1引言
随着各种便携式信息设备的迅速发展，它们必须使用的微型变压器和电感器的研究与市场也在不断扩大。本成果报告是在曾经研究过的具有过载保护、噪声滤波等性能的≠0.2×12×8（mm3）平面磁路微型参数变压器的基础上，改善了加工方法，制作出了≠0.2×7×5（mm3）的参数变压器磁心后提出的。本课题对振荡时的输入、输出电压特性、负载特性等基本性能进行了研究。结果表明，研制的平面磁路微型参数变压器具有良好的稳压特性、过载保护能力和噪场滤波性能。同时，还对作为这种变压器的主要设计要素的磁心的公共磁路宽度与振荡特性间的关系，线圈位置与变压器特性的关系等进行了研究。
2平面磁路微型参数变压器的基本结构
图1所示为研制的微型变压器的尺寸和电路结构。变压器磁心用厚度为30mm的非晶态Fe5Co70Si15B10磁性材料，用电火花切割机切割成薄片，并以5片叠装成变压器磁心。制成的磁心不需要进行热处理。变压器绕组的圈数为N1=N2=30匝。
变压器负载特性的测试方法见图1所示：在谐振线圈侧回路接上并联的负载电阻R，通过改变负载电阻R的量值来改变负载电流IL的大小。
图1中的交流电源的连接侧称作为激磁侧磁路；与调谐电容器的连接侧称作为谐振侧磁路，而把中心柱部分称作公共磁路。为使其产生参数振荡，输入与输出线圈间的变压器耦合应为零，或者在其间制成非常小的磁路结构。为此，设计时在激磁侧磁路和谐振侧磁路的汇合部分的磁路上开了凹口，使该磁路变窄。这个凹口使得激磁侧磁通和谐振侧磁通互相都难以通过对方磁路。此外，公共磁路与激磁侧磁路和谐振侧磁路的宽度相比较，公共磁路要窄得多。这种形状的磁心，对参数振荡的建立及其对特性的影响是十分重要的。
3微型参数变压器的基本特性
图2示出了在不同的激磁频率下，变压器谐振侧电路断开时的交流磁化特性。图示可知，由于加工产生的应力引起磁性能下降，使初始磁导率变小。图中所示的基准工作点，表示在不同频率下使用满足振荡稳定界限条件的电容量时的参数振荡确立点。为了能够产生参数振荡，从谐振侧所看到的磁阻值必须以振荡频率的2倍周期变化。因此，若激磁至图2中的工作点，由于其磁阻从零到基准工作点，将在正负的半周期中变化两次，故而能产生参数振荡。然而，若工作点处于浅饱和处，则磁阻变化不大；若工作点在深饱和处，激磁磁通最大值附近的磁阻变化小，此时，参数振荡就不能稳定。
图3所示为激磁电压E1和谐振电压E2的波形。E1和E2的相位差U接近90°；当用方波激磁时，谐振电压E2的波形几乎接近正弦波。由此可见，这种变压器具有滤波功能。
图4示出了在不同的激磁频率下，空载时的激磁电压E1与谐振时的电压E2的关系。当激磁电压变化时，可以看到谐振电压的跳跃情况，这是参数振荡所特有的滞后现象。此外，参数振荡一旦建立，激磁电压E1再变化时，谐振电压E2则几乎保持不变。这种特性在其使用中十分有用。再则，虽然N1=N2，但谐振电压E2比激磁电压E1要大得多。这是参数变压器与普通变压器所不同之处，它们是将磁阻的变化作为媒介来传递能量的一种元件。同时，在激磁电压的大范围内，又附加了激磁电压E1所产生的变压器功能。
图5是这种变压器负载特性的测试结果。当负载电流增大到某一数值时，参数振荡即停止。由此可见其具有过载保护的功能。参数振荡停止时，该变压器的最大输出功率为0.4W，最大效率是45%。如果保持在最大电流的75%，此时的输出功率为0.3W，效率为40%，电压调整率为0.94%。可以说这种变压器具有极好的电压调整率。但该变压器的输出功率小、效率低，这是由于线圈未能充满变压器的整个窗口，即未考虑窗口面积的有效利用，铜损较大的缘故。今后可以通过以下主要途径来降低损耗：线圈的制作上采用印制技术与蚀刻工艺；优化磁路形状设计；改善磁心切割工艺并通过热处理等减少磁心应力。
图6所示为变压器电压调整率与激磁频率的关系。由图可见，在激磁频率为500kHz时的电压调整率最小。其原因是，从图2所示的磁化特性曲线可以看到，激磁频率为500kHz时的初始磁导率最高。在初始磁导率高，负载电流增大时，从谐振电路侧所看到的视在曲线变动减小，故而电压调整率减小。因此，变压器结构形状和磁性材料选择的最佳化、以及防止加工过程中性能的恶化，尽可能地提高初始磁导率，就能够进一步小型化，并即使提高工作频率也能具有低的电压调整率。
4建立振荡的条件
变压器的微形化、高性能，设计方法与加工工艺是十分重要的因素。然而，它们都需要满足参数振荡建立的条件。
参数振荡变压器的磁路模型如图7所示。设Rb为变压器公共磁路的磁阻，RC为公共磁路附近的狭窄部分磁路的磁阻，Ra为激磁侧磁路和谐振侧磁路的相同磁阻，在图7中，因简化而忽略了漏磁通。
首先，Rc，Rb的饱和特性分别表示为：
 (1)
 (2)
由于Ra与Rc、Rb比较其值很小，故忽略不计，则激磁侧和谐振侧的磁势F1，F2为：
 (3)
 (4)
在此，如果忽略磁滞的磁心饱和特性，用磁通的三次幂表示为：
 (5)
 (6)
故式（3）、式（4）变为：

 (7)

 (8)
由式（7）、式（8）可见，激磁侧和谐振侧电路中的电流i1、i2都是激磁侧和谐振侧磁通f1、f2的函数。
如果去掉调谐电容来测量公共磁路磁通和谐振磁路磁通与激磁电压之间的关系，则当激磁电压E1增大时，公共磁路的磁通增加而谐振侧磁路中几乎没有磁通通过。这是因为在磁路的中柱部分开有凹口，狭窄部分磁路的磁阻Rc比公共磁路的磁阻Rb大得多的缘故。
激磁电压E1增大时，致使谐振侧磁通值很小；在图7所示磁路中，当谐振侧磁路开路即F2为零时，在式（7）中，因为F2为零，故可以获得以下公式：
 (9)
如果去掉公共部分的磁路即图7中的磁阻Rb，这种状况下的磁势为：
 (10)
在去掉公共磁路的状况下，磁路的总磁阻增大，磁化曲线比图2所示的饱和曲线更饱和，对应于相同感应电压值的磁势进一步增大。由此可见，，Rc为非线性磁阻。
此外，为了能够产生参数振荡，从谐振侧磁路看的磁阻Rb值必须按振荡频率的2倍周期变化，因此，Rb与Rc都是非线性磁阻。b3Ko成为必要条件。如果b3=0，则表示从谐振侧看的磁化特性公式（8）将变为下式：
 (11)
在谐振侧的磁通φ2很小的情况下，从激磁侧接受调制而变成线性，则参数振荡将不能建立。
上述磁通的各项系数、、、是使这种变压器产生参数振荡的极为重要的数据，其值可以根据磁化曲线的形状及由式（9）、式（10）来求得。
5公共磁路宽度与变压器特性的关系
这类变压器的公共磁路宽度和凹口形状，是影响参数振荡的稳定性和变压器性能的重要因素。在此节中将研究公共磁路宽度和变压器特性的关系。取公共磁路宽度h分别为1.0、1.2、1.4（mm）三种宽度进行试验：当公共磁路的宽度变化时，磁路狭窄部分的宽度同时在变化，但与公共磁路宽度的变化相比，其变化很小，故可忽略不计。
图8所示为公共磁路的宽度变化时的变压器交流磁化特性曲线。在磁势增大时，磁化特性开始产生差异；由于变压器的工作点取在1.5AT以下，从图8所示曲线看，其差异可以不予考虑。
图9所示为。对应于各公共磁路宽度情况下，空载时的激磁电压E1与谐振电压E2的关系。由图9可见，对应于公共磁路宽度的变化，谐振电压的幅值基本不变，然而，建立起参数振荡的电压，却随着公共磁路宽度的增加而增大。对于便携式电子设备，由于要求其电池使用寿命长，故LSI电路供电的低压化是个大课题。因此，对变压器而言，建立其振荡的电压要求尽量地降低。此外，如图8所示，即使公共磁路宽度变化时的磁化曲线形状不变，但相对于建立起振荡的电压增大，则激磁电流也要增大，这将致使铜损增大。因此，能够降低建立振荡的电压是最理想的。
图10示出了公共磁路宽度与负载特性的关系。图10可见，随着公共磁路宽度的增加，最大负载电流变小。其原因可用图9来说明，公共磁路的宽度增大时，其工作点向激磁电压高的方向移动，但此时的激磁电压E1的值是确定的，故对电压调整率来说也几乎是不变的。
在此，我们从决定这种变压器的工作点方面来分析研究，作为重要指标的建立起振荡的电压值随公共磁路增加而增大的原因。前面已经讨论到，Rb、Rc为非线性磁阻，为能够产生参数振荡，必须满足Rb<Rc的条件。首先，公共磁路宽度的增加，意味着公共磁路的截面积也增大，则共公磁路的磁阻Rb减小。这样就满足了Rb<Rc的必要条件。然而，Rb如过分地减小，则将降低公共磁路中的磁通密度，使磁阻Rb接近于线性，即表示饱和特性的常数b3将接近于零。在这种状况下，产生参数振荡就比较困难。为了要产生参数振荡，需提高激磁电压，使公共磁路磁通进入深饱和区。因此，公共磁路宽度的增加，建立起振荡的电压就要提高。
6变压器线圈的位置和变压器特性的关系
平面磁路微型参数变压器是采用聚酯漆包线由手工绕制的线圈，也采用印制蚀刻处理等加工方法制造。因为线圈的配置与变压器的性能有十分密切的关系，所以必须把握好线圈位置的最佳配置。
图11所示为这种变压器线圈的配置图：在变压器外侧柱中央和公共磁路狭窄部分附近，线置如表1所列圈数和线圈，线圈的圈数都是总计20匝。以它们进行试验，研究线圈位置与变压器特性的关系。
图12是#A、#B、#C变压器的视在磁化曲线。图中可见，仅在公共磁路附近绕有线圈的变压器#C，由于其整个磁阻增大而与其它的变压器不同。与变压器#A、#B比较，在公共磁路附近的漏磁小，故在磁路狭窄部分和公共磁路中的磁通密度增大。因此，其视在磁阻Rb和Rc也增大。
图13所示为各变压器的输入输出电压特性。比较#A、#B、#C三种变压器，在公共磁路附近的线圈匝数少的变压器，其建立起振荡的电压E1和谐振电压E2均较高。这是由于在公共磁路附近的线圈匝数少时，其漏磁增大，则公共磁路内的磁通密度降低，这表示磁阻Rb饱和特性的常数b3接近于零。为了产生参数振荡，必须增大激磁电压E1，以使公共磁路的磁通增大至饱和区。因为公共磁路附近线圈的匝数少，建立起振荡的电压E1就高。关于谐振电压何以提高，可以认为是对应于图12所示的磁化曲线的感应电压增大了的缘故。
现在比较一下激磁侧绕线方式相同的#A和#AC以及#C和#CA，如果其振荡点的电压相等，建立起振荡的电压E1值对激磁侧线圈的绕线方式有很大的依赖关系。同样，比较谐振侧绕线方式相同的#A和#CA以及#C和#AC，它们类似于谐振侧的电压值，谐振电压E2之值对谐振侧线圈的绕线方式也有很大的依赖关系。
图14所示为各个变压器负载特性的测试结果。各变压器谐振电压E2的大小，具有与图13所示相同的大小关系。对于变压器#C而言，由于其线圈配置于公共磁路附近，故可获得大的负载电流。
7结论
通过以上对研制成功的5mm×7mm平面磁路微型参数变压器基本性能的讨论，探讨了公共磁路宽度和变压器特性的关系，以及线圈配置方式与变压器特性的关系等问题，结论为：
(1)这种变压器具有噪声滤波功能和过载保护功能。在激磁频率为500kHz时，电压调整率为0.94%，性能优良。
(2)能在不降低材料的初始磁导率的状态下制作磁路，使这种变压器有可能进一步小型化以及降低高频使用时的电压调整率。
(3)为了能够产生参数振荡，磁路狭窄部分的磁阻必须大于公共磁路的磁阻。
(4)公共磁路的磁阻和狭窄部分磁路的磁阻应是非线性的。
(5)公共磁路的宽度增大时，建立起参数振荡的电压将要提高。
(6)线圈配置在公共磁路附近，则可设定较低的参数振荡电压，允许的负载电流也可增大。
(参考文献略)