Power Integrations (PI)在线电源的平面变压器设计

电力电子转换器在电气化功能的趋势中发挥着更大的作用，因为它们不断需要以更便宜的成本、更小的体积和更高的可靠性提供更多的电力。

Power Integrations (PI) 在 PI Expert 中推出了一项新功能，该在线设计工具可根据用户的规格自动生成优化的电源设计。现在可以使用 PI Expert 中的平面磁性构建器创建一个特定于应用的平面变压器设计，其中包含印刷电路板 (PCB) 制造商准备好的文档和 Gerber 文件。最新版本的PI Expert现已支持 PI 的整个 InnoSwitch3 反激式切换器 IC 系列。

“PI Expert 是一种电源设计引擎，”Power Integrations 技术推广总监 Andrew Smith 说。“它不是电路仿真器。它不只是抛出一堆波形和交流和直流模型。它实际上实时执行有针对性的数学计算，以计算出电路中发生了什么。”

该工具选择最佳组件和过滤器，并为相应的布局输出信息，从而为变压器配置输出信息。

电源

近年来，PI引入了GaN器件以降低损耗并提高效率;所谓的 MinE-CAP，它使大容量电容器更小。然后是一个开关来消除钳位损耗。

“基本上，所有这一切的目的都是为了使适配器更小、更轻、更容易携带，”史密斯说。“对于电源工程师来说，这就是快速充电的美妙之处，它突然使电源转换变得重要。下一步是制造最小的适配器或最小的壁式充电器。对于充电设备，平面磁铁可以进一步减小尺寸。”

电力电子转换器中使用了磁性元件，例如用于电力转换的变压器和用于储能的电感器。必须经常考虑磁性元件的设计以最小化电子系统的尺寸。

在优化磁芯的支持下，平面磁体在功率密度和性能方面取得了显着进步。

毫无疑问，平面变压器提供了尺寸更小的反激式电源。PI 声称，新工具可以快速添加先进的薄型变压器。实现的功能提供有关垂直和水平 PCB 结构的全面规范细节，以及迹线特性和电流密度和层电阻等电气数据。

为了符合安全隔离规定，该工具自动集成标准驱动或用户指定的爬电距离和电气间隙距离。用户可以使用图形界面直接从设计文档到制造文档。

该工具接受定制的核心几何形状，并拥有一个庞大的核心和平面组件库，以简化设计。布局由 PI Expert 优化，符合绕组窗口的要求，包括任何层，并修改每个层的几何形状。

平面变压器

平面变压器使用可直接放置在 PCB 上的扁平绕组。正是使用具有绕组窗口形状的轨道的 PCB 来创建平面形状因子。主要优点可归纳如下：

· 低调。它允许小而优雅的设计。

· 高效的热量管理。轮廓意味着更大的表面积，使变压器能够散发更多的热量。

· 可重复性：始终如一的性能，而不会出现绕线设备所见的漏感等参数变化。

平面磁芯为热传导提供更好的热特性，并使设备保持在比绕线等效物更低的温度下。平面磁芯比传统磁芯具有更高的表面积与体积比，并且与环境更有效地交换热量，从而实现了这一点。

与所有设计一样，在将平面变压器集成到电路板布局中时，需要做出妥协。特别是，走线用作绕组，因此必须牢记电流和功耗。高温意味着板上有更多空间。也就是说，轨道宽度方面的不同要求会限制匝数。这一切都取决于在建电源的整体规模。平面变压器要求组件经过标准的 PCB 制造过程。

平面变压器是可以单独使用或合并使用的组件。电路板多层之间的适当介电厚度是需要牢记的一件事。最大电压(由于击穿)和散热速率都取决于所使用的介电材料。它还影响绕组之间的漏磁通。此外，必须限制绕组间电容，以减少绕组之间或靠近变压器线圈的平面之间的电容损耗。因此，有用频率受到电容耦合的限制。

平面磁铁的好处是降低了变压器的高度。此外，由于多层板成本高昂，因此通常会制作平面变压器并将其添加到板上，而不是包含在板本身中(就像某些 DC-DC 平面器件的情况一样)。

平面变压器通常使用 PCB 或带有薄型磁芯的铜箔绕组制成。尽管 PCB 绕组具有显着的工业化优势(可制造性、成本节约、可重复性)，但它具有挑战性，需要专门的工具、技术和工程师的时间来创建多层 PCB 变压器原型。因此，平面组件原型很昂贵，开发起来很困难，并且通常需要专业分包。

“然后可以制造一个非常简单的变压器，但它通常是这种功率密度和电路板尺寸的独立元件，”史密斯说。“对设计师来说，积极的一面是它们的表面积更大，因此散热效果更好。此外，由于所有绕组都锁定到位，因为它们位于电路板上，因此您可以获得非常一致的性能。

“例如，[如果]我想制造一个 50 W 的变压器，这些是我的电压范围，”他补充道。“然后PI Expert会帮你选择所有的要素，比如要转移的磁芯尺寸、绕组数量、上下绕组、EMI屏(绕组)，你可以选择间隙特定的安全标准。例如，如果我想使用欧洲标准之一进行隔离，从输入到输出，PI Expert 会自动包含变压器的隔离和安全距离以符合标准。”

使用 PI Expert，您可以查看各种参数对变压器设计的影响，例如绕组温度、变压器整体温度以及对漏感的影响。这在设计期间提供实时反馈并确保正确的设计。

根据史密斯的说法，就某些参数而言，它非常精确。“对于磁学来说，计算磁通密度非常容易，这种计算没有太大的变化，”他说。“对于其他电路参数，例如初级开关上的电压应力，这些参数取决于许多因素，其中一些与机械结构有关，你会不太精确。鉴于平面磁铁的原型制作成本非常高，重要的是要提供一种第一次就可以正常工作的设计。”

平面变压器为高频开关电源提供了很好的解决方案。这些类型的变压器的使用最近有所增加，因为它们具有减小尺寸的好处。