Traco Power工程师指南：开关电源中的变压器结构对比

为助力工程师伙伴高效推进相关设计，有芯特此整理Traco Power《开关电源中的变压器：传统与平面结构对比》资料，供您参考。本文将带您了解传统变压器的结构特点，深入对比其与平面变压器在高频应用中的关键差异，探讨平面结构的有效设计路径并分享更多散热设计细节，如您有任何产品问题，也欢迎随时联系我们。

平面变压器如何提升高频开关电源的性能

打开一台传统的开关电源，最显眼、体积最大的无源元件通常就是变压器。金属磁芯配上厚重的铜线绕组，让它在电路板上格外“突出”，几乎决定了电源的最小物理尺寸。然而，消费者希望电视要足够轻薄、能够挂在墙上；笔记本电源也要小巧、便携、重量轻。那么，如何才能缩小这块庞大的金属组件呢？

缩小变压器的体积并非易事，我们很快就会看到原因。长期以来，也没有太多动力推动这一改变。基于硅 MOSFET 和 IGBT 的开关电源通常工作在几十千赫兹的范围内，而工作频率直接决定了磁性器件所需的电感量，进而决定了电感和变压器的尺寸。

但这一切正在逐步改变。随着宽禁带（WBG）器件的出现，例如 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓），开关频率正提升到数百千赫兹乃至更高（见图 1），这也推动了对更小型变压器的需求。

图 1：宽禁带器件如 SiC（左）和 GaN（右）能够在电源转换中实现更高的开关速度，但要发挥其优势，相关无源器件也必须随之改变

传统变压器是如何构造的？ 

在优化这些关键元件之前，我们首先需要了解它们的构造方式以及固有的弱点。传统变压器通常由两个紧密耦合的铜绕组和一个金属磁芯组成。交流输入电压施加在初级侧，同频率的信号会在次级侧出现，其电压大小由匝比决定。在理想情况下，次级侧获得的功率应与初级侧输入的功率相同。然而，真正的挑战也正是从这里开始。

在工作过程中，磁性材料内部会产生不必要的涡流，从而导致损耗；同时，磁场的持续变化也会带来一定的磁滞效应。这些因素共同构成磁芯损耗。绕组本身及其电阻则是另一类主要损耗来源，通常称为铜损（见图 2）。这些损耗最终都会转化为热量，需要通过被动或主动散热方式进行处理。

图 2：传统变压器的基本结构示意及其主要损耗来源

然而，随着工作频率的提升，一个新的挑战随之出现。我们通常认为电流会利用导体的整个截面积进行传输，但在高频条件下，情况已不再如此。

随着频率逐渐升高，电流会被“推挤”到导体表面，更多地集中在外缘流动，这就是我们熟知的“集肤效应”（见图 3）。这一现象会有效降低导体的载流能力，从而使导线的等效电阻显著增加，带来更高的损耗和需要额外散热的热量。

这也是为什么电磁炉等应用会采用表面积更大的导线——即绞合漆包线（litz wire）。它由大量绝缘的细铜丝绞合而成，以提升高频条件下的导电性能。

图 3：随着频率升高，受集肤效应影响，电流会集中在导体表面（红色部分）

还有另一类损耗来源。在工作过程中，流经绕组的电流会产生磁场，而这些磁场会影响相邻导体中的电流分布，从而使导线的交流电阻进一步增加。这类由邻近导体磁场相互影响而引发的损耗，被称为“近邻效应”。为应对这一问题，一种称为“交错绕制”（interleaving）的结构方法应运而生，即将次级绕组分布在初级绕组之间（见图 4）。

图 4：通过交错绕制变压器绕组，可有效降低近邻效应所导致的交流电阻

从传统变压器迈向平面变压器

为了克服前面提到的这些挑战，可以对传统变压器的设计进行多项改进，从而减小体积、降低损耗，并更有效地散热。

其中一个关键措施，是在不增加导体截面积的前提下提升其表面积。实现方式是使用扁平化的导体，例如 PCB 或柔性电路板（FPC）上的铜箔走线。从高频特性来看，这种做法十分合理——因为在 200 kHz 下，集肤深度仅约为 146 µm（5.7 mil）。这意味着采用铜箔重量不超过 0.12 g/cm²（4 oz/ft²）即可满足要求。 

这些扁平线圈可以堆叠起来，并在初级与次级之间规律地交错排列，从而有效降低交流电阻，减轻近邻效应的影响。

由此得到的结构更加扁平，且在高频开关电源的应用场景下具备更合适的性能参数。在对比中，平面变压器通常表现出更低的最高工作温度，并能更快达到稳态，这也进一步支持了高功率密度设计的发展趋势。

平面变压器的最终设计会配合选用磁滞损耗更低、适合扁平化结构的磁芯材料（见图 5）。在某些应用中，变压器甚至可以直接成为 PCB 的一部分。

图 5：平面变压器的爆炸示意图（左）及其最终呈现的扁平化结构（右）

平面变压器会成为开关电源的未来吗？

传统变压器显然已无法完全满足现代开关电源的电气性能需求，其庞大的体积也常常影响整体的外观设计。此外，这类元件通常需要定制，并且往往依赖手工制造，进一步推高了成本。

相比之下，平面变压器在高频条件下具备更优异的性能，同时以扁平化结构呈现，能够直接与 PCB 集成，并减轻 EMC 设计难度。与传统变压器相比，其结构能够有效降低近邻效应，并在一定程度上解决集肤效应带来的问题。当然，平面结构也带来新的挑战，例如耦合电容可能引发开关实现上的复杂性，团队也可能需要多轮 PCB 设计迭代才能达到最佳效果。

但总体来看，其优势十分显著。平面变压器不仅节省空间，还能改善系统的热设计，如在一个 70 W 电源转换器的设计中所展示的那样（见图 6）。在层数较少的情况下，其设计也较为简洁，并且通常能够轻松融入自动化生产流程。

图 6：采用平面变压器（左）和传统变压器（右）的两个 70 W 电源转换器对比

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