微型变压器的现状与发展

微型变压器的现状与发展 　　

1引言

随着电子技术和信息技术的飞速发展，各种电子设备、信息设备的体积重量都在不断地缩减。近年来，以移动电话和笔记本电脑为主的各种便携式装置的需求量在成倍增长，更加要求电子系统体积小、重量轻、具有可移动性和能够模块化。在这些装置中，电源部分是影响体积重量的主要因素。这是因为电源内部存在磁性元件，包括变压器和电感器，由于要满足一定功率容量的要求，不可能象电阻、电容那样大幅度减小体积重量。但是电源技术也在不断发展，工作频率的大幅度提高使磁性元件的体积大为缩小，可以实现变压器、电感器的微型化。近年来微型变压器在计算机、通讯、航空航天领域大量出现。目前国内外已出现了平面变压器、集成变压器，甚至是采用微制造工艺的芯片形式的微型变压器。

2微型变压器的特点和种类

微型变压器依然是利用电磁感应原理把电能在两个电路之间传递，其基本结构与常规变压器一样，由磁芯和绕组构成。微型变压器和常规变压器最主要的区别在于：磁芯的尺寸形状；绕组的结构。微型变压器与常规变压器相比，磁芯尺寸大幅度缩小，截面积与高度的比值更大。微型变压器的绕组是由折叠式铜箔、印制电路板上的印制铜线条或直接沉积于磁性薄膜上的铜线条构成。而传统变压器的绕组是用漆包线或多股绞合线绕制。微型变压器具有功率密度高、效率高、漏感低、散热性好、成本低等优点。

目前微型变压器主要可分为三类：第一类是以铁氧体为磁芯，折叠铜箔或印制线路为绕组的平面变压器；第二类是采用溅射或化学沉积等微制造技术制作的薄膜变压器；第三类是其它类型的微型变压器，包括铁氧体粉末制成的集成变压器和非晶带叠合成磁芯的参数振荡变压器等。

3铁氧体平面变压器

这是目前技术最成熟、应用最广泛的微型变压器。采用高频损耗低的平面铁氧体磁芯，绕组采用印制铜线条的多层印制板或折叠铜箔代替漆包线及骨架。

SignalTransformer公司的平面变压器具有此类变压器的典型特点[1]，如图1所示。变压器由精确的铜引线框或一个及几个平面铜螺旋线，刻蚀在薄绝缘材料板上。螺旋线和引线框叠在扁平的高频铁氧体磁芯上形成变压器磁路。磁芯材料用小直径颗粒的树脂胶合以降低损耗。螺旋线或引线框叠层内的高温绝缘体可确保绕组间的高度隔离。

这些平面变压器用大约一半的尺寸和重量就能提供与常规变压器相同的功率。在开关频率500kHz时效率可达97％。在高频状态下，由于集肤效应，电流在圆柱形导线内沿着导线表面附近区域内流动，使铜导线没有被有效地利用。在平面变压器中，绕组实际上是4?oz（0.14mm）敷铜板上的扁平铜线条。在扁平铜线条中，虽然有集肤效应，但电流是流过整个导

体截面的，导体利用率高，所以具有扁平绕组的平面变压器与常规线绕变压器相比，尺寸小，效率高。

Philips公司以其平面磁芯技术生产集成电感元件（IIC）系列[2]，利用小型单件模压铁氧体磁芯，磁芯上刻有0.75mm的细槽，用于将铜引线框架插入磁芯。引线框架上的10根引线，每根从磁芯上细槽的一端穿到另一端并弯折成标准的鸥翼形状，构成电感绕组的半匝。印制电路板上的铜连线则完成另外的半匝，如图2所示。使电感元件也可以用高速自动装配机装配。

上述公司制作的平面变压器，印制线条不可能做得很厚，限制了绕组的最大电流，变压器设计功率一般比较小。多用于开关电源中的小功率变压隔离器。

目前模块电源中常用低压大电流输出，一般功率在100W以上。绕组匝数不多，要求通过的电流较大，往往在10A以上，因此要求绕组副边铜导线截面积很大，一般采用铜箔作绕组。一种是圆环式，如图3所示[3]。利用印制板工艺制作多层绕组，图中所示的是匝数为6的绕组，实际上由三个双面PCB组成，双面板每一面上的线匝经明孔或暗孔以串联连接。每层导体都有向外伸出的连接片，相邻的双面板靠连接片上的焊孔相连。但是连接点不仅给制作带来难度，同时也影响可靠性。

另一种新的折叠式绕组设计图样如图4所示，虚线为折叠线。由于相邻环形导体中心连线之间有一定的夹角α，每一环形导体所形成的匝数实际上只有（1－α/360），最大数值为5/6（α=60°）。这种方案使线圈匝数在磁芯窗口高度受到限制时比前一种方案应用的更多，缺点是相邻折叠线不平行，交错布置初级和次级绕组以减小漏感和高频损耗不是很方便。

FlatTransformerTechnology公司在其变压器和电感器中采用了一种独特的磁芯配置结构[4]，能在优化磁性能的同时，缩小元件的物理尺寸。常规变压器采用的方法是在单个磁芯上做上多匝绕组，FTT公司则是在多个磁芯上用单匝（或匝数很少）的初级绕组，如图5所示，采用一种模块式方案。一个FTI?12X2A?1B模块采用两个铁氧体磁芯，同时有顶板、底板和一个延伸部分，以便连接整流器，如图6所示。次级绕组是粘接到矩形铁氧体磁芯内表面的一对铜片，沿着180°的螺旋式通路绕成。每个磁芯相对的各端就是同一绕组的各端，热传递只在铁氧体磁芯的薄壁进行。初级绕组不

图1采用印制板的平面变压器

图2Philips公司集成电感元件

图3圆环式绕组图

4新型折叠式绕组

图5常规变压器与FTT变压器的原理比较

(a)常规变压器(b)FTT变压器

图6FFT变压器结构

图7非晶态磁性薄膜电感器

图8离子束溅射法制作的变压器

用模块设计，而是由用户自己决定其导线数量。根据对电源设计的要求，可以组合任何数量的模块，并调整初级绕组的绕线数量以求得预期的匝数比和电流量。这种配置可以得到很高的功率密度，输出电流很大，达到30A/模块。每个模块的功率可达100～120W。

4采用微制造技术的薄膜变压器

在各类微型变压器中，采用真空溅射、化学沉积等方法制成的变压器，体积最小，只有几个毫米见方，1～2毫米厚，使变压器达到了IC水平，是真正的平面变压器。这类磁性元件的研究在日本和美国已经取得了很大成果，近年来发表了许多关于其性能及各种应用的报道。

日本有人研制了FeCoBC非晶态磁性薄膜电感器，如图7所示[5]。这是一种通过绝缘膜将串联且相互反绕的长方形螺旋线圈的上下两面与软磁性薄膜叠合的平面多层结构。在硅基板上采用烧结体靶的直流磁控溅射方法形成FeCoBC磁性薄膜，再通过铝氮化反应，形成AlNx绝缘膜和FeCoBC膜相叠合的多层磁性薄膜。铜线圈采用H2SO4/CuSO4和添加剂为电镀液通过电解电镀法形成。下磁性薄膜与上磁性薄膜的绝缘是硅氮化反应性直流磁控溅射方法形成的一层5μm的SiNx薄膜。线圈间隙及与上磁性薄膜的绝缘物充填通过聚酰亚胺旋转涂敷/焙烘的方法完成。

这种电感器在兆周级频率上，安装在几瓦级输出的变换器上，性能十分良好。与其配置的电源厚度为2mm，体积为0.5cc，最大输出功率为3W，1.5W输出时的效率约为80％。

以上是利用磁控溅射法制作的电感器，日本还有人研制了离子束溅射法制作的变压器[6]。这种集成式微型开关变压器应用干法技术在基片上直接制成，如图8所示。基片是含有10μm厚的SiO2层的2英寸硅片，然后用离子束溅射法沉积CoZrRe，再用氩离子束蚀刻出磁层。再用离子束溅射法连续沉积Cu和Ta。利用Ta作掩膜用氮离子束刻蚀Cu图形。然后采用偏压溅射沉积一层表面平整的中间绝缘膜，上下层Cu图形的连接孔用离子束刻蚀形成。

制成的变压器厚度约0.3mm，面积约（3×4）mm2。变压器线圈能产生33nH/mm2的电感。这种平面微型变压器适用于5MHz～40MHz高频范围工作的开关变换器。但由于此变压器的磁感低，故变换器效率也低。为获得较高的效率，则要求微型变压器具有较高的磁感。

JaeYeongPark等人利用低温电镀法制造了集成磁性器件[7]，在微制造领域取得了更有价值的成果。微制造技术用于实现电感器和变压器与多芯片封装的一体化，可以将磁性元件和芯片、传感器及其它元件紧密集成。所有工序都在低温下进行。在硅晶片上用电子束蒸镀法沉积一层由200A铬、1500A铜和400A铬组成的网状导引层。电镀下层导体后在导引层上沉积一层15μm厚的抗光层，形成12mm×4mm的形模。然后用电镀法沉积磁性材料，形成的磁芯有两种：permalloy（80％镍?20％铁）和orthonol（50％镍?50％铁）。再电镀上下层导体的连接部分和上层导体，最后去掉聚酰亚胺和网状导引层。

图9电感器显微照片

制成的电感器和变压器的显微照片如图9及图10所示。由于不同的铁心性能，尺寸为4mm×1.0mm×0.13mm和30匝多层铜线圈（40μm厚）的集成permalloy和orthonol铁心（15μm厚）电感表现出不同性能。Permalloy铁心电感比orthonol铁心电感有略高的电感量，但直流饱和电流低很多。文献中还比较了在铁心中设置一个气隙的效果。对于4mm×4mm×0.145mm和156匝多层电镀铜线圈（40μm厚）和电镀permalloy磁芯（35μm厚）制成的电感器，没有气隙的电感量稍高（大约1.5μH），但是有气隙电感的饱和电流高得多（180mA～250mA）。这些器件的饱和电流容量大（稳态直流达到3A），适合于小功率变换。

图13  参数振荡平面变压器

目前这类微型变压器的功率不高，一般不到10W，实用性不大。但其尺寸的超小型和制造技术的先进性决定了这类变压器有广阔的应用前景，随着电子技术的发展，采用微制造技术的变压器将成为微型变压器的发展趋势。

5铁氧体粉末和非晶集成变压器

除了上述两种微型变压器，另一类是利用先进的微粉技术、线圈制版技术、加入聚合物粘结剂的铁氧体的丝网印刷技术制成的集成变压器和电感器[8]。用于磁芯的磁性复合材料由Ni?Zn或Mn?Zn铁氧体磁粉颗粒与高分子聚合物组成，混合好的铁氧体复合材料用丝网印刷在基片上。在此复合材料上面电子溅射蒸发上电极导线的铜，再刻蚀导线图形，然后再丝网印刷一层铁氧体复合剂。另一种工艺是先做出双层螺旋线圈，再在中心处用丝网印刷填入铁氧体复合材料。如图11及图12所示。复合材料的电导率很低，适合作高频磁性器件，涡流损耗可被忽略。

另有一种利用非晶带材制作的参数振荡变压器[9]。由非晶态磁性材料用电火花切割。将5片叠装组成7mm×5mm变压器，线圈用聚酯漆包线绕制，如图13所示。这种参数振荡平面变压器具有优良的稳压特性、过载保护功能和噪声滤波性能。该变压器在激磁频率为500kHz时，电压调整率为0.94％，表现出较高的水平。但目前该变压器的输出功率小，效率较低。

6结语

微型变压器的发展是当今电子、信息技术的需求，变压器的微型化是变压器技术发展的必然趋势。就目前来看，以铁氧体为磁芯的平面变压器体积小，功率密度大，是微型变压器的主流。以微制造技术制作的微型变压器正处于研制阶段，还不能在实际中推广应用。随着电子技术的飞速发展，铁氧体平面变压器仍将在较大功率的模块电源中发挥主要作用，而微制造变压器将在功率电子领域得到广泛的应用。