的功率MOSFET为APT5040，其电压和电流实际值分别为500V和16A。将一个680PF下的电容和次级组相联使Tr6的谐振频率设置在9.1ＭHz左右。次级电路中1UF的大隐定性电容不会显著地影响变压器的频率特性，因为它们和一个典型电容值只有几皮法的二极管（IN4148）串联，为了增强门驱动电压，次级电路还包括一个倍压器。载波此率FC（即工作频率）设定为8MHz，这是Tr6的"最大阻抗频率"。该门驱动输出信号（即功率MOSFET的门源电压VGS）受调制/解调过程门驱动输入信号的控制。因此，的频率决定了功率MOSFET的开关频率.

图10 使用无铁芯的可调门驱动电路
图11A和图11B分别给出了在Ihz和300KHz处功率器件的输入门信号和输出门驱动信号的波形图。图11B同样也给出了8MHz的载波信号。整个门驱动电路的输入电流与工作频率的关系示于图12。正如所预测的：最小输入电流发生在最小阻抗频率处。实际测试电路的摄影图13所示，用一台精确的电磁兼容性（EMC）扫描仪扫描该电路的磁场，如图14所示。绝大部分的EMI来源于左方区域（记为"T"的区域），该区域包括作为功率电路一部分的铜线。因此，主要的EMI来自功率电路中的导通路径（PCB右上方部分）而非无铁芯PCB变压器。甚至位于主要部分（"P"区域）的门驱动电路和位于次要部分（"S"区域）的门驱动电路都具有比无铁芯PCB变压器（包在方盒内）更高的EMI。来自无铁芯PCB变压器的EMI与整个电路中来自功率电路和其它电子电路的辐射击相比很小。无铁芯PCB变压器不像功率部件和其它门驱动电子部件那样会在瞬间产生陡峭的电压和电流，它具有一定的滤波作用且其电压和电流的边界没有陡峭的上升或下降沿。尽管无铁芯PCB变压器置于离功率电路很近的地方，其正常的运作却不受来自功率电路[16]的EMI影响。

图11a在=1Hz处测量的输入（）和（）信号

图11b 在=300KHz处测量的载波（中间2.5v/div）和输出（）信号

图12 在占空比为1（最坏情况）下门驱动电路的输入电流测量值与载波的频率的关系图

图13 PCB顶部的摄影图（无铁芯PCB变压器被包在方盒内）

图14 门驱动电路与功率电路同时打开时来自PCB 的EMI；频率范围：30MHz至300MHz
例2 具有多个次级绕组的推拉式门驱动输出出电路的变压器
无铁芯PCB变压器同样可以从由多个次级绕组构成。它可以通过将两个次级绕组印制在同一面或将它们印制在多层PCB的不同层上来实现。图15给出了具有两个次级绕组的无铁芯PCB变压器绕组的尺寸大小。该变压器已被用于两推拉式门驱动输出电路（如图16所示），此电路通常用于功率逆变器。图17给出了在IMHz时该功率设备的实际转换波形。

图15 无铁芯PCB变压器的两级绕组（左边）和一个初级绕组（右边）

图16 用于互补式门驱动电路中的具有两个次级输出的无铁芯PCB变压器

图17 在IMHz开关频率处测得的两个MOSFETS的基本门信号和漏极电压
例3 具有1MHz带宽的隔离放大器
商业上的隔离放大器能达到120KHz[18]的带宽。由于不存在铁芯的限制，无铁芯PCB变压器提供了一个更高的至少可达到1MHz的带宽。图18给出了一个典型的隔离放大器电路。其功率变压器和信号变压器分别由与之相对应的无铁芯PCB变压器T1和T2代替（图19）。图20给出了本例的中的电压增益与工作频率的关系。

图18 隔离放大器的主框图

图19 （A）T1形状（B）T2形状

图20 隔离放大器的增益与效率的关第
例4 用于最大功率传输的变压器
人们已用功率转换器输出功率从0.5W到94W的不同值对无铁芯PCB变压器进行了测试，同时还采用了一种不容易引起人们注意的开关方式对它（如图21所示）进行了测试；现在，它已能达到超过95%的最大变压器效率和约84%的最大转换器能量效率（如图22所示）。

图21 半桥式转换器的电路原理图

图22 工作在半桥功率转换器下的PCB变压器的测量效率
结论
本文已描述了无铁芯PCB变压器的特性及若干应用举例，澄清了一些关于无铁芯PCB变压器的误解。由于没有铁芯的限制，无铁芯PCB变压器在高频范围内具有比基于铁芯的对应变压器更好的性能。对无铁芯PCB变压器的研究尚处于初期阶段，可能变压器的这些优点使用权得它在要满足严格要求的微电子电路和一些不容易引起人们注意的应用中很具吸引力。

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