平面变压器的设计（翻译）（5）
平面变压器的设计（翻译）（4）_ming_mike的博客-CSDN博客
本文翻译自Ferroxcube的应用指南‘Design of Plannar Power Transformer’，原文链接如下。
https://www.ferroxcube.com/en-global/download/download/134/
希望这个翻译能帮到想入门平面变压器设计的同道中人。
设计实例2：正激变压器
|
输入和输出电压 |
48V |
5V |
|
48V |
3.3V |
|
|
24V |
5V |
|
|
24V |
3.3V |
|
|
输出功率 |
Pmax |
18W |
|
占空比 |
δ |
0.48 |
|
开关频率 |
f |
500kHz |
|
环温 |
Tamb |
40℃ |
|
允许温升 |
ΔT |
50℃ |
这里的设计目标是4种变比可选的正激变压器，这在低功率DCDC变换器中很常见，规格见上表。
设计的第一步是检查最小的平面E型磁芯E-PLT14和E-E14能不能用在这里。根据式2计算出温升控制在50℃时允许的磁芯损耗密度分别是1095mW/cm3和1225mW/cm3。根据式3计算500kHz单极性三角波的磁通波形的磁芯损耗，发现最大磁通密度在100mT时损耗比式2计算出的允许损耗要小。
根据附件一中的公式计算出绕组匝数和有效电流，结合最大磁通密度100mT和其他一些输入数据，在530kHz工作频率时，我们选出E-E14和E-PLT14磁芯有着合理的匝数，计算结果见表4。
最终检查一下磁芯损耗密度，磁通等效工作频率530kHz工作温度100℃的情况下，3F3磁材是1030mW/cm3，3F4是1580mW/cm3。明显3F3是最优选择。E-PLT14磁芯的温升就由下式得到：3F3的磁芯损耗密度/允许的磁芯损耗密度*二分之一的允许温升=1030/1225*25=21℃。对于E-E14磁芯来说这个数字是23.5℃。
原边需要7或14匝，取决于输入电压。传统的正激变压器需要相同匝数的消磁（恢复）绕组，所以消磁绕组也需要7或14匝，我们选择4层每层7匝。当需要7匝原边7匝消磁绕组时，2层的绕组可以并联，这样电流密度可以减半。
如果需要14匝原边14匝消磁绕组时，2层的绕组可以串联连接。E14磁性的绕线窗口宽度是3.65mm，300um的线间距的话7匝对应每匝178um的宽度。
铜厚需要70um，因为24V输入时原边有效电流是1.09A，这样7匝并联就有356um的线宽，温升15℃。48V输入对应0.54A的原边有效电流，这样线宽就是178um（两个7匝串联），铜损导致的温升大约是14℃。
线宽178um线间距300um铜厚70um的设计与设计经验稍有出入（70um铜厚时线宽>200um，见前文），这可能导致PCB制造成本上升。变压器副边需要2或3圈，当放在一层中，线宽分别是1370um和810um。副边的电流分别是3.7A和2.44A，则温升是25℃，再加上原边的温升，这就太高了，所以我们需要2层铜并联，两层铜布相同的3圈然后并联电流密度可以减半。读图2可以得出铜损贡献的温升是6℃，PCB的总温升是21℃，考虑到工作频率是500kHz要加额外的10℃，那么PCB最终的温升是31℃。
PCB设计的最终结构见图5，我们需要至少1层（在表中叫做Track Layer走线层）做线圈的互联。这意味着总层数是9，从制造商的角度就是10层。如此我们把顶层和底层作为走线层，此外两层可以使电流密度减半。这两层的走线通过过孔与内侧的线圈连接，还可以把原边和副边导向PCB的两边。我们通过改变输入的连接（串联或并联）和输出的连接（串联或并联）可以获得4种变比。
PCB的总厚度大约是2.6mm，比1.8mm窗口高度的E-PLT14大太多。E-E14是合适的，但是它的窗口高度是3.6mm，比我们需要的多太多，所以最优解是自定义一个高度小一点的。
我们用热电偶实测了在各个运行条件下的PCB的温升，24-5V的变压器产生了最大的电流密度，我们用此条件下的温升做比较。
首先我们在PCB上分别施加原边电流和副边电流，原边电流1079mA给出了12.5℃的温升，副边2441mA给出了7.5℃的温升，可以料想当两个电流同时施加时，PCB的温升是20℃。我们用同种方法测试了有效电流相同但频率不同的AC电流，500kHz时PCB温升是32℃，其中副边贡献了额外的7摄氏度温升，与逻辑相符，因为副边的线宽更大，会有更大的集肤效应的影响。
最后我们测试了4种变比下的变压器（PCB加E-E14磁芯）的温升，PCB上温升是49℃，磁芯最热处是顶部，有53℃。中间过孔和边缘过孔分别是49℃和51℃温升。
根据计算这个E-E磁芯设计的温升比较严峻，温升最高时53℃略高于50℃的要求，但如果使用自定义的更扁平的E-E磁芯，温升会减小到设计规格以内。
|
层 |
匝数 |
70um铜 |
|
阻焊层 |
50um |
|
|
走线层 |
70um |
|
|
绝缘 |
200um |
|
|
原边绕组 |
7 |
70um |
|
绝缘 |
200um |
|
|
原边绕组 |
7 |
70um |
|
绝缘 |
200um |
|
|
副边绕组 |
3 |
70um |
|
绝缘 |
200um |
|
|
副边绕组 |
2 |
70um |
|
绝缘 |
200um |
|
|
副边绕组 |
2 |
70um |
|
绝缘 |
200um |
|
|
副边绕组 |
3 |
70um |
|
绝缘 |
200um |
|
|
原边绕组 |
7 |
70um |
|
绝缘 |
200um |
|
|
原边绕组 |
7 |
70um |
|
绝缘 |
50um |
|
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走线层 |
70um |
|
|
阻焊层 |
50um |
|
|
合计 |
2600um |
表3. 10层板设计实例
附件1 设计计算时使用的公式
附件2. 平面E-14正激变压器PCB设计
PCB实物图见原文
https://www.ferroxcube.com/en-global/download/download/134/
（完）
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