基于PExprt软件的平面型印制板变压器设计

邓先明， 张安康， 郑 康， 贾 震， 刘晓文

（中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州221116）

0 引 言

随着开关电源的发展，对变压器的要求也越来越严格［1］。平面型PCB变压器因其磁芯轮廓低、良好的散热性和低漏感等优点，在高频率、高功率密度的开关电源中得到了广泛的应用［2-3］。作为电源的重要组成部分，变压器的性能直接决定了信号的输出质量［4］。在高频时，平面型PCB变压器受到集肤效应和邻近效应等影响，将导致变压器的损耗增大，并降低开关电源的效率［5］。因此在设计PCB变压器时，需要考虑高频效应的影响。传统绕线式变压器的设计方法常用的有面积乘积（AP）法和磁芯几何参数（Kg）法，虽然这两种方法都是基于电气参数来设计的［6］，但很难精确计算各种高频效应对变压器功耗的具体影响，不适用于平面型PCB 变压器的设计［7］。因此，针对上述问题，采用ANSYS公司的一款专门针对电力电子变压器和电感器设计的仿真软件——PExprt（Power Electronics Expert），并利用该软件设计了一款反激式的PCB变压器，根据仿真分析高频效应对变压器功耗的影响，选择损耗最小的设计方案，制作实物。最后，通过对PCB变压器实物测试验证仿真的准确性。

1 基于PExprt软件的变压器设计步骤

PExprt软件是一种将设计解决方案、分析和仿真集成到单一环境的软件，并按照用户输入的规格要求，自动运行数百种“what-if”假定方案的软件。PExprt设计磁性元件的主要步骤。

（1）创建新的工程文件。打开PExprt 软件，创建新的工程文件，进入到磁性元件类型选择窗口。

（2）选择磁性元件类型。PExprt的磁性元件类型选择窗口有电感、变压器、耦合电感和反击拓扑四种类型，具体包括基于波形的电感、基于Buck拓扑的电感、基于Boost拓扑的电感、基于半桥拓扑的变压器、基于全桥拓扑的变压器和基于反激拓扑的变压器等12 种磁性元件设计选项。这里设计一种基于反击拓扑的变压器，选择软件中对应的选项，即可进入到软件设计界面。PExprt设计界面分为：输入／输出数据区域、元件信息区域、元件库区域和图表信息区域。输入／输出数据区域和元件库区域为主要的设计区，元件信息区域和图表信息区域主要为磁性元件相关参数的观察区。输入／输出数据区域包括Waveform 设计栏、Design Input设计栏和Modeling Option设计栏，主要对磁性元件性能和模型方法的选择。

（3）选择Waveform 设计栏。填写磁性元件设计的性能指标。根据变压器设计性能参数，在Waveform设计栏中填写输入电压、输出电压、频率、功率和纹波电流等参数，对应的输出电流、占空比和原边平均电流就会自动计算出来。

（4）选择Design Input设计栏，确定磁性元件设计的构造参数。Design Input 设计栏的构造参数包括设定磁性元件的有无气隙、绕组间距、绝缘厚度、磁芯类型和限定值等参数设定。

（5）选择Modeling Option 设计栏，选择模型设计方式。Modeling Option设计栏主要用于选择变压器绕组和磁芯损耗的计算方法，使用该软件可以考虑到绕组的集肤效应和邻近效应。

（6）在元件库区域中选择磁芯类别、磁芯尺寸、磁芯骨架和绕组线型。针对平面变压器和环形磁芯则可以省去骨架的选择。元件库区域集成了AVX、Epcos、Ferroxcube、Magnetics和TDK等国际公司的磁芯、骨架和导线的标准库，用户可以根据实际情况，对磁性元件选择和修改。

（7）PExprt自设计程序。PExprt可在数分钟内输出一个易于解读的设计选项表，设计者可以选择合适的设计方案，观察此方案中磁芯损耗、绕组损耗、磁通密度、直流阻抗、交流阻抗、电感量、漏感和温升等参数［8］，并调用PExprt的有限元分析来获得更为详细的结果。此外，设计人员还可以配合Simplorer、PSpice和Saber等电路仿真软件进行全面的模拟，了解所设计磁性元件在特定环境内的表现。

2 平面型PCB变压器设计与分析

2.1 单端反激变换器原理

单端反激变换器是开关变换器中一种基本的拓扑结构，在实际应用中比较广泛［9］。单端反激变换器的拓扑结构如图1 所示。

图1 单端反激变换器的拓扑结构

图中：Ui为输入电压；Uo为输出电压；io为输出电流；S为开关管；T 为反激变压器；i1为流过变压器原边绕组的电流；i2为流过变压器副边绕组的电流；D为续流二极管；C为输出滤波电容；R为负载电阻。设开关周期为Ts，开关管导通时间Ton，则开关频率f＝1 ／ Ts，占空比d ＝Ton／ Ts。

当开关管S导通时，变压器原边施加正向电压，副边感应出反向电压，续流二极管D 承受反向偏置电压而截止，流过原边的电流i1线性增加，并将能量储存在原边绕组中，此时，负载由输出滤波电容供电；当开关管S 断开时，原边电流i1降为零，副边续流二极管导通，能量从原边传递到副边，此时，电流i2流过副边并线性减小。当i2减小到io之前，电感电流一部分给负载供电，另一部分给电容充电；当i2＜io后，电容进入放电状态，负载由电感和电容共同供电，以维持输出电压和输出电流不变。

反激变压器作为反激变换器主要元器件，其性能好坏直接影响到反激开关电源的输出性能。因此，反激变压器的设计方法显得尤为重要。

2.2 反激式PCB变压器的电磁参数设计

单端反激变换器主要应用于高电压、小功率的开关电源中，反激变压器是单端反激变换器中体积占比较大的元件，采用PCB变压器有助于开关电源的小型化轻量化［10］。单端反激变换器的主要技术参数如下：输入电压Ui＝20 ～50 V，输出电压Uo＝12 V，额定输出功率Po＝24 W，开关频率f ＝200 kHz，效率η ＝80%，匝比n ＝2。

使用PExprt 软件设计变压器不需要事先确定磁通密度的大小和匝比，为了方便后续研究绕组交错对变压器的影响，这里原副边匝比给定2。在反激变换器的主要技术参数给定的基础上，只需计算原边绕组电流纹波大小即可。在反激变换器中，等效的平均电感电流就是开关斜坡电流的中间值，如果考虑电源效率，则平均电感电流为［11］

式中：d为开关电源的占空比，在设计初始阶段将其设为0． 5，将其代入式（1）中，可以大致估算出平均电感电流。设计电流纹波为± 20%（也就是r ＝0． 4）。故原边绕组电流纹波为

在PExprt软件中选择基于反激变换的变压器设计类型，进入到软件设计界面。将反激变换器的主要技术参数输入到Waveform设计栏，其显示界面如图2所示。

图2 Waveform设计栏界面

当Waveform设计栏中的参数输入完毕后，变压器对应的输出电流、负载、电感和占空比等相应参数就自动计算出来。从图2 可知，反激变换器的占空比为54． 55%，变压器的原边电感值为54． 55 μH。

Design Input 设计栏的界面如图3 所示。Design Input设计栏主要是变压器构造参数的选定，包括有无气隙、绕组间距、绝缘厚度、磁芯类型和限定值等参数设定。本次设计的磁芯选用平面部件。绕组是印制在电路板上，常见印制板的厚度有0． 4、0． 6、0． 8、1、1． 2、1． 6 和2 mm。考虑到成本和损耗，采用厚度为0． 6 mm的印制板，层内绕组间距为0． 15 mm［12］。在反激变压器设计时，一般都要在磁路中开气隙，其目的是改变铁心磁滞回线的斜率，使变压器能够承受大的脉冲电流冲击，而不至于磁芯进入饱和非线性状态，磁路中气隙处于高磁阻状态，在磁路中产生漏磁远大于完全闭合磁路，使磁芯工作在更大的功率状态下。为了减小杂散磁通，将磁芯气隙位置选在磁芯中柱。

图3 Design Input设计栏

Modeling Option设计栏如图4 所示，其主要用于选择变压器绕组和磁芯损耗的计算方法，在该软件中可以考虑到绕组的集肤效应和邻近效应。目前，磁芯损耗常用的方法有Steinmetz 和Jiles-Atherton 磁滞模型方法。Jiles-Atherton磁滞模型计算磁芯损耗比较复杂，但是计算结果精确。当使用该软件时，可以使用Jiles-Atherton磁滞模型而不用担心计算的复杂度。

输入／输出数据区域的相关参数设计完毕后，就可以进行磁芯和绕线的选择。采用PC40 材料的平面EE22型磁芯，其结构如图5 所示。变压器绕线为一系列厚度为35 μm、宽度可变的的矩形导线，由软件选择合适大小的导线进行绕组设计。

图4 “Modeling Option”设计栏

图5 平面EE22型磁芯（mm）

当所有参数基本设定完毕后，就可以运行软件设计程序，得到符合设计要求的一系列方案。表1 给出根据功率损耗大小选取的部分变压器设计方案。

2.3 反激式PCB变压器的性能分析和优化设计

PCB变压器的设计是否合理取决于其温升是否合理，通常，变压器允许温升小于百摄氏度［13］，显然表1 的设计方案都符合要求。结合功率损耗和窗口利用率，方案1 损耗最小，窗口利用率较好。选取方案1 进行性能分析和优化设计，方案1 中变压器的各项性能指标如图6 所示。

表1 部分变压器设计方案

图6 设计变压器的各项性能

从图6 可知，该部分包括损耗、绕组参数、磁通密度和温升等性能指标。损耗包括了磁芯损耗和绕组损耗，其中绕组的交流损耗和直流损耗是分别给出的。PC40 磁芯材料的饱和磁通密度为390 mT，设计方案中变压器磁芯的磁通密度最大为234． 51 mT，变压器的磁芯稳态工作区域远离饱和区附近，保证变压器可靠稳定运行。

磁芯损耗结果是通过Jiles-Atherton磁滞模型方法计算，点击图中磁芯损耗的值，能够看到Steinmetz 和Jiles-Atherton磁滞模型方法的结果，如图7 所示。

从图7 可知，采用Steinmetz损耗计算方法的变压器损耗为50． 181 mW，而采用Jiles-Atherton 损耗计算方法的变压器损耗为247． 92 mW。Steinmetz损耗计算方法参数比较少，结构简单，比较适用于正弦激励情况下的损耗计算［14］，对于激励方波下的损耗计算误差较大；而Jiles-Atherton是基于铁磁性材料的磁化机制来计算磁芯损耗，其损耗计算考虑因素更全面，计算结果更为精确。

在输入／输出区域中，观察变压器的结构参数可知，变压器的磁芯选型、材料和气隙大小，原、副边绕组的线型和连接方式。在图表信息区域可以看到变压器具体结构，如图8 所示。

从图8 可以确定变压器绕组的具体排布，后续可以研究针对反激式PCB变压器，绕组的交错排布对变压器漏感和损耗的具体影响，从而对变压器的设计做进一步优化［15］。

图7 两种损耗计算方法的结果

图8 软件设计的变压器结构

3 反激式PCB变压器的制作与分析

通过PExprt仿真设计，变压器损耗最小的方案可以确定。根据此方案设计PCB变压器，可以得到PCB变压器绕组和实物如图9 所示。

图9 PCB变压器绕组和实物

从图9 可知，PCB 变压器绕组分布在PCB 上，结构固定且可重复性高，而且PCB变压器实物整体高度远小于普通绕线变压器的高度，体积更小，有利于实现开关电源的小型化和轻量化［16］。为了节省成本，这里PCB上采用双面布线，并通过过孔连接。本次设计的反激式PCB变压器的磁通工作在线性区，不会出现饱和的现象，所以变压器的电感不会随频率变化。使用Agilent U1733C手持式LCR 表测量PCB 变压器实物的电感值。

为了验证仿真设计的准确性，将变压器实物所测电感值与PExprt 仿真结果进行对比，结果如表2所示。

表2 变压器实物感量与PExprt仿真对比

通过表2 可知，PExprt 仿真的电感值与实验测量结果基本一致，从而验证了PExprt 设计结果的准确性。

4 结 语

针对平面型PCB变压器设计，传统的方法无法精确计算工作过程极为复杂的实际电路。而ANSYS 公司研发的磁性元件设计软件PExprt 可以综合考虑各方面情况，使磁芯元件设计简化，方便工程人员使用。而且采用PExprt 软件计算的绕组损耗、温升、磁通密度和电流密度比传统设计更加接近真实情况。PCB变压器的绕组更易实现交错放置，重复性高，适合工业上的大批量生产。