放大器设计与DC/DC转换器技术齐头并进

概论
---近年来,在电子行业领域里,设计和制造DC/DC转换器的公司都面临着巨大的商业竞争压力。市场需要更小巧、密度更高、效率更高、功率选择范围更广且封装更结实的电源产品。
---由于变压器会影响DC/DC转换器的成本、大小和性能,是转换器设计中的关键元件之一,人们不得不投入大量精力来优化这一元件,使之能符合半导体和无源元件的发展要求。
---尽管许多外形较大的电源中仍在使用传统绕线变压器,但近年来出现的一些新技术如平面绕线变压器,为DC/DC转换器设计带来了很大好处。

独立式和嵌入式平面变压器
---独立式平面变压器利用平面铜导线框构成的绕组,或者绝缘材料上蚀刻/印刷的铜绕组层装配而成。这意味着它们比用铜线绕在骨架上的传统变压器占用的空间小得多。使用精密的铜导线框或印刷绕组的变压器比绕线变压器能更精确地符合设计指标,元件的可重复性也得以提高。
---蚀刻或模压的导线框或印刷的绕组层叠在平面的、频率通常较高的铁氧体磁芯中,构成变压器的磁路,这样设计的变压器很薄。平面型的设计中铜片横截面积大,容易进行高功率密度和大电流的设计。平面绕组和铁氧体的面积与体积的比例（surface-to-volume ratio）大,能获得良好的散热效果。
---高效率,特别是高频工作时的高效率,是平面变压器的另一项关键性的优势。在绕线式产品中,趋肤效应会对效率产生不利的影响。趋肤效应是当高频电流流经柱形导体产生的,它迫使电子从导线中心流出,集中在靠近导线表面,实际上减小了导体的横截面积。
---从涂漆和装配的角度而言,平面变压器也优于绕线变压器。为了进行浸焊或手工焊接,绕线变压器通常需要以手工方式剥去绕组终端上的涂漆。平面变压器外蚀刻或模压的铜导线常常可以构成表面贴装的端点,提高了装配速度和重复性,从而降低了成本。嵌入式平面变压器的铁氧体磁芯通过PCB板上的开孔夹在DC/DC转换器的主PCB板上,并以该PCB板上的螺旋线作为绕组,这一优势更为突出。
---尽管占用的空间比嵌入式设计大,独立式平面变压器近年来还是越来越普及。全嵌入式变压器由于用DC/DC转换器主电路板来提供绕组,每路输入/输出电压需要不同的电路板设计。同时,由于嵌入式平面变压器设计还需要多层电路板提供所需的绕组,系统整体成本较高。有些混合型设计用转换器的主PCB板提供初级绕组,这部分绕组通常是公用的;另外再用一块单独的小PCB板或冲压件来提供次级,次级绕组会因输出电压而不同。
---尽管嵌入式设计不仅节约空间,还能实现高功率密度,热性能也很出色;但在许多应用中,它昂贵的成本、缺乏灵活性和互换性的缺点却抵消了这些优点。大批量生产将在某种程度上抵销嵌入式设计较高的成本。

分裂绕组（Split winding）设计
---C&D Technologies公司开发了一种叫作交错式（interleaved）或分裂绕组变压器的技术,并在WPA60双输出1/4砖DC/DC转换器（见图）上实现了这种技术。这种变压器比标准平面变压器的效率更高。
---这种设计用交错初级和次级绕组的方式减小不想要的漏电感。它以简单的“三明治”形式的初级-次级-初级或次级-初级-次级,将漏电感降低至原来的1/4。过大的漏电感会导致耦合不完善、产生损耗和瞬态电压。
---尽管分裂初级或分裂次级的变压器优点很多,仍有一些要点必须加以考虑。例如,它通常会使终端数量很多,并且更难以实现初级和次级电路间的绝缘。同时,在初级和次级间需要EMI屏蔽的设计中,会需要有更多的终端。

未来的变压器设计
---各种现有的变压器设计都以磁技术为基础。将来随着声音耦合技术的大规模采用,变压器设计有望实现小型化。在有些高压输出的小功率DC/DC转换器设计中确实也初步实现了这一点。
---声学变压器利用了压电材料的特性,通过振动结构以声学方式耦合能量。它用转换器引发材料的共鸣,然后由次级转换器收集这种共鸣振动,并将其转换为次级电压。
---变压器设计的其他发展方向包括使用极高的工作频率,这样能通过空气耦合,而不再需要铁氧体。另一项进步是将变压器与其他在电路中起重要作用的磁性部件集成在一起,如输出扼流圈等,这将有助于减小DC/DC设计的整体尺寸。
---最后,新型磁芯材料的发展也能让工作频率更高而不产生高损耗,有助于用更小的变压器提供所需的功率。

小结
---很明显,绕线变压器越来越不适用于DC/DC转换器和其他应用。它们体积大,效率低,部件之间的可重复性也差,因而很快被新技术所取代。
---嵌入式平面变压器和独立平面变压器都各有自己的优缺点,到底在设计中采用哪一种主要由应用来决定。分裂次级（或初级）绕组形式的变压器是一种创新,有一些优于传统设计的有用之处;要再次强调的是,它们是否最适合某个设计应该由应用本身来决定。将来,磁性变压器逐渐为声学变压器所取代,将创造出许多令人激动的新产品,并为DC/DC转换器的设计人员开辟更广的选择空间。