低高度电源变压器和电感器
Low Profile Power Transformer and Inductor

摘 要：本文介绍低高底电源变压器和电感器的种类、性能和发展趋势。
关键词：低高度 电源变压器 电感器 平面式 片式 薄膜式

1 前言
随着工作频率的提高，电源变压器和电感器的结构发生了显著变化。如果以高度为标志，可以看出有逐渐降低的发展趋势。工作频率为50～60Hz时，高度为数百厘米至数十厘米；工作频率为1KHz～50KHz时，高度为数十厘米至数厘米；工作频率为100KHz～1MHz时，高度为数厘米至数毫米；工作频率为1MHz～10MHz时，高度为数毫米至1毫米。有人把高度小于20毫米的电源变压器和电感器，叫做“低高度电源变压器和电感器”，专门对它们的品种、性能和发展趋势进行研究。因为它们都工作在500KHz～1MHz以上的高频段，分布参数和损耗的影响与一般电源变压器和电感器不同，磁芯和绕组结构也发生了变化，所以有必要专门进行研究。
对“低高度”一词的提法，有不同的意见。有人提出用“低背型”。而“背”并不表示某一方向的尺度，和“长”、“宽”、“高”不一样，而是表示“反面”（即“背面”），似乎不确切。有人提出用“薄型”。薄与厚是相对的，界限应该在那个尺度划分？又似乎说不清楚。有人提出用“微型”。“微型”至少磁芯和绕组要进入100微米到0.1微米这一微米尺度范围，而大多数低高度电源变压器和电感器并没有达到微米尺度。所以，有人提出“低高度”是有一定道理的，用“低高度”能比较完整的包括现在已经开发和正在开发的各种高度小于20毫米的电源变压器和电感器。
低高度电源变压器和电感器主要用于通信、计算机、汽车电子、家用电器和电力电子领域，属于电子变压器范畴。在各种便携式电子设备中，电源变压器和电感器的尺度减少、高度降低是一个难点。从20世纪80年代起，国内外都有人专门研究它。到现在为止，已出现三次更新换代。第一次是平面变压器和电感器，现在已形成系列，正在生产和推广应用。第二次是片式变压器和电感器，随着表面安装技术的发展，也形成系列，正在大量生产和推广应用。第三次是薄膜变压器和电感器，仍处于试制或者小批量生产阶段。本文将分别介绍三种低高度电源变压器和电感器，起一点抛砖引玉的作用，希望电子变压器的同行们都来关心这一新型低高度电源变压器和电感器的发展。

2 平面电源变压器和电感器
平面电源变压器起源较早。为了把变压器装在印刷电路板上，20世纪70年代起，就有人把插片式硅钢电源变压器从立式安装变为卧式安装，高度降到20毫米以下，用于晶闸管的同步变压器和控制电源变压器。这种产品直到今天，国内外都有厂家还在生产。
从这种低频的低高度电源变压器直接转化为最早的一种平面变压器——绕线式平面变压器。磁芯有从立式插片式变为卧式插片式的薄硅钢磁芯，有高度降低、内径外径增大的环形高导磁合金和非晶合金磁芯，但是更多的是加大中心栓截面的E形和RM形软磁铁氧体磁芯。主要原因是软磁铁氧体的工作频率正好是现在平面变压器常用的20KHz～2MHz，价格低。大中心柱E形磁芯现在用得比较多，但是它的中心柱是正方形，绕线有一定难度，会增加漏磁，降低耐压强度。RM形磁芯中心柱为圆形，而且屏蔽效果好，散热窗口较大，散热效果也不错。绕线式平面变压器现在已有厂家批量生产。可用于高压，也可用于低压，只要适当改变窗口面积就完全能满足要求。

由于高频下趋表效应强，绕线式平面变压器的导线必须采用多股绞线。这样，制作成本比较高，工艺也比较麻烦。因此发展出来新的铜箔式平面变压器。图1是以色列佩顿（Payton）平面磁性有限公司生产的平面变压器结构图。上面和下底E形磁芯与次级线圈铜箔之间有采用聚脂或Nomex材料的一层绝缘件。初级线圈和次级线圈之间两层绝缘件。初级线圈和次级线圈都装在骨架上，便于一致性批量生产和安装。表1是该公司平面变压器和电感器参数。变压器和电感器的区别是两个以上线圈和一个线圈。变压器容量从5W一直到20KW，工作频率从20KHz一直到 2.5MHz。初级与次级线圈之间耐压一般为4KV，最大5KV，小型的1000V和750V。效率为97%至99%。功率密度比一般变压器高3倍，漏感小，为初级电感的0.2%。工作温度-40℃至130℃。作为电感器，给出了相应的单匝电感和最大安匝，供线路设计者选择。安装方式可以是垂直（立式）或水平（卧式）或表面安装（SMT，只限于小型号）。原来说明书上介绍的重量轻，每100W约重5g，值得探讨。是否包括安装的散热器在内？从给出的热阻数据来看，对大于1KW容量的，散热器体积不会小，重量也不会轻。当然比一般变压器要小要轻，但是否达到说明书中水平？值得注意和探讨。

铜箔式平面变压器也有不采用这种多层串联方式而采用铜箔折叠式绕组。由胡耀全等人提出的5/6匝法铜箔折叠式绕组是比较先进的一种，可提高窗口面积利用率，提高材料利用率和提高生产效率，降低损耗和漏感。
铜箔式平面变压器还需要骨架和绝缘层，有人认为这种结构还是比较麻烦，而且机械结构稳定性不好，耐热程度差，因此又出现印刷电路板式平面变压器。用多层印刷板生产铜箔绕组，通过沉孔连接。生产效率又有所提高。但是由于印刷板上的铜箔厚度和宽度限制，功率不如前面那种大。由于印刷板较厚，高度也不如前面那种低。
也有的公司开发出并联形式的平面变压器，初级绕组穿过几个磁芯。几个磁芯的次级组可以独立输出不同的电压电流，也可以并联起来输出同一电压和大电流（几个电流之和），从而实现大功率输出，还不需要增大散热器面积。
对超过1KW容量50KHz至20KHz的平面变压器，提高效率可以减少发热，减少散热器体积和重量。在这种条件下还用软磁铁氧体作为磁芯材料并不有利，采用非晶纳米晶合金作为磁芯材料更适合一些。当然磁芯形式应从E形变为低高度搭接式或者切口式CD形。这样效率有可能超过99%。从97%到99.5%，对10KW的平面变压器来说，损耗从300W减少到50W，至少可以从双面散热器变为单面散热器，综合性能明显提高。

3 片式电源变压器和电感器
由于表面安装技术的发展，采用分立元件和小规模集成元件也能减少电子设备的体积，同时要对其中的一些参数进行调正和改变比较容易，不象完全集成化那样困难。因此用于表面安装的片式元件迅速发展。电阻和电容器的片式化早已超过80%，甚至达到90%以上。而磁性元件：变压器和电感器的片式化由于磁芯结构、绕组结构和两者相配合都存在一些问题，只有60%左右，成为片式元件研究的热点。片式电感器只有一个绕组比片式变压器技术难度低一些，现在已有几种片式电感器投入大规模生产。
第一种是绕线式片式固定电感器，可用小尺寸的开口形和环形铁氧体磁芯绕制和封装而成，生产工艺简单，电感值为0.01～1000μH，Q值高，可用于大电流，最大达到1050mA。可靠性高。但是进一步小型化比较困难。
第二种是叠层式片式固定电感器，用铁氧体浆料和导电浆料交替进行多层印刷经过高温烧结而成，也可以用厚度为微米级的铁氧体薄片，每处上印刷导电线圈，然后通过孔装导电材料连接，最后叠装起来加压烧结而成。这种片式电感器电感值为0.047至220μH，通过电流也比较小，但是直流电阻小，Q值也较高，屏蔽性能好。
第三种是电磁干扰抑制电感器和滤波器。同样分为绕线式和叠层式。对电感值要求小的，100MHz以下使用的片式电磁干扰滤波器，有的采用磁性/陶瓷组合片式线生产，把铁氧体浆、银浆和电子陶瓷共烧结，然后电极金属化，形成由多层电感和电容组成的LC滤波器。有的采用陶瓷骨架或铁氧体骨架金属化电极后加绕组，形成绕线式电感和电容组成的LC滤波器。
对电感值要求大的、尺寸要求不太小的大电流高耐压电磁干扰滤波器，例如交流电网输入的抗共模干扰滤波器，一般都采用铁氧体磁芯的共模电感器。日立铁氧体电子公司开发出纳米晶合金FT-1KM磁芯取得良好效果。FT-1KM纳米晶合金与MnZn铁氧体相比：10KHz下初始磁导率分别为50000和5300，100KHz下初始磁导率分别为16000和5300，饱和磁通密度分别为1.30T和0.44T，居里点分别为570℃和150℃。表2是该公司生产的QFR系列纳米晶合金共模滤波电感器外形尺寸和参数。

由于纳米晶合金的初始磁导率高，饱和磁通密度高，作为低频电源噪声滤波器的抑制功能好，不单是日本日立，还有日本东北制铁、美国、俄罗斯、德国都在研究采用它制作片式电感。国内也有几家单位在进行开发，主要对纳米晶化变脆、内层绝缘、磁耦合结构等问题和生产成本等进行探讨和研究。
第四种是大功率滤波电感器，要求通过直流大电流，也就是要求具有交直流叠加特性，而且电感值大。容量较小的采用铁氧体E形磁芯，必须带气隙防止饱和，但是也带来漏磁和发热等问题。现在日本日立公司推出采用FeSiAl磁粉芯，已制成QHD系列的滤波电感器和功率校正电感器。例如外形尺寸为26×23×12的功率校正电感器，采用有效磁导率为100的FeSiAl磁粉芯，在1A时电感值为0.6mH，在0.5A时为2.4mH。
片式变压器也分为两种。一种是小型化的印刷电路板式平面变压器，采用多层印刷板作为绕组，功率限制在5至100W之间。另一种采用铁氧体和银浆料，分别印刷磁芯，初次级绕组，然后烧结而成。最早报导的例子是1992年，工作频率2MHz，功率75W。

Philips公司开发的集成电感元件，比较好的解决了电感元件的片式化问题。外形与表面安装元件一样，具有标准的封装，可以和其他表面安装元件一起在自动化流水线上安插、贴装和焊接。内部结构由带沟槽的矩形铁氧体套管和铜引线组成，铜引线由绝缘树脂固定，与印刷电路板上的印刷线闭合而形成绕组。根据矩形铁氧体有无局部气隙，有不同的用途。图2是带局部气隙的集成电感元件剖面图。可作出为输出滤波电感器和输入的抑制电磁干扰的电感器（例如差模电感器）。有局部气隙可提高抗饱和能力。不带局部气隙的集成电感元件可作为电源变压器、信号变压器和输入的共模电感器。由于集成电感元件匝数少，一般小于10匝，工作频率应超过200KHz，最好在500KHz以上。允许的工作温度为-55℃至+150℃。Philips公司的样本详细的介绍了集成电感元件的设计方法和应用实例，也介绍了该公司开发的印刷电路板式平面变压器的设计方法和应用实例，供用户参考。

4 薄膜电源变压器和电感器
薄膜电源变压器和电感器采用高精度的薄膜制造技术，以物理或化学气相沉积的方法，在基板上制作单层或多层厚度为纳米级或微米级的金属，金属氧化物或氮化物薄膜。材料可以有多样性选择。磁性材料除了铁氧体（在薄膜中很少用）而外，晶态的高磁导铁镍合金、非晶和纳米晶合金、复合磁性材料都可制作薄膜。导电材料可选择铝、铜、金、银。绝缘材料也可以不同等级的漆或薄膜。结构上可以采用多层微细结构。从而使电源变压器和电感器在磁性能和线圈匝数上有很大的变化范围，可以满足不同电路对它们的要求。例如，选择多层磁性薄膜，可以提高电阻率，在更高的工作频率下保持足够高的磁导率。又例如，选择多层导电膜（n层），可以使电感器的电感量增加n2倍，也可以组成多绕组的变压器。又例如，选择低介电常数绝缘材料作为绕组的层间绝缘，可以降低绕组线之间电容耦合。再选择电阻率小的导电材料作绕组导线，从而使电感器具有低电阻，低噪声和高Q值，满足高频电路的需要。
从制作方法上，沉积法镀模工艺，可以灵活设计绕组结构，精密控制绕宽，便于制作各种图形，比较好的解决了电感元件的小型化问题。从成本上看，薄膜元件的线宽只需作到几十微米，而且线条密度低，环境洁净度的要求不十分严格，制造设备和检测仪器投资比较小，比半导体集成电路的成本低。在制作中不需要经过高温过程，适当选择材料使其相互匹配，可以避免发生类似高温共烧时出现的严重的材料现象，从而比较容易控制薄膜元件的特性。有人担心薄膜元件经过热处理会造成内应力，使磁性能和元件性能下降，现在也有办法解决。
总起来看，采用薄膜制造技术是使电源变压器和电感器小型化的一种较好的方法，尤其是多层薄膜电感元件有电感量范围大，直流电阻小，Q值高，尺寸精度好而且小，可靠性高，生产一致性好，便于和电阻、电容及半导体一起组合和集成，成为高频电源变压器和电感器发展的主要方向。国外从20世纪70年代末就开如研究，进入90年代后发展更为迅速，现在已有投入正式生产的成功实例。
例如，在32MHz正激式开关电源中，磁芯采用CoZrRe非晶合金薄膜，绕组采用100μm铜薄膜，制成的薄膜电源变压器厚0.3mm，面积3×4。变压器铁损在0.1T，1MHz下只有铁氧体PC40的1/4。开关电源输出10V，负载10V。 功率密度为1.2W/，而采用PC40铁氧体为8W/。
又例如一种外磁芯形电感器。磁芯为钴基非晶薄膜，15μm厚。线圈采用铜薄膜，宽100μm，间隔20μm，厚15μm。图形为椭圆运动场形。7层叠层，包括二氧化硅基片在内总厚0.4mm，面积为5.5×4.0。直流电阻1.5V。在1MHz下电感值为3.2μH，Q值为4.2。用于手机用0.5W开关电源中。
又例如一种外磁芯形电感器。磁芯为FeCoBc非晶薄膜，厚6μm，4层。线圈采用铜薄膜，厚50μm，图形为矩形运动场形。面积为5.4×6.4。工作频率最大可达8MHz，已用于5MHz升压式开关电源中，输入3.6V，输出4.7V。效率80%，开关电源尺寸为13×14×2。
又例如一种内磁芯形变压器，与SBD肖特基二极管装在一起，面积为5.0×5.0（见图3），已用于单磁芯反激式开关电源中，工作频率15MHz，输出0.3W。

又例如用高磁导铁镍合金薄膜作为磁芯的电感器和变压器，磁性材料为Ni80比Ni50的电感值大，饱和电流低。Ni80磁性薄膜厚35μm，铜薄膜厚40μm，156匝，无气隙时电感量为1.5μH，有气隙时饱和电流为180～250mA。外形尺寸为4×4×0.145。
有人建议用超薄带高磁导合晶和非晶合金代替薄膜作为磁芯，可以减少工艺流程和加工成本。现在已有用非晶合金薄带制作薄膜参数变压器的实例，证明这种办法是可行的。

5 结语
低高度电源变压器和电感器是为了适应开关电源和电子设备小形化而发展起来的，同时也为小形化提供元件方面的支持。平面式已得到大量应用，片式也已经大量生产，薄膜式正在开发和推广中，个别的得到应用。
本文只讨论了有磁芯的低高度电源变压器和电感器。无磁芯的空芯式和压电陶瓷式低高度电源变压器和电感器近年来也有较大发展，可以参阅有关的资料，这里就不再介绍了。

参考文献
1、赵见高：“微磁器件与软磁薄膜”《金属功能材料》1995年第3期。
2、胡耀全等：“新型高频磁性元件”《电工技术》1997年第3期。
3、杨振邦等：“片式化薄膜无源元件蜂拥入世”《世界产品与持术》2001年第7期
4、酒井达郎：“采用片式电源实现设备小型薄型化”月刊《电子技术》1997年第3期
5、下田康生等：“开关电源用低高度电感器件”日刊《电子技术》1998年第5期
6、Payton Planar Magnitic 公司：平面变压器样本 2000年
7、Philips 公司：平面电源变压器样本。