PCB的历史
虽然大多数人可能认为印刷电路板是现代发明,但实际上这些设备的使用始于100多年前。最初的实验涉及现在仍在所用工艺的早期版本。例如,二十世纪初,托马斯·爱迪生已经致力于将亚麻纸作为一种印刷电路板。其他发明家也都致力于相同的设想,利用各种不同的材料和技术,试图在表面上蚀刻永久电路。
第二次世界大战之前,印刷电路板已被投入使用。其被应用于炸弹的近炸引信中。像第二次世界大战期间迅速发展的大多数技术一样,印刷电路板最终使该技术进入了消费者市场。二十世纪50年代之前,已出现配备印刷电路板的消费性装置。
用户看到的第一批印刷电路板带有电线,各组件粘附在印刷电路板上,时常通过电线从其下方进行连接。然而随着技术的发展,更为常见的是,组件仅设在印刷电路板表面。随着时间的推移,该技术已成为普遍做法。
如今,印刷电路板具有极其复杂且强大的电子设备,耐冲击、可持久使用,且不存在与电路板上安装的实际物理电线有关的缺点。
生产PCB的材料是什么?
令人惊讶的是,制作印刷电路板仅需四个简单组件。用户制作印刷电路板时,仅需要铜箔、覆铜薄层压板、浸树脂布和非覆铜薄层压板。
尽管组件简单,但生产过程相当复杂。大多数人熟悉的一部分工艺为蚀刻。蚀刻工作十分简单,且允许以可承受价批量生产印刷电路板。
印刷电路板上不得出现可溶解铜的材料。所有保留在后方的部分均为拟纳入电路板的路径。制造商也有可能制造双面电路板并使用其他技术,使电路板更加多样。
如今可以看到,电子设备中使用的电路板为该类技术的典型应用。多年以来,其构造方式经历了多次改变,随着技术的提高,极大提高了电路的复杂性,使其能够安装在印刷电路板上。
业余爱好者也可以自己制作印刷电路板。可利用薄膜或激光印刷机,皆可生产所需的印刷电路板模型,移除后仅留下电路板。
什么是PCB变压器?
PCB变压器是专门设计用于印刷电路板的变压器。其通常为明装装置,位于电路板表面,提供可能需要的任何变压或电流变换。
这些装置具有各种不同的性能和尺寸,确保其种类可供任何可以想象到的产品进行选择。同时也有廉价的部件,使印刷电路板以更加经济可行的方式生产电子元件。
还有一种无芯的PCB变压器。这使得变压器的尺寸大大降低,尽管这些装置基本还处于实验阶段。但该装置的应用范围仍是巨大的。
哪种应用使用PCB变压器?
PCB变压器用于各种不同的应用中。在计算机硬件中,变压器可逐步将电压降低至安全水平,使其不可或缺。其还被应用于各种不同的生产过程中,及其他需要变压器的消费性装置中。与使用大型变压器相比,PCB变压器可真正节约大量资金并在设计中节省大量空间。
PCB变压器有哪些安装方式?
主要有两种方式可为印刷电路板配备变压器:明装和通孔安装。也可以直接在印刷电路板上蚀刻变压器,但这显然不需要进行任何安装。
●明装
明装的PCB变压器无穿透印刷电路板的销钉或其他组件。这为更紧凑的设计提供了可能。
多年以来,明装组件已成为印刷电路板的常见零件。因其便于更紧凑的设计,所以通常优先采用这种方法,将各类电子元件安装到印刷电路板上。但情况并非总是如此,拆卸任何计算机或其他电子设备很可能表明,该装置的大部分组件已被安装至电路板表面,且无线或其他物件穿过。
●通孔安装
在印刷电路板上通孔安装的变压器配有穿透电路板的连接器。这为使用多层印刷电路板和其他应用提供了可能。通常,与直接安装在表面上相比,通孔安装方法是一种印刷电路板上安装组件较不紧凑且更过时的方法。对于某些应用及特定组件而言,其仍为印刷电路板上安装的最佳方法。但您会发现,目前印刷电路板上的绝大多数变压器组件都为明装。对于旧设备,将其拆卸后可看到具有大量通孔安装组件的印刷电路板。
平面变压器结构设计
1 绕组结构
平面变压器的绕组是利用印制板上的螺旋形印制线来实现的。印制板中间被挖空用于安装磁芯。各印 制板之间由绝缘胶布或空白印制板绝缘。磁芯直接将印制板夹在中间,然后通过胶带或夹子固定。平面变 压器的高度得到了有效的降低,同时进一步节省了体积。印制线成扁平状,其厚度一般为35μm/70μm 。 在 频率小于14MHZ时,铜的集肤深度都小于印制线厚度的一半。通常开关电源频率远小于这个值,所以平面 变压器的集肤效应可以忽略。
在多层印制电路板之间要有供绕组互联的“通孔”,绕组间的匝数通过“通孔”以串联或并联的方式 彼此构成电连接。图2表示各层通过通孔用串联方式互联的布局图。
每层印制板都布有一排通孔且位置对齐,但是每层绕组只用其中的两个通孔,通过图2方式实现绕组 串联。在低压大电流的场合,也可以通过通孔实现绕组并联,以提高变压器的电流处理能力。如图3所示。
2 变压器磁芯
选择合适的磁芯是保证变压器性能的关键问题。平面变压器一般采用高频功率铁氧体软磁材料制成的 E型、EC、ETD和EER型磁芯、RM型等磁芯。
E型磁芯制造工艺简单,售价较便宜,是现在平面变压器很流行的磁芯形状。E型磁芯有大的绕组空间, 能够提供足够的空间供大截面积的引线引出,可允许大电流通过。同时E型磁芯可以进行不同方向的安装, 又由于其散热非常好,可以叠加应用更大的功率,一般大功率变压器都使用这种磁芯。但是它的缺点是不 能提供自我屏蔽,同时磁芯中间柱是长方体,不能有效利用PCB上的空间,使单匝绕组的长度增加,PCB 绕组的横截面积变大,变压器的所占体积也相对较大。
RM这种类型磁芯有以下几个优点,一是由于磁芯中间柱和边缘四周都呈圆形,可降低铜线的匝长, 从而降低铜损。另一个优点是能够充分利用PCB上的空间,可以减小PCB绕组的横截面积,将其设计成正 方形形式,这样磁芯漏感较小。并且RM磁芯的屏蔽效果也比E型磁芯要好。
EC、ETD和EER型磁芯介于E型和罐型之间。这类磁芯和E型磁芯一样,它们能提供足够的空间供大截面的引线引出,适合现在开关电源低压大电流的趋势;这类磁芯的散热也非常好;由于中间柱为圆柱形, 与E型相比具有RM型的一些优点。但是这类磁芯和E型磁芯一样屏蔽效果不好。
在我们研制的某320VDC/12VDC 25A变换器中对常规变压器和平面变压器进行了比较。主电路为双管反 激电路,开关频率100KHZ。按照普通高频变压器设计方法采用两个EI33型磁芯并起来使用,原边30匝,绕 组使用直径0.81mm的漆包线;副边2匝,绕组使用0.3mm的铜皮,2层并联。
若磁芯不变,采用PCB绕组时,为减少成本,应用了多块双面板来实现。原边绕组PCB每层安放3匝, 线宽=1.5mm,每块PCB上下两面可布置6匝绕组(如图7所示)构成原边绕组需要5块双面板;副边绕组电流 大匝数少,PCB每层安放1匝每块PCB上下两面可布置2匝(如图8所示),用4块并联。每块PCB厚0.4mm,整 个绕组窗口高度只需6.8mm。若采用多层PCB做绕组,整个绕组窗口高度只需3mm。
已知标准的EI-33磁芯的窗口高度为19.25 ,与线包的厚度相差很大,为此对两个EI-33磁芯各作 磨削加工,以减小磁芯窗口的高度并与线包得以良好配合。
经磨削修正后的EI―33磁芯,除窗口高度恰好满足包装配外,磁芯的重量和体积也得以减少。后装 配成的变压器结构呈扁平型。这样变压器的表面散热面积增加了,面积与体积的比值较大,与常规铁芯相 比,平面变压器的热阻较小,提高了热性能。
3 寄生效应与绕组布局
平面变压器的一、二次侧绕组交织可以大限度减小漏电感,并且可控制漏电感的大小。然而, 平面变压器漏电感减小的同时, 寄生电容却增大。而若要减小寄生电容,则需增大层与层之间的距离, 这就与减小漏感相矛盾。同时为提高平面变压器的功率水平,绕组大多采用并联形式以提高电流处理能力。 但是各绕组层之间的相对位置、连接方式或其他偶然因素的影响,都会造成各并联绕组层之间不均流, 从 而给绕组带来附加损耗。
以二种类型的平面变压器研究其寄生效应。每一类变压器的绕组结构各不相同,所以它们有不同的漏 感和寄生电容。图9为所述的二种类型变压器绕组的结构布局:
1#:初级绕组和次级绕组对称组合
2#:初级绕组和次级绕组交替组合
由于初级绕组与次级绕组间的寄生电容Cps严重影响着变压器的高频特性,故要其尽量小。在多层印制电路板变压器结构中,其绕组是由平行的扁平面导电条状铜箔组成的,则两个绕组间的电容可使用两块平行导电板之间的电容计算公式直接求得:Cps=ε·s/d。可见由于平面变压器的结构特性将会有较大的寄生电容。
表 三种不同绕组结构变压器的参数对比
上表给出了两个不同绕组结构的平面变压器的寄生参数。从上表可见2#变压器绕组结构的漏感要比1# 要低,但是2#变压器的寄生电容要远大于1#变压器。为了进行比较,上表同时列出了与平面变压器使用 相同磁芯的常规变压器,标记为3#。
从表1可以看出平面变压器与常规变压器相比漏感比较小,但是有相对较高的绕组间寄生电容。
4 实例
设计了一个运用平面变压器的双管反激变换器。变换器主要参数:Vin=290~360V, Vo=12V,Po=300W,f= 100KHZ 。
平面变压器绕组由厚度为0.4mm的印制电路板制作,线圈采用双面印制电路板,共10层。初级印制板 为5层,每层每面3匝,5层串联共30匝,铜绕组宽1.5mm、厚0.035mm,绕组匝与匝之间间隔0.2mm; 次级印制板为4层,每层每面1匝,4层并联共2匝,铜绕组宽5.1mm,厚0.035mm。绕组布局选用3中1#布局方式,平面变压器原边电感L1=516.4uH,漏感Ls=19.0uH,高度为16mm,重量为70g。
同时设计了一个满足变换器参数要求的常规变压器。常规变压器选用相同磁芯,原边30匝,绕组使用 直径0.81mm的漆包线;副边2匝,绕组选用0.3 mm铜皮,2层并联。绕法为“三明治”绕法,先绕制15匝原边,再绕制副边,后绕制15匝原边。变压器L1=516.8uH,漏感Ls=25.2uH,高度为30.2mm,重量为120g。
由图10对比可以看出,平面变压器不仅漏感比常规变压器要小,而且体积、重量也要小很多。
图11给出了反激变换器在不同变压器下的效率曲线。由于平面变压器漏感小和自身损耗比较小,在全 范围负载内都比常规变压器的效率要高。
结语
本文论述了平面变压器相关技术并对PCB型平面变压器做了详细的介绍与设计,并以具体实例讨论其特性。与传统磁芯相比,平面型磁芯除了具有低造型、低漏感、低损耗等优点外,还具有良好的热特性、绝缘性、一致性和耦合性。因 此,平面型功率变压器与传统功率变压器相比能显著提高变换器的性能、体积,具有明显的优势,是开关电源的理想选择。