來(lái)源：納芯微電子

摘要

本應(yīng)用筆記基于NSIP3266全橋驅(qū)動(dòng)芯片，提出了一套完整的平面變壓器設(shè)計(jì)方法，該方法創(chuàng)新性地改進(jìn)了傳統(tǒng)AP法，突出平面變壓器磁芯窗口橫向?qū)挾鹊暮诵牡匚?，通過(guò)15V轉(zhuǎn)24V/4W/200kHz的隔離電源實(shí)例，全面展示了從磁芯選型、參數(shù)計(jì)算到PCB設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證的全流程。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方案在實(shí)現(xiàn)81.4%滿載效率、±5%負(fù)載調(diào)整率的優(yōu)異電氣性能的同時(shí)，其全橋拓?fù)涞膶?duì)稱驅(qū)動(dòng)特性有效抑制了直流偏磁，并且對(duì)平面變壓器批量生產(chǎn)中存在的工藝偏差展現(xiàn)出強(qiáng)容錯(cuò)性，最終溫升僅30℃。

該方案充分發(fā)揮了平面變壓器的高頻、低剖面優(yōu)勢(shì)，與NSIP3266的寬頻調(diào)節(jié)（100kHz-1MHz）能力深度協(xié)同，為新能源汽車、工業(yè)驅(qū)動(dòng)等高端領(lǐng)域的高功率密度、高可靠性電源應(yīng)用提供了經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的技術(shù)路徑。

1. NSIP3266的隔離電源應(yīng)用實(shí)例

1.1 NSIP3266的優(yōu)勢(shì)

在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是決定系統(tǒng)性能、成本和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)工程師面臨高頻、高功率密度應(yīng)用需求時(shí)，往往需要在多種技術(shù)路徑中做出權(quán)衡。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比如表1.1所示，NSIP3266采用的全橋拓?fù)渚哂酗@著優(yōu)勢(shì)。

表1.1 不同拓?fù)涞膬?yōu)劣勢(shì)

NSIP3266采用全橋拓?fù)浼軜?gòu)，與平面變壓器結(jié)合構(gòu)成了一個(gè)在電氣性能、熱管理和量產(chǎn)魯棒性上均表現(xiàn)優(yōu)異的系統(tǒng)級(jí)解決方案。

其核心優(yōu)勢(shì)在于，全橋的對(duì)稱電壓驅(qū)動(dòng)能有效抑制直流偏磁，天然適配平面變壓器易實(shí)現(xiàn)的低漏感與良好對(duì)稱性，從而在根源上優(yōu)化EMI性能與磁芯利用率。支持100kHz-1MHz的寬頻調(diào)節(jié)能力，使得設(shè)計(jì)可與平面變壓器特定的層疊結(jié)構(gòu)與寄生參數(shù)（如低分布電容）深度協(xié)同，實(shí)現(xiàn)高頻下的高效率與高功率密度。

此外，該拓?fù)鋵?duì)變壓器參數(shù)（如匝比、漏感）的敏感性較低，賦予了方案強(qiáng)大的工藝容差能力，能顯著吸收平面變壓器在批量生產(chǎn)中難以避免的PCB層壓、對(duì)位及繞組一致性等微小偏差，從而在確保高性能的同時(shí)，大幅提升了量產(chǎn)良率與長(zhǎng)期可靠性。

因此，該方案特別適用于對(duì)效率、功率密度、EMC及可靠性有嚴(yán)苛要求的新能源汽車、工業(yè)驅(qū)動(dòng)等高端領(lǐng)域。

1.2 隔離電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

NSIP3266廣泛應(yīng)用于IGBT、Si MOS、SiC MOS等開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)供電場(chǎng)景。本設(shè)計(jì)采用15V轉(zhuǎn)24V的隔離電源方案，24V輸出通過(guò)LDO轉(zhuǎn)換為正負(fù)電壓，確保開關(guān)管的穩(wěn)定導(dǎo)通與關(guān)斷。

該設(shè)計(jì)方案中，變壓器原邊由NSIP3266驅(qū)動(dòng)，副邊采用無(wú)源半橋整流結(jié)構(gòu)。這種拓?fù)淠茉谙嗤斎胼敵鰲l件下，有效減少副邊線圈匝數(shù)，優(yōu)化平面變壓器的設(shè)計(jì)空間。

圖1.2 實(shí)例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 隔離電源設(shè)計(jì)參數(shù)

本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵電氣參數(shù)如下表所示，這些參數(shù)為后續(xù)的變壓器設(shè)計(jì)提供了明確的目標(biāo)和約束條件。

表1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.平面變壓器磁芯選型與參數(shù)計(jì)算

2.1.平面變壓器匝比近似計(jì)算

計(jì)算變壓器匝比，首先需要確認(rèn)滿載時(shí)變壓器原邊電壓Vp與副邊電壓Vs，以保證在滿載條件下也能輸出目標(biāo)電壓24V。變壓器原邊電壓主要考慮NSIP3266內(nèi)部MOS壓降，上下管的總導(dǎo)通阻抗Rdson最大約1.8Ω。

計(jì)算額定工況下的平均輸入電流Iin，

上下管總壓Vds_all降近似為

輸入電壓15V，變壓器原邊電壓近似為

變壓器副邊電壓主要考慮副邊整流管二極管壓降，二極管選型要基于實(shí)際應(yīng)用情況，如果更注重整體效率，需選擇正向?qū)▔航敌〉亩O管，比如肖特基二極管MBRS140T3G；如果更注重負(fù)載調(diào)整率，要選擇結(jié)電容較小二極管，以防止輕載下二極管結(jié)電容和漏感諧振導(dǎo)致輸出電壓較高，比如快恢復(fù)二極管S1A。此處以MBRS140T3G為例，二極管最大壓降VPN為0.6V，變壓器副邊電壓近
似為

因此，變壓器原副邊匝比n近似為

2.2.平面變壓器磁芯選型方法

通常變壓器磁芯選型使用AP法?面積乘積法，主要涉及到磁芯的兩個(gè)參數(shù)，分別為磁芯有效截面積Ae和窗口面積Wa。如圖2.1所示，Ae=C x E（mm2），Wa = D x 2F（mm2）。

圖2.1 U型磁芯示意圖

變壓器的功率處理能力和面積積Ap的關(guān)系可以推導(dǎo)如下，以公制單位表示法拉第定律為

式中，Kf= 4.0，對(duì)方波；Kf= 4.44，對(duì)正弦波；N為線圈匝數(shù)；Bm為磁芯最大磁密。當(dāng)變壓器的繞組窗口面積被完全利用時(shí)

式中，Ku為窗口利用率；Np為變壓器原邊匝數(shù)；Awp為原邊繞線截面積；Ns
為變壓器副邊匝數(shù)；Aws為副邊繞線截面積。導(dǎo)線截面積可表示為：

式中，J為導(dǎo)線電流密度；Ip≈ Iin為變壓器原邊電流有效值；I s為變壓器副邊電流有效值，由于副邊為半橋整流，I s≈ 2Iout。將式(6)、(8)帶入到式(7)中，

因此，可以得出：

但在平面變壓器中，線圈是繞在PCB中，磁芯窗口的垂直方向2F利用率很低，主要受PCB層數(shù)和板厚的限值，且磁芯垂直方向一般可靈活調(diào)整。因此，在平面變壓器磁芯的選型中，窗口面積Wa主要關(guān)注橫向長(zhǎng)度D，其決定了能夠畫多少圈線圈。

針對(duì)平面變壓器的特點(diǎn)，提出改進(jìn)的AP法計(jì)算公式，重點(diǎn)關(guān)注磁芯橫向?qū)挾菵這一關(guān)鍵參數(shù)，它直接決定了PCB布線的可行性。

式中，Kd為橫向長(zhǎng)度利用率，通常為0.5左右；Wp和Ws分別為原副邊走線寬度，單位為mm；Nlp和Nls分別為原副邊線圈布線層數(shù)。上式中取最大值，是因?yàn)樵谄矫孀儔浩髦?，原副邊線圈一般為疊放，磁芯窗口的橫向?qū)挾纫ＷC能夠滿足最大寬度的布線要求。

重新定義調(diào)整后的AP法，

其中，原副邊的線寬可通過(guò)如下公式計(jì)算，

式中，K為修正系數(shù)，一般銅線在內(nèi)層時(shí)取 0.024，在外層時(shí)取 0.048；?T為允許的PCB溫升；Wcu和Hcu分別為走線寬度和厚度，單位為mil。

2.3.實(shí)例磁芯選型

該案例的平面變壓器，PCB為六層板，中間四層走線，原副邊各走兩層，頂層和底層做絕緣，鋪銅厚度為1oz，PCB允許溫升為10℃，選擇MnZn鐵氧體，一般最大磁密Bm設(shè)計(jì)為0.25T。

將原副邊電流帶入式(13)，為了有足夠的裕量，電流取實(shí)際電流的2倍，可計(jì)算得

實(shí)際原副邊線圈寬度取值分別為

將式(15)帶入到式(12)中，可得

基于上述計(jì)算，選擇的U型磁芯參數(shù)如下，

表2.1 U型磁芯參數(shù)

2.4.平面變壓器參數(shù)計(jì)算

根據(jù)式(6)可以確認(rèn)變壓器匝數(shù)，式中Bm = 0.25T，V = Vp ≈ 14.4V，f=200kHz，計(jì)算得原邊最小匝數(shù)，

原邊匝數(shù)向上取整，Np = 8，基于匝比計(jì)算副邊匝數(shù)，Ns= 7。計(jì)算實(shí)際變壓器磁芯磁通密度峰值，

基于選定的磁芯和磁芯粘合后的等效氣隙lg可以近似計(jì)算出等效磁導(dǎo)率μe和每匝線圈的電感值A(chǔ)L，一般磁芯粘合會(huì)選擇摻有磁粉的膠水，并研磨，等效氣隙lg較小，約為5μm，

計(jì)算原副邊電感值，

勵(lì)磁電流變化量?Im 和峰值Impeak 計(jì)算，

原邊阻抗近似計(jì)算，

式中，Kac為交流阻抗校正系數(shù)，取值1.5；l w為平均等效周長(zhǎng)，近似為2(E+D+C+D)，實(shí)際長(zhǎng)度取決于布線方式。

3.平面變壓器設(shè)計(jì)與仿真

3.1.PCB設(shè)計(jì)

基于上述磁芯選型與參數(shù)計(jì)算，平面變壓器進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：PCB使用6層板，銅厚1oz，總厚度約1.6mm，中間四層走線，原邊在4、5層，每層4匝線圈，線寬為20mil，銅厚1oz；副邊在2、3層，2層4匝，3層3匝，線寬為20mil。層間線間距設(shè)計(jì)為8mil，原副邊線圈距離磁芯大于0.6mm
（需基于實(shí)際耐壓需求設(shè)計(jì)，不同板材耐壓值不同）。為了節(jié)約陳本，不使用盲孔設(shè)計(jì)，原副邊通孔到相對(duì)應(yīng)線圈距離3mm以上（需基于實(shí)際耐壓與爬電需求設(shè)計(jì)，不同板材耐壓值不同）。實(shí)際繪制變壓器的PCB如圖3.1。

圖3.1 平面變壓器PCB設(shè)計(jì)圖

3.2.平面變壓器仿真

根據(jù)平面變壓器的PCB設(shè)計(jì)，在仿真軟件中仿真變壓器的電氣參數(shù)，仿真模型如圖3.2所示，其中棕色實(shí)體為磁芯，淺綠色透明體為FR4板材，材料參數(shù)基于實(shí)際選型確認(rèn)，最終仿真參數(shù)見表3.1。

圖3.2 平面變壓器仿真模型

表3.1 平面變壓器參數(shù)對(duì)比

4.Demo測(cè)試結(jié)果

4.1.負(fù)載調(diào)整率和效率測(cè)試

Demo的負(fù)載調(diào)整率和效率測(cè)試結(jié)果如圖4.1，由于是開環(huán)設(shè)計(jì)，隨著負(fù)載的增加，輸出電壓有所下降，輸出功率從滿載的10%增加到90%，輸出電壓下降約2V，負(fù)載調(diào)整率小于±5%；滿載效率81.4%，滿足目標(biāo)要求。

圖4.1 負(fù)載調(diào)整率和效率測(cè)試結(jié)果

4.2.電性能測(cè)試

空載和滿載的啟機(jī)波形如圖4.2所示，輸入電容為兩個(gè)10μF和一個(gè)0.1μF并聯(lián)，輸出電容為一個(gè)10μF和一個(gè)0.1μF并聯(lián)。啟機(jī)會(huì)有個(gè)軟啟動(dòng)階段，該階段內(nèi)電流最大值被限制在600mA左右，以防止啟機(jī)有較大的電流沖擊。

圖4.2 啟機(jī)波形測(cè)試結(jié)果

空載和滿載的輸入輸出紋波如圖4.3所示，輸入端電壓紋波都比較小，30mV左右；輸出電壓紋波在滿載時(shí)相對(duì)較大，約87mV，在輸出電壓的0.5%以內(nèi)。

4.3.平面變壓器的電壓和電流波形測(cè)試

分別測(cè)試了空載和滿載時(shí)的變壓器電壓和電流波形，如圖4.4所示?？蛰d時(shí)，變壓器電流主要為勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流變化量約為575mA，未發(fā)生磁飽和現(xiàn)象；滿載時(shí)，未觀察到有磁偏現(xiàn)象，電壓和電流波形都很對(duì)稱。

圖4.3 輸入輸出紋波測(cè)試波形

圖4.4 空載和滿載時(shí)的變壓器電流波形

4.4.平面變壓器溫升測(cè)試

常溫25℃下，滿載運(yùn)行30min，測(cè)量變壓器溫度，如圖4.5所示，其中平面變壓器溫度最高，溫度升高約30℃，NSIP3266的溫升低于平面變壓器。

圖4.5 平面變壓器溫度測(cè)試

5.總結(jié)

本文僅提供一種平面變壓器的磁芯選型方式和參數(shù)近似計(jì)算方法，及供參考，實(shí)際應(yīng)用中要基于實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整與多次迭代，最終確認(rèn)磁芯選型和變壓器設(shè)計(jì)，主要考慮一下方向：

1.平面變壓器的絕緣設(shè)計(jì)必須優(yōu)先考慮安規(guī)要求，原副邊線圈間距、過(guò)孔間距以及線圈與磁芯間距都需要基于實(shí)際采用的PCB板材耐壓等級(jí)進(jìn)行精確計(jì)算。

2.磁芯窗口橫向長(zhǎng)度D的實(shí)際利用率Kd存在較大波動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)留充足的安全裕度。此外，還需綜合考慮層間介質(zhì)厚度、阻焊層厚度等三維絕緣因素，確保在任何工作條件下都能滿足絕緣耐壓要求；

3.勵(lì)磁電流的設(shè)計(jì)需要根據(jù)應(yīng)用功率等級(jí)采取差異化策略。在大功率應(yīng)用中，勵(lì)磁電流應(yīng)嚴(yán)格控制在額定電流的20%以內(nèi)，以保證系統(tǒng)工作效率。而對(duì)于小功率電源如本文的4W案例，重點(diǎn)在于防止磁芯飽和，對(duì)勵(lì)磁電流的限制可以適當(dāng)放寬；

4.高頻工作時(shí)的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)需要特別關(guān)注，通過(guò)合理選擇線寬和厚度來(lái)降低高頻渦流損耗。設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)該是一個(gè)參數(shù)迭代優(yōu)化的過(guò)程，通過(guò)仿真-實(shí)測(cè)-調(diào)整的循環(huán)逐步完善變壓器參數(shù)。

納芯微電子（簡(jiǎn)稱納芯微，科創(chuàng)板股票代碼：688052；香港聯(lián)交所股票代碼：02676.HK）是高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片公司。自2013年成立以來(lái)，公司聚焦傳感器、信號(hào)鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業(yè)、信息通訊及消費(fèi)電子等領(lǐng)域提供豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案。

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