轻小型薄膜变压器研制
2005-09-28 14:32:10
来源：《国际电子变压器》第10期
1引言
如今，许多电子设备都提出了减轻重量，缩小体积的要求，由于超大规模集成电路的发展和软件技术的进步，所以轻小型化的矛盾集中到了电源系统，而首先体现在磁性元件如变压器、电感器、电抗器的重量与体积，因为它们远大（重）于设备中的其他元器件。众所周知，减小磁性元件的体积和重量的方法之一是采用高频激励。但提高工作频率则受到所用磁性材料性能以及频率特性的制约；为解决这些问题，人们首先着手开发应用新型磁性材料，例如非晶微晶磁性材料。但是要消除随工作频率提高而引起铁损明显增加则是很困难的，为此又提出了无铁心变压器的设计思想。这里介绍一种高效薄膜型变压器的设计制造，同时将其在直流变换器中进行了验证使用。
这种薄膜变压器是用薄膜导体叠层而成，而每片薄膜是通过化学蚀刻加工，故其结构既薄又轻。薄膜变压器的工作原理类同于无铁心变压器的集肤效应原理。根据负载条件状况，薄膜变压器的效率可达95%以上。本文所述的薄膜变压器用于推挽型直流变换器中达到了11W的输出功率，具有良好的应用前景。
2薄膜变压器工作原理
图1(a)所示为典型的带铁心变压器，这类传统形式的变压器是利用铁心的磁感应在绕组间产生耦合；图1(b)所示的薄膜变压器是利用环绕载流导体的磁感应形成耦合。其基本工作原理类同于双扭线圈变压器的工作原理，但其排列方式不同。为了使在一个平面上的初级、次级电路耦合，薄膜变压器是将初级、次级二组线圈以适当的间距布局成圆形、矩形或L形。
图2(a)所示为初、次级两线圈以同心圆形状排列的薄膜变压器。当有交变电流流过初级线圈时，磁力线从以同心圆排列的上层线圈的中心开始通向外侧，然后从下层线圈的外侧回到中心，或者反之。因为次级线圈以同心圆形状被排列在初级线圈的同一薄膜基片上，故上述磁力线会在次级线圈引起感应电压。
3实际设计薄膜变压器中考虑的一些问题
根据实用的要求，在薄膜变压器设计中至少应该考虑三个方面的问题：一是关于初、次级线圈的引出线端子的安置，把线圈引出线端子安放在薄膜的外部是合理的。如图2(a)线圈的排列所示，其初级线圈的一个端子置于外部，而其另一个端子置于薄膜基片的中心，由此可见，与电源的连接线必须横跨整个变压器线圈。其次级线圈的连接方式与上述完全一致。为解决这一问题，将线圈排列采用对称同心圆叠合的方式，以便使磁力线方向一致，并如图2(b)所示那样在中心连接，这样就可以实现初、次级线圈的引出线端子都置于薄膜外部。二是变压比的计算问题，这类变压器的变压比由线圈的长度决定，即其变压比与初级、次级线圈长度的比例相一致；如果初级线圈的导体展开长度比次级线圈的长，则次级电路中得到较低的电压，但初级线圈的漏磁通量增加。即使采用多层叠积，此种问题仍需通过改变电路的连接方式来加以解决。例如，若两个初级线圈以串联连接，而两个次级线圈以并联连接，那么，在次级线圈的引出线端子上将得到外加于初级线圈电压的1/2电压。三是关于耦合系数的改善问题，由于在薄膜边缘的邻近效应的不同，磁力线的走向不可能与图2(a)所示那么理想，将会使闭合磁路穿透基片薄膜，也就是说，由于薄膜边缘邻近效应的差异将导致磁力线的走向与薄膜表面垂直。显然，这种分路的磁力线会降低耦合系数；这个问题解决方法之一是增加叠层数量。图3示出了用积分方程计算得出磁场分布状态，其结果表明，叠层数量的增加，薄膜边缘的邻近效应将减小。
4实验
以敷铜聚酰亚胺薄膜经化学蚀刻方法加工，制成了三种结构的试验用薄薄变压器，图2(a)所示为其中之一——同心圆线圈样品，图4示出了另两种形式的线圈样品——方形与L形。表1所列为这几种试验用薄膜变压器的特性参数。
图5给出的是变压比与频率的特性曲线，它们与高频时的耦合系数吻合。图中所示为由二叠层和四叠层薄膜串联组成的薄膜变压器的变压比。从两条曲线的差异可以说明，耦合系数与频率的特性关系可以用增加薄膜叠层的数量进行调整。
图6给出了效率与频率的特性曲线，它说明了即使受到负载和工作频率条件的限制，薄膜变压器实现高效率是可办到的。同时，图6还表明了最佳工作频率由负载的阻抗值决定，负载的阻抗值越大，工作频率越高。
5薄膜变压器用于直流变换器
图7(a)是薄膜变压器用于推挽式直流变换器的电路图，同时在图7(b)中示出了这种变换器在140kHz工作时的负载特性。图7(b)显示了其最大输出功率达到11W，并具有74%的效率。
6结论
本文介绍的轻型薄膜高频变压器，在合适负载条件时的效率可达95%。把它用于推挽式直流变换器成功地获得了11W的输出功率和74%的效率。进一步的工作是改善封装以减少磁辐射，并拟在薄膜表面涂覆磁性材料以控制激磁电流。
参考文献（略）
如今，许多电子设备都提出了减轻重量，缩小体积的要求，由于超大规模集成电路的发展和软件技术的进步，所以轻小型化的矛盾集中到了电源系统，而首先体现在磁性元件如变压器、电感器、电抗器的重量与体积，因为它们远大（重）于设备中的其他元器件。众所周知，减小磁性元件的体积和重量的方法之一是采用高频激励。但提高工作频率则受到所用磁性材料性能以及频率特性的制约；为解决这些问题，人们首先着手开发应用新型磁性材料，例如非晶微晶磁性材料。但是要消除随工作频率提高而引起铁损明显增加则是很困难的，为此又提出了无铁心变压器的设计思想。这里介绍一种高效薄膜型变压器的设计制造，同时将其在直流变换器中进行了验证使用。
这种薄膜变压器是用薄膜导体叠层而成，而每片薄膜是通过化学蚀刻加工，故其结构既薄又轻。薄膜变压器的工作原理类同于无铁心变压器的集肤效应原理。根据负载条件状况，薄膜变压器的效率可达95%以上。本文所述的薄膜变压器用于推挽型直流变换器中达到了11W的输出功率，具有良好的应用前景。
2薄膜变压器工作原理
图1(a)所示为典型的带铁心变压器，这类传统形式的变压器是利用铁心的磁感应在绕组间产生耦合；图1(b)所示的薄膜变压器是利用环绕载流导体的磁感应形成耦合。其基本工作原理类同于双扭线圈变压器的工作原理，但其排列方式不同。为了使在一个平面上的初级、次级电路耦合，薄膜变压器是将初级、次级二组线圈以适当的间距布局成圆形、矩形或L形。
图2(a)所示为初、次级两线圈以同心圆形状排列的薄膜变压器。当有交变电流流过初级线圈时，磁力线从以同心圆排列的上层线圈的中心开始通向外侧，然后从下层线圈的外侧回到中心，或者反之。因为次级线圈以同心圆形状被排列在初级线圈的同一薄膜基片上，故上述磁力线会在次级线圈引起感应电压。
3实际设计薄膜变压器中考虑的一些问题
根据实用的要求，在薄膜变压器设计中至少应该考虑三个方面的问题：一是关于初、次级线圈的引出线端子的安置，把线圈引出线端子安放在薄膜的外部是合理的。如图2(a)线圈的排列所示，其初级线圈的一个端子置于外部，而其另一个端子置于薄膜基片的中心，由此可见，与电源的连接线必须横跨整个变压器线圈。其次级线圈的连接方式与上述完全一致。为解决这一问题，将线圈排列采用对称同心圆叠合的方式，以便使磁力线方向一致，并如图2(b)所示那样在中心连接，这样就可以实现初、次级线圈的引出线端子都置于薄膜外部。二是变压比的计算问题，这类变压器的变压比由线圈的长度决定，即其变压比与初级、次级线圈长度的比例相一致；如果初级线圈的导体展开长度比次级线圈的长，则次级电路中得到较低的电压，但初级线圈的漏磁通量增加。即使采用多层叠积，此种问题仍需通过改变电路的连接方式来加以解决。例如，若两个初级线圈以串联连接，而两个次级线圈以并联连接，那么，在次级线圈的引出线端子上将得到外加于初级线圈电压的1/2电压。三是关于耦合系数的改善问题，由于在薄膜边缘的邻近效应的不同，磁力线的走向不可能与图2(a)所示那么理想，将会使闭合磁路穿透基片薄膜，也就是说，由于薄膜边缘邻近效应的差异将导致磁力线的走向与薄膜表面垂直。显然，这种分路的磁力线会降低耦合系数；这个问题解决方法之一是增加叠层数量。图3示出了用积分方程计算得出磁场分布状态，其结果表明，叠层数量的增加，薄膜边缘的邻近效应将减小。
4实验
以敷铜聚酰亚胺薄膜经化学蚀刻方法加工，制成了三种结构的试验用薄薄变压器，图2(a)所示为其中之一——同心圆线圈样品，图4示出了另两种形式的线圈样品——方形与L形。表1所列为这几种试验用薄膜变压器的特性参数。
图5给出的是变压比与频率的特性曲线，它们与高频时的耦合系数吻合。图中所示为由二叠层和四叠层薄膜串联组成的薄膜变压器的变压比。从两条曲线的差异可以说明，耦合系数与频率的特性关系可以用增加薄膜叠层的数量进行调整。
图6给出了效率与频率的特性曲线，它说明了即使受到负载和工作频率条件的限制，薄膜变压器实现高效率是可办到的。同时，图6还表明了最佳工作频率由负载的阻抗值决定，负载的阻抗值越大，工作频率越高。
5薄膜变压器用于直流变换器
图7(a)是薄膜变压器用于推挽式直流变换器的电路图，同时在图7(b)中示出了这种变换器在140kHz工作时的负载特性。图7(b)显示了其最大输出功率达到11W，并具有74%的效率。
6结论
本文介绍的轻型薄膜高频变压器，在合适负载条件时的效率可达95%。把它用于推挽式直流变换器成功地获得了11W的输出功率和74%的效率。进一步的工作是改善封装以减少磁辐射，并拟在薄膜表面涂覆磁性材料以控制激磁电流。
参考文献（略）
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