无磁芯印刷电路板变压器低高度低功率转换器
A Low-Profile Low-Power Converter with Coreless PCB Isolation Transformer

1 引言
便携式电子设备的低高度低功率的功率变换器要求非常高，尤其是膝上电脑，便携式笔记本电脑，掌上电脑。为了满足各种PC机卡的技术要求，制造了许多电源产品诸如小离线式封装（SOP）电力半导体芯片。低功率（分瓦，即零点几瓦）输出电压隔离的功率变换器，有两个最主要的实际应用问题。首先，有磁芯的人工绕组变压器的成本占了整个变换器成本的80%。这主要是变压器生产过程中的人力和材料的费用都较高。其次，其导线很细且在绕制过程中易被损坏。极细的变压器线圈承受磁芯重量，在变压器遇到冲击状态下易被损坏。这种冲击经常在运输过程中发生，因而，小型人工绕组变压器的可靠性并不高。
应用无铁氧体磁芯的平面变压器，通过在双面印刷电路板的两面都印上平面变压器的线圈，可节省人工绕组的费用，并简化了自动印刷制造的工艺。可取消包装工序和材料，如环氧树脂等。除器件封装外，不再用磁芯从而大大降低装置的高度。
设计低高度无磁芯变压器的功率变换器的一个主要问题是无磁芯印刷电路板变压器的高频运行。变压器原边的功率变换器必须在兆赫级频率下工作。为了保证变换器的所有功率耗损，与有磁芯的隔离变压器电路相比时具有竞争力，不仅需要使变压器损耗最小，而且还要使变换器电子器件的损耗和开关损耗降到最低。本文给出了一个把软开关技术和无磁芯印刷电路板变压器合为一体的低高度低功率的功率变换器，证明它是一种有吸引力的解决方案。

2 无磁芯印刷电路板变压器的最优化运行
直流-直流变换器中提供绝缘的无磁芯印刷电路板变压器（取名为Tr8）的尺寸如图1（a）。直径为4.6mm，初级线圈和次级线圈都是10匝，导体宽度为0.1mm，导体间距为0.2mm，印刷电路板层片间的厚度为0.4mm，铜导体厚35μm。在双面印刷电路板的两面上都印有螺旋型线圈。印刷电路板层片由击穿电压高（15KV-40KV）的FR4材料制成。无磁芯印刷电路板变压器Tr8的面积为0.6648cm2， 图1（b）是一个典型的有磁芯脉冲变压器，一个8引脚SOIC封装集成电路以及功率变换器中实际用的无磁芯印刷电路板变压器Tr8，Tr8体积比初级电路中表面贴片封装电子电路集成块还小。变压器电路模型如图2。由于趋肤效应，绕组的电阻与工作频率有关，主线圈和次线圈的电阻由下式给出：



漏感和互感的计算和测量值如表1。电感用HP4194A阻抗 / 相位-增益分析仪测量。初级线圈引线的寄生电感可被阻抗分析仪的补偿。次级线圈和外部电容之间的引线的寄生电感无法补偿，作为次级线圈的漏电感的一部分被记入变压器模型参数。次级线圈的寄生电感约为30nH。实测值和计算值之间的误差主要是由高频效应，如邻近效应造成的。由于内部电容C1，C2比外部电容要小得多，为简化分析过程可忽略这些影响。测出并计算出的绕组内电容C12，10MHz时的值分别为2.106pF和2.08pF。C1可被忽略不计，C2在计算中代表了外接电容值。
从等效电路和有关理论，可以得出该变压器的一些特性。在次级线圈上接一个外接电容，可以确定出空载谐振频率，对特定的开关频率范围的功率变换器是很重要的特性。空载谐振频率公式如下：

式中，Lcq=Llk2+Llk1//LM1和Ccq=C2+C12（此处C2是负载电容）
由于变压器线圈只有几匝，低频下几乎短路，为使变压器磁化电流降至最低值，变压器必须在高频电压下工作。从图2变压器模型，可确定变压器的输入阻抗和相位。选取1.2nf的谐振电容器，把最大输入阻抗设定在8.2MHz。变压器带50欧姆电阻时，变压器输入阻抗计算和测得的幅值 如图3(a)。输入阻抗的相位如图3 (b)。频率从直流起增加，从1MHz到8.5MHz，输入阻抗的相位不断增加，趋近于90度。在这个频率范围内，变压器输入端呈现很强的电感性。这种现象是低损耗零电压开关（ZVS）功率变换器所需要的。

变压器的电压增益定义为次级电压与初级电压之比 (Vs/Vp)。带1.2nF谐振电容和50欧姆负载变压器的电压增益，计算值与测得值如图4，变压器电压增益随外电容C2增长而增长，在7MHz和11MHz之间出现了一个高电压增益区。

3 软开关变换器的工作过程
电源变压器，应选择考虑电力电子技术中的开关损耗因素，所允许的工作频率，使效率达到最大。图5是初级加正弦电压，次级负载为50欧姆电阻时，变压器的计算和测量的效率与工作频率的关系曲线。带1.2nf谐振电容器的变压器最佳工作频率为8MHz，变压器加正弦电压时，效率约为70%，在此频率下，由于变压器负载仍然呈现强感性，功率变换可以实现软开关。因此无磁芯印刷电路板变压器的工作频率选择为8MHz，用软开关技术降低变换器电路中的开关损耗。


图6中的绝缘变换器电路是一个用零电压开关（ZVS）技术的低损耗半桥型变换器。高压侧开关S1用一个P沟道的MOSFET取代一个N沟道MOSFET。这种结构去掉了一个可能使变换器电路复杂化耗能更多的电平移位器。开关S2和S1的开关时序如图7。在时间 t0之前 ，S1处于导通状态，S2处于关断状态。S1的漏电流从零开始线性增长。在t0时刻，S1关断；电容 Cs1充电，从S1的漏电流转移为变压器的初级电流。因此，S1的VDS×ID的乘积很小，使S1的关断损耗降到最低。在时间t0至t1，Cs1被充电，Cs2通过变压器的初级线圈电感放电。带谐振电容Cr的变压器输入阻抗必须在工作频率下呈显感性，初级电流在S2导通之前必须满足Cs2放电电荷的需要。在t1时，Cs2两端的电压被放电至零。变压器初级电流迫使二极管Ds2导通。因此，S2的漏源电压在t0至t2之间为零（忽略Ds2上的正向电压降）。S2在t2时刻被导通，从而实现S2的零电压开关。在t3时，S2关断。与Cs1类似，Cs2用于减小S2的关断损耗。当Cs2被充电至＋12V，S1的漏源电压为零，而在t4时刻，Ds1由变压器的初级电流导通。随后，在t5时， S1在零电压条件下导通，完成一个开关循环。


4 实验验证
变换器测试时带50欧姆负载，输入电压为12V，次级输出电压可调至5V。变换器的开关频率设定为8MHz。输出功率为0.5w。用低压降线性调节器LM29371MP-5.0调节输出电压，图8是功率开关的实测泄漏电流（Id：0.2A/div）以及漏-源电压。可以看出可以实现软开关。图9是无磁芯变压器的初次级线圈的电压、电流值的测量和计算值。可以看出，初级线圈电流、次级线圈电流和电压不含暂态响应分量。在8MHz下工作，变压器的寄生电感起滤波作用，削平了波形中的所有毛刺部分。在这种试验下，给初线圈上加一非正弦电压，变压器效率可达到63%。低于变压器正弦电压时的76%。原因在于谐波损耗，直流变换器的输出电压Vout和输出电流Iout如图10。可以看出输出电压可调性好。输出功率为0.5w时，变换器芯效率实测值约为34%。


5 结论
制造了一个带软开关和无磁芯印刷电路板变压器的低高度低功率的功率变换器。半桥型变换器采用零电压开关技术减小开关损耗。变压器直径4.6mm，厚0.4mm，小于一个8引脚SOIC封装集成电路。解决了ZVS变换器的无磁芯印刷电路板变压器最佳频率的选择问题。变压器分别加正弦电压和非正弦电压时，效率分别为76%和63%。在高频范围内，高可靠性和高度明显降低等优点使得无磁芯印刷电路板变压器成为兆赫级低高度应用中一个极具吸引力的选择。■

参考文献
Trans.on Power Electronics，Vol.16，No.3，2001年，311-315页。