微型變壓器的現(xiàn)狀與發(fā)展

微型變壓器的現(xiàn)狀與發(fā)展 　　

1引言

隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子設(shè)備、信息設(shè)備的體積重量都在不斷地縮減。近年來，以移動電話和筆記本電腦為主的各種便攜式裝置的需求量在成倍增長，更加要求電子系統(tǒng)體積小、重量輕、具有可移動性和能夠模塊化。在這些裝置中，電源部分是影響體積重量的主要因素。這是因?yàn)殡娫磧?nèi)部存在磁性元件，包括變壓器和電感器，由于要滿足一定功率容量的要求，不可能象電阻、電容那樣大幅度減小體積重量。但是電源技術(shù)也在不斷發(fā)展，工作頻率的大幅度提高使磁性元件的體積大為縮小，可以實(shí)現(xiàn)變壓器、電感器的微型化。近年來微型變壓器在計(jì)算機(jī)、通訊、航空航天領(lǐng)域大量出現(xiàn)。目前國內(nèi)外已出現(xiàn)了平面變壓器、集成變壓器，甚至是采用微制造工藝的芯片形式的微型變壓器。

2微型變壓器的特點(diǎn)和種類

微型變壓器依然是利用電磁感應(yīng)原理把電能在兩個(gè)電路之間傳遞，其基本結(jié)構(gòu)與常規(guī)變壓器一樣，由磁芯和繞組構(gòu)成。微型變壓器和常規(guī)變壓器最主要的區(qū)別在于：磁芯的尺寸形狀；繞組的結(jié)構(gòu)。微型變壓器與常規(guī)變壓器相比，磁芯尺寸大幅度縮小，截面積與高度的比值更大。微型變壓器的繞組是由折疊式銅箔、印制電路板上的印制銅線條或直接沉積于磁性薄膜上的銅線條構(gòu)成。而傳統(tǒng)變壓器的繞組是用漆包線或多股絞合線繞制。微型變壓器具有功率密度高、效率高、漏感低、散熱性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

目前微型變壓器主要可分為三類：第一類是以鐵氧體為磁芯，折疊銅箔或印制線路為繞組的平面變壓器；第二類是采用濺射或化學(xué)沉積等微制造技術(shù)制作的薄膜變壓器；第三類是其它類型的微型變壓器，包括鐵氧體粉末制成的集成變壓器和非晶帶疊合成磁芯的參數(shù)振蕩變壓器等。

3鐵氧體平面變壓器

這是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的微型變壓器。采用高頻損耗低的平面鐵氧體磁芯，繞組采用印制銅線條的多層印制板或折疊銅箔代替漆包線及骨架。

SignalTransformer公司的平面變壓器具有此類變壓器的典型特點(diǎn)[1]，如圖1所示。變壓器由精確的銅引線框或一個(gè)及幾個(gè)平面銅螺旋線，刻蝕在薄絕緣材料板上。螺旋線和引線框疊在扁平的高頻鐵氧體磁芯上形成變壓器磁路。磁芯材料用小直徑顆粒的樹脂膠合以降低損耗。螺旋線或引線框疊層內(nèi)的高溫絕緣體可確保繞組間的高度隔離。

這些平面變壓器用大約一半的尺寸和重量就能提供與常規(guī)變壓器相同的功率。在開關(guān)頻率500kHz時(shí)效率可達(dá)97％。在高頻狀態(tài)下，由于集膚效應(yīng)，電流在圓柱形導(dǎo)線內(nèi)沿著導(dǎo)線表面附近區(qū)域內(nèi)流動，使銅導(dǎo)線沒有被有效地利用。在平面變壓器中，繞組實(shí)際上是4?oz（0.14mm）敷銅板上的扁平銅線條。在扁平銅線條中，雖然有集膚效應(yīng)，但電流是流過整個(gè)導(dǎo)

體截面的，導(dǎo)體利用率高，所以具有扁平繞組的平面變壓器與常規(guī)線繞變壓器相比，尺寸小，效率高。

Philips公司以其平面磁芯技術(shù)生產(chǎn)集成電感元件（IIC）系列[2]，利用小型單件模壓鐵氧體磁芯，磁芯上刻有0.75mm的細(xì)槽，用于將銅引線框架插入磁芯。引線框架上的10根引線，每根從磁芯上細(xì)槽的一端穿到另一端并彎折成標(biāo)準(zhǔn)的鷗翼形狀，構(gòu)成電感繞組的半匝。印制電路板上的銅連線則完成另外的半匝，如圖2所示。使電感元件也可以用高速自動裝配機(jī)裝配。

上述公司制作的平面變壓器，印制線條不可能做得很厚，限制了繞組的最大電流，變壓器設(shè)計(jì)功率一般比較小。多用于開關(guān)電源中的小功率變壓隔離器。

目前模塊電源中常用低壓大電流輸出，一般功率在100W以上。繞組匝數(shù)不多，要求通過的電流較大，往往在10A以上，因此要求繞組副邊銅導(dǎo)線截面積很大，一般采用銅箔作繞組。一種是圓環(huán)式，如圖3所示[3]。利用印制板工藝制作多層繞組，圖中所示的是匝數(shù)為6的繞組，實(shí)際上由三個(gè)雙面PCB組成，雙面板每一面上的線匝經(jīng)明孔或暗孔以串聯(lián)連接。每層導(dǎo)體都有向外伸出的連接片，相鄰的雙面板靠連接片上的焊孔相連。但是連接點(diǎn)不僅給制作帶來難度，同時(shí)也影響可靠性。

另一種新的折疊式繞組設(shè)計(jì)圖樣如圖4所示，虛線為折疊線。由于相鄰環(huán)形導(dǎo)體中心連線之間有一定的夾角α，每一環(huán)形導(dǎo)體所形成的匝數(shù)實(shí)際上只有（1－α/360），最大數(shù)值為5/6（α=60°）。這種方案使線圈匝數(shù)在磁芯窗口高度受到限制時(shí)比前一種方案應(yīng)用的更多，缺點(diǎn)是相鄰折疊線不平行，交錯(cuò)布置初級和次級繞組以減小漏感和高頻損耗不是很方便。

FlatTransformerTechnology公司在其變壓器和電感器中采用了一種獨(dú)特的磁芯配置結(jié)構(gòu)[4]，能在優(yōu)化磁性能的同時(shí)，縮小元件的物理尺寸。常規(guī)變壓器采用的方法是在單個(gè)磁芯上做上多匝繞組，F(xiàn)TT公司則是在多個(gè)磁芯上用單匝（或匝數(shù)很少）的初級繞組，如圖5所示，采用一種模塊式方案。一個(gè)FTI?12X2A?1B模塊采用兩個(gè)鐵氧體磁芯，同時(shí)有頂板、底板和一個(gè)延伸部分，以便連接整流器，如圖6所示。次級繞組是粘接到矩形鐵氧體磁芯內(nèi)表面的一對銅片，沿著180°的螺旋式通路繞成。每個(gè)磁芯相對的各端就是同一繞組的各端，熱傳遞只在鐵氧體磁芯的薄壁進(jìn)行。初級繞組不

圖1采用印制板的平面變壓器

圖2Philips公司集成電感元件

圖3圓環(huán)式繞組圖

4新型折疊式繞組

圖5常規(guī)變壓器與FTT變壓器的原理比較

(a)常規(guī)變壓器(b)FTT變壓器

圖6FFT變壓器結(jié)構(gòu)

圖7非晶態(tài)磁性薄膜電感器

圖8離子束濺射法制作的變壓器

用模塊設(shè)計(jì)，而是由用戶自己決定其導(dǎo)線數(shù)量。根據(jù)對電源設(shè)計(jì)的要求，可以組合任何數(shù)量的模塊，并調(diào)整初級繞組的繞線數(shù)量以求得預(yù)期的匝數(shù)比和電流量。這種配置可以得到很高的功率密度，輸出電流很大，達(dá)到30A/模塊。每個(gè)模塊的功率可達(dá)100～120W。

4采用微制造技術(shù)的薄膜變壓器

在各類微型變壓器中，采用真空濺射、化學(xué)沉積等方法制成的變壓器，體積最小，只有幾個(gè)毫米見方，1～2毫米厚，使變壓器達(dá)到了IC水平，是真正的平面變壓器。這類磁性元件的研究在日本和美國已經(jīng)取得了很大成果，近年來發(fā)表了許多關(guān)于其性能及各種應(yīng)用的報(bào)道。

日本有人研制了FeCoBC非晶態(tài)磁性薄膜電感器，如圖7所示[5]。這是一種通過絕緣膜將串聯(lián)且相互反繞的長方形螺旋線圈的上下兩面與軟磁性薄膜疊合的平面多層結(jié)構(gòu)。在硅基板上采用燒結(jié)體靶的直流磁控濺射方法形成FeCoBC磁性薄膜，再通過鋁氮化反應(yīng)，形成AlNx絕緣膜和FeCoBC膜相疊合的多層磁性薄膜。銅線圈采用H2SO4/CuSO4和添加劑為電鍍液通過電解電鍍法形成。下磁性薄膜與上磁性薄膜的絕緣是硅氮化反應(yīng)性直流磁控濺射方法形成的一層5μm的SiNx薄膜。線圈間隙及與上磁性薄膜的絕緣物充填通過聚酰亞胺旋轉(zhuǎn)涂敷/焙烘的方法完成。

這種電感器在兆周級頻率上，安裝在幾瓦級輸出的變換器上，性能十分良好。與其配置的電源厚度為2mm，體積為0.5cc，最大輸出功率為3W，1.5W輸出時(shí)的效率約為80％。

以上是利用磁控濺射法制作的電感器，日本還有人研制了離子束濺射法制作的變壓器[6]。這種集成式微型開關(guān)變壓器應(yīng)用干法技術(shù)在基片上直接制成，如圖8所示?；呛?0μm厚的SiO2層的2英寸硅片，然后用離子束濺射法沉積CoZrRe，再用氬離子束蝕刻出磁層。再用離子束濺射法連續(xù)沉積Cu和Ta。利用Ta作掩膜用氮離子束刻蝕Cu圖形。然后采用偏壓濺射沉積一層表面平整的中間絕緣膜，上下層Cu圖形的連接孔用離子束刻蝕形成。

制成的變壓器厚度約0.3mm，面積約（3×4）mm2。變壓器線圈能產(chǎn)生33nH/mm2的電感。這種平面微型變壓器適用于5MHz～40MHz高頻范圍工作的開關(guān)變換器。但由于此變壓器的磁感低，故變換器效率也低。為獲得較高的效率，則要求微型變壓器具有較高的磁感。

JaeYeongPark等人利用低溫電鍍法制造了集成磁性器件[7]，在微制造領(lǐng)域取得了更有價(jià)值的成果。微制造技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)電感器和變壓器與多芯片封裝的一體化，可以將磁性元件和芯片、傳感器及其它元件緊密集成。所有工序都在低溫下進(jìn)行。在硅晶片上用電子束蒸鍍法沉積一層由200A鉻、1500A銅和400A鉻組成的網(wǎng)狀導(dǎo)引層。電鍍下層導(dǎo)體后在導(dǎo)引層上沉積一層15μm厚的抗光層，形成12mm×4mm的形模。然后用電鍍法沉積磁性材料，形成的磁芯有兩種：permalloy（80％鎳?20％鐵）和orthonol（50％鎳?50％鐵）。再電鍍上下層導(dǎo)體的連接部分和上層導(dǎo)體，最后去掉聚酰亞胺和網(wǎng)狀導(dǎo)引層。

圖9電感器顯微照片

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制成的電感器和變壓器的顯微照片如圖9及圖10所示。由于不同的鐵心性能，尺寸為4mm×1.0mm×0.13mm和30匝多層銅線圈（40μm厚）的集成permalloy和orthonol鐵心（15μm厚）電感表現(xiàn)出不同性能。Permalloy鐵心電感比orthonol鐵心電感有略高的電感量，但直流飽和電流低很多。文獻(xiàn)中還比較了在鐵心中設(shè)置一個(gè)氣隙的效果。對于4mm×4mm×0.145mm和156匝多層電鍍銅線圈（40μm厚）和電鍍permalloy磁芯（35μm厚）制成的電感器，沒有氣隙的電感量稍高（大約1.5μH），但是有氣隙電感的飽和電流高得多（180mA～250mA）。這些器件的飽和電流容量大（穩(wěn)態(tài)直流達(dá)到3A），適合于小功率變換。

圖13? 參數(shù)振蕩平面變壓器

目前這類微型變壓器的功率不高，一般不到10W，實(shí)用性不大。但其尺寸的超小型和制造技術(shù)的先進(jìn)性決定了這類變壓器有廣闊的應(yīng)用前景，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，采用微制造技術(shù)的變壓器將成為微型變壓器的發(fā)展趨勢。

5鐵氧體粉末和非晶集成變壓器

除了上述兩種微型變壓器，另一類是利用先進(jìn)的微粉技術(shù)、線圈制版技術(shù)、加入聚合物粘結(jié)劑的鐵氧體的絲網(wǎng)印刷技術(shù)制成的集成變壓器和電感器[8]。用于磁芯的磁性復(fù)合材料由Ni?Zn或Mn?Zn鐵氧體磁粉顆粒與高分子聚合物組成，混合好的鐵氧體復(fù)合材料用絲網(wǎng)印刷在基片上。在此復(fù)合材料上面電子濺射蒸發(fā)上電極導(dǎo)線的銅，再刻蝕導(dǎo)線圖形，然后再絲網(wǎng)印刷一層鐵氧體復(fù)合劑。另一種工藝是先做出雙層螺旋線圈，再在中心處用絲網(wǎng)印刷填入鐵氧體復(fù)合材料。如圖11及圖12所示。復(fù)合材料的電導(dǎo)率很低，適合作高頻磁性器件，渦流損耗可被忽略。

另有一種利用非晶帶材制作的參數(shù)振蕩變壓器[9]。由非晶態(tài)磁性材料用電火花切割。將5片疊裝組成7mm×5mm變壓器，線圈用聚酯漆包線繞制，如圖13所示。這種參數(shù)振蕩平面變壓器具有優(yōu)良的穩(wěn)壓特性、過載保護(hù)功能和噪聲濾波性能。該變壓器在激磁頻率為500kHz時(shí)，電壓調(diào)整率為0.94％，表現(xiàn)出較高的水平。但目前該變壓器的輸出功率小，效率較低。

6結(jié)語

微型變壓器的發(fā)展是當(dāng)今電子、信息技術(shù)的需求，變壓器的微型化是變壓器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。就目前來看，以鐵氧體為磁芯的平面變壓器體積小，功率密度大，是微型變壓器的主流。以微制造技術(shù)制作的微型變壓器正處于研制階段，還不能在實(shí)際中推廣應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，鐵氧體平面變壓器仍將在較大功率的模塊電源中發(fā)揮主要作用，而微制造變壓器將在功率電子領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。