PCB繞組變壓器是一種利用印刷電路板（PCB）技術(shù)制造的新型變壓器，通過(guò)將繞組集成在PCB的銅層中，替代傳統(tǒng)的繞線工藝，其發(fā)展歷程與電子行業(yè)的高頻化、小型化、集成化需求密切相關(guān)。

為小型化而生的技術(shù)

傳統(tǒng)變壓器通常帶有帶骨架，采用傳統(tǒng)的繞線方式，而PCB繞組變壓器既沒(méi)有骨架，也不需要繞線。

21 世紀(jì)初，PCB制造工藝不斷進(jìn)步，如多層 PCB 技術(shù)、高精度蝕刻技術(shù)的發(fā)展，為 PCB 繞組變壓器的發(fā)展提供了有力支持。當(dāng)時(shí)，工程師基于PCB技術(shù)解決電子設(shè)備布線的思路，將繞組集成到PCB內(nèi)部，再裝上磁芯即可完成變壓器的制造。

東莞倍誠(chéng)信電器有限公司研發(fā)工程師王堯告訴《磁性元件與電源》，“PCB 繞組變壓器應(yīng)該是在 2000 年左右開始慢慢地興起?！?/p>

可以說(shuō)，這就是一項(xiàng)為變壓器小型化而生的技術(shù)。

同時(shí)，磁性材料的性能也不斷提高，使得 PCB 繞組變壓器的性能得到了顯著提升。這一時(shí)期，PCB 繞組變壓器開始在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)電源等。

比如，當(dāng)年Delta公司的DC-DC模塊就采用過(guò)這種PCB繞組變壓器。

PCB繞組變壓器，圖片來(lái)源：慧華

PCB繞組變壓器的優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)變壓器，PCB繞組變壓器有著諸多優(yōu)勢(shì)。

減少生產(chǎn)工序。PCB 繞組變壓器減少了剝漆、繞線、套管、點(diǎn)膠、烘烤等諸多工序，不僅成本優(yōu)勢(shì)顯著，而且結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔。

提高變壓器功率密度。相同功率下，PCB繞組變壓器能保持更小的體積，在性能與成本上展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

王堯提到，相比傳統(tǒng)變壓器，同樣體積下PCB繞組變壓器功率可以提升50%以上。

提高變壓器效率。王堯表示，傳統(tǒng)變壓器效率最高只能做到92%，而PCB 繞組變壓器可以做到 95% 以上，疊片平板變壓器可以做到 98% 以上。

降低變壓器高度。在降低變壓器高度方面，PCB繞組變壓器表現(xiàn)優(yōu)異。國(guó)家級(jí)電氣工程高級(jí)工程師、惠州市磁極新能源科技有限公司（簡(jiǎn)稱“磁極新能源”）研發(fā)總經(jīng)理海來(lái)布曲告訴《磁性元件與電源》，“對(duì)比原來(lái)的繞組方案，變壓器高度可大大降低。我們有一款PCB變壓器產(chǎn)品，通過(guò)采用PCB繞組方案，其高度從10mm降至了5mm以下。”

一致性強(qiáng)。PCB繞組變壓器工藝公差可控在±5%以內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于人工繞線的±20%公差。

PCB繞組變壓器通過(guò)工藝革新實(shí)現(xiàn)了多維突破，其核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在制造、性能與結(jié)構(gòu)三大維度。這些技術(shù)特質(zhì)使其在工業(yè)、醫(yī)療等高可靠性領(lǐng)域形成不可替代的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為電子設(shè)備小型化與高頻化演進(jìn)提供了關(guān)鍵支撐。

PCB繞組變壓器的應(yīng)用場(chǎng)景

性能和體積上的優(yōu)勢(shì)，也讓PCB繞組變壓器此后逐漸嶄露頭角。

新能源汽車與充電設(shè)施。這種產(chǎn)品最早出現(xiàn)在汽車領(lǐng)域，據(jù)王堯介紹，“汽車作為大宗消耗品，附加值較高，使得整機(jī)企業(yè)能夠投入更多研發(fā)資金用于推動(dòng)產(chǎn)品升級(jí)。因此，這類產(chǎn)品最早便應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。”

新能源汽車因空間限制，同樣需高度集成的磁性元件，而PCB繞組變壓器可顯著減少體積。

比如當(dāng)下雙向車載OBC比較典型的做法是從高壓側(cè)和低壓側(cè)取電，以此為整個(gè)控制器電路供電，變壓器已成為制約電機(jī)控制器高度的關(guān)鍵因素。

杭州普晶電子科技有限公司基于這一痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款最低高度為7 mm的磁集成PCB繞組變壓器產(chǎn)品，并已著手設(shè)計(jì)更低高度的變壓器方案。

磁集成PCB繞組變壓器產(chǎn)品，圖片來(lái)源：普晶電子

磁集成PCB繞組變壓器產(chǎn)品，圖片來(lái)源：普晶電子

通信電源。后來(lái)，華為、中興在基站電源中也開始逐步采用這種PCB繞組變壓器，利用PCB繞組變壓器的高頻特性與低損耗優(yōu)勢(shì)優(yōu)化電源模塊性能，滿足高頻化需求。

通信電源需滿足低電壓大電流、高效穩(wěn)壓、散熱管理及高可靠性等嚴(yán)苛要求，PCB繞組變壓器通過(guò)多層PCB布局、高頻磁芯材料及集成化設(shè)計(jì)，可顯著縮小體積、降低傳導(dǎo)損耗，并提升散熱效率，成為解決上述問(wèn)題的理想選擇。

例如針對(duì)大電流需求（如20A以上），采用多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)相位交錯(cuò)減少紋波電流，通過(guò)多個(gè)控制器并聯(lián)實(shí)現(xiàn)高電流輸出，PCB繞組變壓器在此類設(shè)計(jì)中提供緊湊的磁集成解決方案。

光伏與儲(chǔ)能逆變器。高頻、高功率密度的PCB繞組設(shè)計(jì)適配光伏與儲(chǔ)能逆變器，優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換效率，并滿足耐高溫、高耐壓等要求。

比如深圳市永創(chuàng)星科技有限公司開發(fā)的超薄平面變壓器，結(jié)合了初級(jí)印刷PCB、次級(jí)銅箔塑膠封裝等兩種不同工藝，形成的線圈可通過(guò)更大的電流，可有效解決傳統(tǒng)繞線變壓器制造工藝的難題，符合光伏逆變器對(duì)低壓大電流元器件產(chǎn)品的需求。

消費(fèi)電子與便攜設(shè)備。如華為65W氮化鎵快充等小功率產(chǎn)品，采用PCB繞組方案以提升功率密度并縮小體積，滿足便攜設(shè)備對(duì)輕薄短小的需求。

工業(yè)自動(dòng)化與電力設(shè)備。海來(lái)布曲此前曾提到過(guò)軌道交通的輔助變壓器應(yīng)用案例，需耐受15000V高壓，需采用特殊絕緣材料的PCB板實(shí)現(xiàn)。

尤其是在母線式低壓電源上，PCB繞組變壓器憑借其體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等多方面的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用逐步成熟。

而據(jù)王堯還告訴《磁性元件與電源》，“PCB繞組變壓器在工業(yè)、醫(yī)療、軍工領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)檫@些場(chǎng)景可靠性要求比較高?！?/p>

PCB 繞組變壓器憑借性能與體積優(yōu)勢(shì)，從汽車領(lǐng)域起步。汽車行業(yè)高附加值驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品升級(jí)，使其率先應(yīng)用于此。此后，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，在基站電源、工業(yè)、消費(fèi)電子等場(chǎng)景發(fā)揮作用；在母線式低壓電源中，其優(yōu)勢(shì)凸顯，在小功率段產(chǎn)品中也有應(yīng)用。

海來(lái)布曲也提到，這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要用于輔助變壓器、小電流電感產(chǎn)品，應(yīng)用于化成電源、手機(jī)充電器等小功率段產(chǎn)品。

目前，PCB繞組變壓器主要市場(chǎng)應(yīng)分為消費(fèi)電子、新能源汽車、可再生能源、工業(yè)自動(dòng)化和通信電源這五個(gè)大類。

一些公開數(shù)據(jù)顯示，2022年P(guān)CB變壓器市場(chǎng)規(guī)模為31億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到57億美元，受益于電動(dòng)汽車、可再生能源及消費(fèi)電子的持續(xù)需求，預(yù)計(jì)從2025年到2030年，其復(fù)合年增長(zhǎng)率為8.1%。

PCB繞組變壓器的挑戰(zhàn)

不過(guò)，PCB繞組變壓器也有其局限性。

一般而言，PCB板銅箔厚度要求在2-5oz（盎司），這也就限制了PCB繞組變壓器的功率上限和散熱能力，其單顆PCB繞組變壓器或者說(shuō)單層板的功率上限約200W，100W以上的應(yīng)用需集成散熱孔或金屬基板。

但這就會(huì)增加PCB繞組的制作成本。一般工業(yè)和醫(yī)療多采用 FR4 環(huán)氧板，比如一些高端精密工業(yè)設(shè)備及航空航天則可能使用鋁基板，成本要至少要翻一番。

加上其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，導(dǎo)致PCB繞組變壓器也無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜磁路的應(yīng)用。

業(yè)內(nèi)一位工程師Enargy告訴《磁性元件與電源》，這種產(chǎn)品20年前就曾在3000W電源上大批量生產(chǎn)過(guò)，由于沒(méi)有達(dá)到理想的減小體積、降低成本等目標(biāo)，且無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜磁路的應(yīng)用，故后續(xù)迭代版本逐漸被舍棄。

也正是由于PCB繞組變壓器存在功率和散熱局限性，如果功率進(jìn)一步提高，考慮到散熱問(wèn)題，就不能再用PCB繞組的形式。

為突破PCB繞組變壓器的功率限制，2005年左右業(yè)內(nèi)開發(fā)出PCB技術(shù)的升級(jí)版本——改用疊片的形式，用銅片一層一層疊起來(lái)，也就是現(xiàn)在我們所說(shuō)的平面變壓器，從而可以實(shí)現(xiàn)更大的功率。

近兩年，隨著磁集成技術(shù)逐步滲透到大功率模塊電源場(chǎng)景，PCB繞組變壓器也再度引起工程師的重視。

我們注意到，目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)一種PCB板+繞組/線餅結(jié)構(gòu)的新式磁集成PCB繞組變壓器。

一種新形式的PCB繞組變壓器，圖片來(lái)源：慧華

據(jù)提供圖片的平面變壓器劉工介紹，這是一款集成了變壓器與電感的磁集成產(chǎn)品。

類似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)有很多變壓器企業(yè)在生產(chǎn)。

相比于繞組的磁集成變壓器，這種產(chǎn)品體積更小巧，而且通過(guò)PCB板+線圈的形式，也可在一定程度上解決繞組式磁集成變壓器自動(dòng)化繞線難度增加的問(wèn)題。

據(jù)王堯介紹，目前平面變壓器在實(shí)際應(yīng)用中的占比估計(jì)在50%左右，未來(lái)其占比可能會(huì)進(jìn)一步提高至70%左右。

PCB繞組未來(lái)的應(yīng)用潛力

有一點(diǎn)值得注意的是，PCB繞組變壓器高頻性能卓越，這一點(diǎn)無(wú)疑契合了第三代半導(dǎo)體器件的普及應(yīng)用，可幫助磁性元件解決兆赫茲頻率下的高頻損耗問(wèn)題。

PCB繞組變壓器支持1-10MHz開關(guān)頻率，效率可達(dá)95%以上，傳統(tǒng)繞線變壓器通常限于100kHz以下。

比如華為5G基站電源，AAU電源模塊就是通過(guò)PCB繞組變壓器實(shí)現(xiàn)MHz級(jí)隔離轉(zhuǎn)換。

而近兩年一些新型材料的出現(xiàn)，將進(jìn)一步放大PCB繞組變壓器的高頻特性。

比如碳?xì)錁渲?陶瓷填充材料可實(shí)現(xiàn)GHz級(jí)射頻變壓器，納米晶復(fù)合材料可將高頻損耗降低30%等等，都為PCB繞組變壓器在高頻場(chǎng)景的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，更多高頻低損耗的PCB繞組變壓器則有待業(yè)界工程師進(jìn)一步挖掘。

結(jié)語(yǔ)

PCB繞組變壓器通過(guò)工藝革新與材料突破，正在改寫電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則。盡管面臨功率與成本限制，但其在高頻、小型化場(chǎng)景的不可替代性已充分顯現(xiàn)。隨著寬禁帶半導(dǎo)體（GaN/SiC）的普及，PCB繞組技術(shù)有望成為下一代高效能源系統(tǒng)的核心支柱。

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審核編輯 黃宇