采用分段加工的尺寸为毫米级的微缩电源用变压器
2004-07-28 14:22:42
来源：国际电子变压器2004年8月刊
采用分段加工的尺寸为毫米级的微缩电源用变压器
Tramsformer for miniature power supply using batch-type and millimeter size
1引言
今天，信号变换、敏感的磁场检测或开关电源应用中的电感器件的小型化是一个重要的日趋增长的研究课题。通常，在很大程度上，这些器件的尺寸确定，是使用它们场合所要求的，功率电子学是一个具有很强小型化趋势的领域。由于电感器件频率的增加（从0.1~1MHz），这些高频需要高灵敏度的磁心材料，诸如铁氧体，在电感和变压器中可减小涡流。近年来，已有许多研究方面在平面磁体，如将一块3-维铁氧体磁心与铜绕组集成在一起的平面印刷板(PCB)工艺。这些器件的几何尺寸高度大为降低，在大范围内增大了功率密度（几瓦到几千瓦）。但是，在超小型应用如移动通信电子学或空间电子学中，这种优良的解决方案尚未出现，因为多个元件尺寸妨碍这些器件的安装和控制。
如今，在微系统领域中，用分段加工工艺实现了几种小型化电感的应用。有文献报导了在15μm电镀的磁心（Ni80Fe20和Ni50Fe50）上制作了尺寸为0.5cm的电感器。这些结构是用溅射沉积、电镀、光敏抗腐蚀绕绘以及摹制等方法实现的。也有人已经用抗蚀剂工艺、溅射以及电镀/蚀刻等方法在镍铁心材料上制造几个毫米大小的薄型绕组。或利用在一个硅薄片上集成制成尺寸为2mm的微型变压器。这些变压器依靠磁性材料通过溅射方法来制作。其中有三个分开的CoZrRe层，每层为5μm厚，并带有间隙为0.1μm厚的SiO2层，以减小涡流损耗。最近有人提出了价格便宜的制作具有高电感的平面变压器的新技术，它用有非常高导磁率（μr=105）的非晶磁心（溅射方法）与用印刷板工艺实现的电绕组相结合。所有这些微系统的功率变压器的解决方案都是基于集成技术。这是一种待深入开发的分段加工制造工艺。但是，由于微制造技术本质上是二维的，铁氧体铁心的截面积较小。因此这些高导磁材料用于高频尚不适合。
在本文中，提出了一种3-维电感器和变压器的分段加工的制造方法，利用该方法能开辟一条经济的制造超小型（≤1mm）和低功率（1w）器件的道路。该器件在几何形体上类似于大尺寸的平面磁性元件，由两个半片铁氧体磁心和一块印刷电路板构成，或者在铁心上绕制薄膜绕组。该3-维铁氧体磁心是用1mm厚的铁氧体膜片，采用粉末爆炸的方法来制作。用这种方法，能实现许多磁心的并行制作且用仿造电绕组在膜片上进行组装。此后，完整的器件是分立式的。测量该器件的电气特性，如电感、漏感、以及电阻随频率和器件几何尺寸变化的关系。结果表明这类器件在超小功率应用方面具有很大的潜力。
2变压器与电感器的设计
前面提到，这种的器件的几何形状类似于大的平面磁性元件。电绕组是利用标准的印刷线路板技术在膜片上制成。分别考虑了12匝和8匝的绕组的模式，相应的印刷线宽为60和80μm，利用双面印刷电路板工艺和孔金属化技术。因此，对于两绕组中的每一个，其每一边拥有一半匝数。图1示出了该设计的顶视图。其一般的尺寸（用mm计）也在图中示出。
铁氧体很适合于磁路应用的各种场合中，同时其较高的导磁率使它们可用小匝数实现大电感，所得到的尺寸也较小。图（b）中示出带有两个E形铁氧体磁心的电绕组的透视图，其几何尺寸和含有一个绕组的电感和含有两个绕组的变压器的尺寸相同。有一个简单的关系式可用来计算铁氧体磁心的电感L。
(1)
式中，AL是电感因数，N是匝数。
电感因数AL包含了铁氧体铁心的几何性质和磁性质，并由下式给出：
（2）
式中，A和L分别为铁心的有效面积和有效长度， μe是有效磁导率，它考虑了空气隙最后对闭合磁路的影响，在分母中，其和式是对整个磁路进行计算的。 在其第二个表达式中， μi表示材料的初始导磁率，lg表示空气隙长度，le表示磁路的等效长度。从式（2）可以导出L和A减少相同的比例时不会影响电感因数的值，除了具有相同的磁性能的大尺寸器件之外。可观察到当减少尺寸度时，空气隙对有效磁导率的影响将是最重要的。利用式（1）和（2），能够分别得到22μH和10μH的典型值，8厘米和12厘米绕组以及铁氧体E形铁心的尺寸如图2（a）所示，这些值是考虑两块铁氧体E形铁心叠加一起时产生了14μm的附加气隙时算得的，它将在4.3节讨论。
3制造过程
利用标准的印刷板工艺在柔性聚酰亚胺膜片上制作这种绕组。对于3-维铁氧体微制造来说，采用一种革新的方法，称为研末爆炸的机械微形腐蚀法（mechanical micro-erosion by powder blasting）。这种微研末爆炸技术是一个分段加工过程。它使3-维仿制技术具有高精度。研末（由30μm大小的铝颗粒Al2o3）通过一根胶皮管经压缩空气流中从喷咀上喷射出来。这种方法使得变形大的脆性材料得到仿造，诸如铁氧体膜片。试验中使用了菲利浦公司的3F3铁氧体材料，制作均匀的软片。仿造时用0.5mm厚的激光切割研膜片（含有铁氧体膜片具有所期望的结构），研膜与膜片（硬磁膜片作基片）紧密地接合，并且要求所选取的铁氧体膜片具有抗腐蚀性。
如图2所示，实际采用本方法制成的典型尺寸用厘米来计量。利用适当的金属研膜，沿铁氧体膜片的x轴和y轴方向表面进行扫描后。得到了非常小的和相同的铁氧体E形磁心阵列，如图2（b）所示。最后，E形铁心和绕组组装在一起。图3示出了组装后小型化的变压器。
以上方法说明采用分段加工技术制造尺寸很小的磁性器件的潜力，它开辟了可进一步减小这种器件尺寸的新途径。
4试验结果
为了覆盖宽的频率范围，小型化变压器的电气性能用HP公司的4194“阻抗/增益－相位分析仪”和一台HP4291A“射频阻抗/ 材料分析仪”进行测量。在这两台仪器中，频率从4变到 108Hz。该器件的电感、电阻和增益用0.5伏（有效值）正弦信号来测试记录。在测量这些电气特性中，铁氧体磁心用机械方式装夹，并使其具有最小的空气隙。
4.1主电感和电阻
主电感和电阻的测量条件如下：一次性地在一个绕组上装上两个铁氧体E形磁心同时进行测量，其信号如图4（a）和（b）所示。测量表明，12匝绕组的电感约为12.2μH，而8匝绕组的电感约为5.5μH，频率范围从最低的频率往上变化，大约有2个十倍频程。在图4（a）和（b）中，仅仅示出了频率在1MHz以上的测量结果。图4（a）中的负电感值表示了一个电容C=-L-1ω-2的电容值。事实上，在高频段，由阻抗分析仪可看出该器件可作为一个电容。图4（a）清楚地指出，对于12匝绕组的器件，在电感与电容特性的谐振过渡情况时，谐振频率大约为22.5MHz。
一个螺旋形电感决定于绕组的几何尺寸且和匝数平方N2成正比。由于12匝 和8匝的几何因数是相同的，因此两个器件之间的电感比应为2.25，得到的实验值为2.22。
如图4（b）所示的电阻在3个十倍频程的范围内是常数，频率以104Hz开始（未示出该数据），12匝绕组的电阻值为3.6Ω，8匝绕组的电阻值为1.3Ω。然后，随着频率大于1MHz的电阻值增加，分别达到其最大值4.2kΩ和1.2kΩ，并且8匝绕组在相应的谐振频率处达到电阻的最大值。
4.2漏感
变压器的简化等效电路在图5中示出，Usoure和Rsoure分别为电源的电压和电阻，CP为初级绕组电容，Rw是总的绕组电阻，Lt，p是总的漏电感，亦即次级短路时的初级电感，Lm，p是短路电感，Rloss是短路损耗电阻，它代表了铜损。正如该图所示，有可能表示初级电路的变压器。Cs′和RL′是次级电容的负载电阻折算到初级绕组的相应的值。它们由式（3）和（4）建立了次级绕组电容 和负载电阻的关系。最后，Np和Ns分别是初级、次级绕组的匝数。
(3)
(4)
因此，当次级绕组短路(RL′=0)，谐振频率为：
（5）
而当它开路时，谐振频率为：
（6）
其中，总测量电感。
初级电路的电感Lp和L1，p示于图6。Lp的值在2个十倍频程以上大约为2.7μH，谐振频率为23.4MHz。漏感L1，p在频率大于3个十倍频程的范围内大约为2.7mH，并且达到主电感和漏电感之比为2.7，谐振频率为66.4MHz。在式（5），（6）和（3）可以推导出Cp=85nF和CS=220nF。我们注意到，由于器件组装和测量的不精确性，电容值是象征性的，且会得到更大的幅值，亦即它们可到达100nF的量级。
4.3空气隙的影响
二个E形铁心之间的气隙长度可用插入 的聚酰亚胺膜片来调整。在该磁路中，两次加入气隙，得到：
lg=2(t+p) （7）
式中，t是聚酰亚胺的厚度，p是附加气隙，它决定于铁氧体E形磁心表面的固定粗糙度Rz。
在更简单的理论方法中，初级电路的主电感为
（8）
式中，μ0空气中的导磁率，μr铁氧体的相对导磁率，Ac内铁心柱的横截面积，Lm磁路长度。
Ac=2mm2和Lm=6.5mm。在图7中，在频率为100KHz时，给出了试验值和理论值对应的关系，Rz的测量值为19μm2。因为两个表面可以重迭，因此附加气隙p为14μm，在计算中加以考虑。
式(8)中引入一个修正系数F，可以使试验曲线和理论曲线之间得到很好的匹配，F为：
(9)
式中，G是铁心窗口的垂直尺寸（它在例子中是 1mm），因数F表示了磁通围绕气隙的边缘效应。
4.4变压器增益的测量
变压器的增益g′dB为：
（10）
式中Vs和Vp是初级和次级电压。正如图8所示，给出了g[dB]和频率的关系曲线，小型化变压器的增益，它在200KHz到2MHz之间，大约-3.8dB，在给定的变比 8:12时，理论近似值为-3.8dB。
5结论
利用一种创新的技术，即易脆的铁氧体研末爆炸技术制造新的小型化变压器。两块E形磁心及绕组薄膜利用分段加工工艺的制作，打开了一种减小器件尺寸的途径。已测试的电气性能清楚地表明该小型化变压器在对于频率为0.1到1MHz的低功率的应用场合是非常适用的。
主要参考文献
IEEE Trans.on Magnetic，37(4)，2001.6，2944~3003
前面提到，这种的器件的几何形状类似于大的平面磁性元件。电绕组是利用标准的印刷线路板技术在膜片上制成。分别考虑了12匝和8匝的绕组的模式，相应的印刷线宽为60和80μm，利用双面印刷电路板工艺和孔金属化技术。因此，对于两绕组中的每一个，其每一边拥有一半匝数。图1示出了该设计的顶视图。其一般的尺寸（用mm计）也在图中示出。
铁氧体很适合于磁路应用的各种场合中，同时其较高的导磁率使它们可用小匝数实现大电感，所得到的尺寸也较小。图（b）中示出带有两个E形铁氧体磁心的电绕组的透视图，其几何尺寸和含有一个绕组的电感和含有两个绕组的变压器的尺寸相同。有一个简单的关系式可用来计算铁氧体磁心的电感L。
(1)
式中，AL是电感因数，N是匝数。
电感因数AL包含了铁氧体铁心的几何性质和磁性质，并由下式给出：
（2）
式中，A和L分别为铁心的有效面积和有效长度， μe是有效磁导率，它考虑了空气隙最后对闭合磁路的影响，在分母中，其和式是对整个磁路进行计算的。 在其第二个表达式中， μi表示材料的初始导磁率，lg表示空气隙长度，le表示磁路的等效长度。从式（2）可以导出L和A减少相同的比例时不会影响电感因数的值，除了具有相同的磁性能的大尺寸器件之外。可观察到当减少尺寸度时，空气隙对有效磁导率的影响将是最重要的。利用式（1）和（2），能够分别得到22μH和10μH的典型值，8厘米和12厘米绕组以及铁氧体E形铁心的尺寸如图2（a）所示，这些值是考虑两块铁氧体E形铁心叠加一起时产生了14μm的附加气隙时算得的，它将在4.3节讨论。
3制造过程
利用标准的印刷板工艺在柔性聚酰亚胺膜片上制作这种绕组。对于3-维铁氧体微制造来说，采用一种革新的方法，称为研末爆炸的机械微形腐蚀法（mechanical micro-erosion by powder blasting）。这种微研末爆炸技术是一个分段加工过程。它使3-维仿制技术具有高精度。研末（由30μm大小的铝颗粒Al2o3）通过一根胶皮管经压缩空气流中从喷咀上喷射出来。这种方法使得变形大的脆性材料得到仿造，诸如铁氧体膜片。试验中使用了菲利浦公司的3F3铁氧体材料，制作均匀的软片。仿造时用0.5mm厚的激光切割研膜片（含有铁氧体膜片具有所期望的结构），研膜与膜片（硬磁膜片作基片）紧密地接合，并且要求所选取的铁氧体膜片具有抗腐蚀性。
如图2所示，实际采用本方法制成的典型尺寸用厘米来计量。利用适当的金属研膜，沿铁氧体膜片的x轴和y轴方向表面进行扫描后。得到了非常小的和相同的铁氧体E形磁心阵列，如图2（b）所示。最后，E形铁心和绕组组装在一起。图3示出了组装后小型化的变压器。
以上方法说明采用分段加工技术制造尺寸很小的磁性器件的潜力，它开辟了可进一步减小这种器件尺寸的新途径。
4试验结果
为了覆盖宽的频率范围，小型化变压器的电气性能用HP公司的4194“阻抗/增益－相位分析仪”和一台HP4291A“射频阻抗/ 材料分析仪”进行测量。在这两台仪器中，频率从4变到 108Hz。该器件的电感、电阻和增益用0.5伏（有效值）正弦信号来测试记录。在测量这些电气特性中，铁氧体磁心用机械方式装夹，并使其具有最小的空气隙。
4.1主电感和电阻
主电感和电阻的测量条件如下：一次性地在一个绕组上装上两个铁氧体E形磁心同时进行测量，其信号如图4（a）和（b）所示。测量表明，12匝绕组的电感约为12.2μH，而8匝绕组的电感约为5.5μH，频率范围从最低的频率往上变化，大约有2个十倍频程。在图4（a）和（b）中，仅仅示出了频率在1MHz以上的测量结果。图4（a）中的负电感值表示了一个电容C=-L-1ω-2的电容值。事实上，在高频段，由阻抗分析仪可看出该器件可作为一个电容。图4（a）清楚地指出，对于12匝绕组的器件，在电感与电容特性的谐振过渡情况时，谐振频率大约为22.5MHz。
一个螺旋形电感决定于绕组的几何尺寸且和匝数平方N2成正比。由于12匝 和8匝的几何因数是相同的，因此两个器件之间的电感比应为2.25，得到的实验值为2.22。
如图4（b）所示的电阻在3个十倍频程的范围内是常数，频率以104Hz开始（未示出该数据），12匝绕组的电阻值为3.6Ω，8匝绕组的电阻值为1.3Ω。然后，随着频率大于1MHz的电阻值增加，分别达到其最大值4.2kΩ和1.2kΩ，并且8匝绕组在相应的谐振频率处达到电阻的最大值。
4.2漏感
变压器的简化等效电路在图5中示出，Usoure和Rsoure分别为电源的电压和电阻，CP为初级绕组电容，Rw是总的绕组电阻，Lt，p是总的漏电感，亦即次级短路时的初级电感，Lm，p是短路电感，Rloss是短路损耗电阻，它代表了铜损。正如该图所示，有可能表示初级电路的变压器。Cs′和RL′是次级电容的负载电阻折算到初级绕组的相应的值。它们由式（3）和（4）建立了次级绕组电容 和负载电阻的关系。最后，Np和Ns分别是初级、次级绕组的匝数。
(3)
(4)
因此，当次级绕组短路(RL′=0)，谐振频率为：
（5）
而当它开路时，谐振频率为：
（6）
其中，总测量电感。
初级电路的电感Lp和L1，p示于图6。Lp的值在2个十倍频程以上大约为2.7μH，谐振频率为23.4MHz。漏感L1，p在频率大于3个十倍频程的范围内大约为2.7mH，并且达到主电感和漏电感之比为2.7，谐振频率为66.4MHz。在式（5），（6）和（3）可以推导出Cp=85nF和CS=220nF。我们注意到，由于器件组装和测量的不精确性，电容值是象征性的，且会得到更大的幅值，亦即它们可到达100nF的量级。
4.3空气隙的影响
二个E形铁心之间的气隙长度可用插入 的聚酰亚胺膜片来调整。在该磁路中，两次加入气隙，得到：
lg=2(t+p) （7）
式中，t是聚酰亚胺的厚度，p是附加气隙，它决定于铁氧体E形磁心表面的固定粗糙度Rz。
在更简单的理论方法中，初级电路的主电感为
（8）
式中，μ0空气中的导磁率，μr铁氧体的相对导磁率，Ac内铁心柱的横截面积，Lm磁路长度。
Ac=2mm2和Lm=6.5mm。在图7中，在频率为100KHz时，给出了试验值和理论值对应的关系，Rz的测量值为19μm2。因为两个表面可以重迭，因此附加气隙p为14μm，在计算中加以考虑。
式(8)中引入一个修正系数F，可以使试验曲线和理论曲线之间得到很好的匹配，F为：
(9)
式中，G是铁心窗口的垂直尺寸（它在例子中是 1mm），因数F表示了磁通围绕气隙的边缘效应。
4.4变压器增益的测量
变压器的增益g′dB为：
（10）
式中Vs和Vp是初级和次级电压。正如图8所示，给出了g[dB]和频率的关系曲线，小型化变压器的增益，它在200KHz到2MHz之间，大约-3.8dB，在给定的变比 8:12时，理论近似值为-3.8dB。
5结论
利用一种创新的技术，即易脆的铁氧体研末爆炸技术制造新的小型化变压器。两块E形磁心及绕组薄膜利用分段加工工艺的制作，打开了一种减小器件尺寸的途径。已测试的电气性能清楚地表明该小型化变压器在对于频率为0.1到1MHz的低功率的应用场合是非常适用的。
主要参考文献
IEEE Trans.on Magnetic，37(4)，2001.6，2944~3003
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