无铁芯印刷电路板（PCB）变压器--基本特性及潜在应用（二）

Coreless printed Circuit Board(PCB)Transformers -Fundamental Characteristics
and Application Potential

压增益为输出电压与输入电压的比值（V2/V1）。
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，变压器的增益降为零。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（仅指低于谐振频率），其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传输的变压器信号传输的最大阻抗频率

图5b Tr6的相移与工作频率的预测值与测量值

图6 Tr6的输入阻抗与工作频率的预测值（实线）和测量值（点）
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。通过对这些图的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150Ω；
（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化。
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。

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
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=π/2。其本身在自由空间的固有阻抗η为120π或377π。如果工作频率为8MHz，其辐射信号的波长λ为：
（2）
式中为工作（或载波）频率。
环形天线的时间平均辐射功率（P）为
（3）
辐射功率取决于（1）电流（或运行功率）；（2）该天线的构结构尺寸（半径A）；（3）工作频率。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λ（37.5m）的0.13* ，与处于同一数量级。对一个I0=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：对一个一定波长的信号，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放大的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）使输入电流达到最小；（2）提供一个较宽范围的开关频率，在图10中给出了隔离门驱动电路及一个带有电阻一电感性负载（5Ω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下的电容和次级绕组相联使Tr6的谐振频率设置在9.1ＭHz左右。次级和间歇电容器电路中1μF的大稳定性电容器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（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Vin的控制。因此，Vin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.如图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。
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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