放大器設(shè)計與DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)齊頭并進

概論
---近年來,在電子行業(yè)領(lǐng)域里,設(shè)計和制造DC/DC轉(zhuǎn)換器的公司都面臨著巨大的商業(yè)競爭壓力。市場需要更小巧、密度更高、效率更高、功率選擇范圍更廣且封裝更結(jié)實的電源產(chǎn)品。
---由于變壓器會影響DC/DC轉(zhuǎn)換器的成本、大小和性能,是轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的關(guān)鍵元件之一,人們不得不投入大量精力來優(yōu)化這一元件,使之能符合半導(dǎo)體和無源元件的發(fā)展要求。
---盡管許多外形較大的電源中仍在使用傳統(tǒng)繞線變壓器,但近年來出現(xiàn)的一些新技術(shù)如平面繞線變壓器,為DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計帶來了很大好處。

獨立式和嵌入式平面變壓器
---獨立式平面變壓器利用平面銅導(dǎo)線框構(gòu)成的繞組,或者絕緣材料上蝕刻/印刷的銅繞組層裝配而成。這意味著它們比用銅線繞在骨架上的傳統(tǒng)變壓器占用的空間小得多。使用精密的銅導(dǎo)線框或印刷繞組的變壓器比繞線變壓器能更精確地符合設(shè)計指標,元件的可重復(fù)性也得以提高。
---蝕刻或模壓的導(dǎo)線框或印刷的繞組層疊在平面的、頻率通常較高的鐵氧體磁芯中,構(gòu)成變壓器的磁路,這樣設(shè)計的變壓器很薄。平面型的設(shè)計中銅片橫截面積大,容易進行高功率密度和大電流的設(shè)計。平面繞組和鐵氧體的面積與體積的比例（surface-to-volume ratio）大,能獲得良好的散熱效果。
---高效率,特別是高頻工作時的高效率,是平面變壓器的另一項關(guān)鍵性的優(yōu)勢。在繞線式產(chǎn)品中,趨膚效應(yīng)會對效率產(chǎn)生不利的影響。趨膚效應(yīng)是當(dāng)高頻電流流經(jīng)柱形導(dǎo)體產(chǎn)生的,它迫使電子從導(dǎo)線中心流出,集中在靠近導(dǎo)線表面,實際上減小了導(dǎo)體的橫截面積。
---從涂漆和裝配的角度而言,平面變壓器也優(yōu)于繞線變壓器。為了進行浸焊或手工焊接,繞線變壓器通常需要以手工方式剝?nèi)ダ@組終端上的涂漆。平面變壓器外蝕刻或模壓的銅導(dǎo)線常�？梢詷�(gòu)成表面貼裝的端點,提高了裝配速度和重復(fù)性,從而降低了成本。嵌入式平面變壓器的鐵氧體磁芯通過PCB板上的開孔夾在DC/DC轉(zhuǎn)換器的主PCB板上,并以該PCB板上的螺旋線作為繞組,這一優(yōu)勢更為突出。
---盡管占用的空間比嵌入式設(shè)計大,獨立式平面變壓器近年來還是越來越普及。全嵌入式變壓器由于用DC/DC轉(zhuǎn)換器主電路板來提供繞組,每路輸入/輸出電壓需要不同的電路板設(shè)計。同時,由于嵌入式平面變壓器設(shè)計還需要多層電路板提供所需的繞組,系統(tǒng)整體成本較高。有些混合型設(shè)計用轉(zhuǎn)換器的主PCB板提供初級繞組,這部分繞組通常是公用的;另外再用一塊單獨的小PCB板或沖壓件來提供次級,次級繞組會因輸出電壓而不同。
---盡管嵌入式設(shè)計不僅節(jié)約空間,還能實現(xiàn)高功率密度,熱性能也很出色;但在許多應(yīng)用中,它昂貴的成本、缺乏靈活性和互換性的缺點卻抵消了這些優(yōu)點。大批量生產(chǎn)將在某種程度上抵銷嵌入式設(shè)計較高的成本。

分裂繞組（Split winding）設(shè)計
---C&D Technologies公司開發(fā)了一種叫作交錯式（interleaved）或分裂繞組變壓器的技術(shù),并在WPA60雙輸出1/4磚DC/DC轉(zhuǎn)換器（見圖）上實現(xiàn)了這種技術(shù)。這種變壓器比標準平面變壓器的效率更高。
---這種設(shè)計用交錯初級和次級繞組的方式減小不想要的漏電感。它以簡單的“三明治”形式的初級-次級-初級或次級-初級-次級,將漏電感降低至原來的1/4。過大的漏電感會導(dǎo)致耦合不完善、產(chǎn)生損耗和瞬態(tài)電壓。
---盡管分裂初級或分裂次級的變壓器優(yōu)點很多,仍有一些要點必須加以考慮。例如,它通常會使終端數(shù)量很多,并且更難以實現(xiàn)初級和次級電路間的絕緣。同時,在初級和次級間需要EMI屏蔽的設(shè)計中,會需要有更多的終端。

未來的變壓器設(shè)計
---各種現(xiàn)有的變壓器設(shè)計都以磁技術(shù)為基礎(chǔ)。將來隨著聲音耦合技術(shù)的大規(guī)模采用,變壓器設(shè)計有望實現(xiàn)小型化。在有些高壓輸出的小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計中確實也初步實現(xiàn)了這一點。
---聲學(xué)變壓器利用了壓電材料的特性,通過振動結(jié)構(gòu)以聲學(xué)方式耦合能量。它用轉(zhuǎn)換器引發(fā)材料的共鳴,然后由次級轉(zhuǎn)換器收集這種共鳴振動,并將其轉(zhuǎn)換為次級電壓。
---變壓器設(shè)計的其他發(fā)展方向包括使用極高的工作頻率,這樣能通過空氣耦合,而不再需要鐵氧體。另一項進步是將變壓器與其他在電路中起重要作用的磁性部件集成在一起,如輸出扼流圈等,這將有助于減小DC/DC設(shè)計的整體尺寸。
---最后,新型磁芯材料的發(fā)展也能讓工作頻率更高而不產(chǎn)生高損耗,有助于用更小的變壓器提供所需的功率。

小結(jié)
---很明顯,繞線變壓器越來越不適用于DC/DC轉(zhuǎn)換器和其他應(yīng)用。它們體積大,效率低,部件之間的可重復(fù)性也差,因而很快被新技術(shù)所取代。
---嵌入式平面變壓器和獨立平面變壓器都各有自己的優(yōu)缺點,到底在設(shè)計中采用哪一種主要由應(yīng)用來決定。分裂次級（或初級）繞組形式的變壓器是一種創(chuàng)新,有一些優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計的有用之處;要再次強調(diào)的是,它們是否最適合某個設(shè)計應(yīng)該由應(yīng)用本身來決定。將來,磁性變壓器逐漸為聲學(xué)變壓器所取代,將創(chuàng)造出許多令人激動的新產(chǎn)品,并為DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計人員開辟更廣的選擇空間。