平面变压器工作原理与PCB设计指南

什么是平面变压器？

平面变压器是一种采用平面绕组和扁平磁芯结构的高频磁性元件，专为适应现代电子设备高频化、小型化及高功率密度需求而设计。与传统绕线式变压器相比，它在结构、性能和适用场景上具有显著差异。

平面变压器是业内一直在尝试使用的一种新型高频铁氧体电感元件。与传统的高频变压器相比，平面变压器有以下特点：

高频性能优越

适用于高频工作环境（通常从几十kHz到数MHz），电流密度高，可达30A/模块，满足大电流输出需求。

低漏感与高效率

原副边绕组采用多层PCB或扁平铜带结构，耦合紧密，漏感极小，有助于降低开关损耗和电磁干扰（EMI），提升系统效率。

热管理性能优异

扁平结构具有更大的表面积体积比，散热路径短，热量易于导出，有利于高功率场景下的温升控制。

结构紧凑，适合自动化生产

外形轻薄规整，易于平面贴装，符合电源模块小型化趋势，且一致性好，适合批量制造。

绝缘设计灵活可靠

可通过调整PCB层数、绝缘材料厚度等实现所需的绝缘强度，满足安规要求。

潜在挑战

匝数较少，需注意磁通控制，避免饱和；

分布电容相对较大，可能影响极高频率下的性能；

磁芯窗口利用率通常低于传统变压器。

平面变压器的结构设计

平面变压器的PCB绕组结构是其实现低剖面、高频性能的关键。其核心设计如下：

绕组与磁芯结构

绕组通过PCB上的螺旋状铜走线实现，多层PCB通过板材进行层间绝缘。

磁芯安装于PCB中部开设的窗口区域内，通常采用夹持式结构，由胶带或金属夹固定，形成完整的磁路。

该结构大幅降低了整体高度，有利于实现变压器的薄型化和体积优化。

导线特性与集肤效应

PCB走线呈扁平形态，常用铜厚为1oz或2oz。

经计算，当工作频率低于14MHz时，铜材的集肤深度将小于铜厚的一半；而实际开关电源频率通常远低于此临界值，因此平面变压器在工作时的集肤效应影响可忽略不计，有利于降低高频损耗。

平面变压器各层PCB绕组通过“通孔”实现电气互联。这些通孔是实现绕组串联或并联、从而完成特定匝数配置与连接的关键通道。

在串联连接时，各层PCB布置有位置对齐的矩阵式通孔，但每层绕组仅选择其中两个进行跨层连接，以此实现绕组的连续串联。对于低压大电流应用，则可采用绕组并联的设计，旨在有效提升变压器的载流能力。

平面变压器常用磁芯类型与特性

平面变压器通常选用高频功率铁氧体软磁材料，常见磁芯类型包括 E 型、RM 型、EC 型、ETD 型及 EER 型等。不同磁芯结构直接影响变压器的绕组设计、散热性能、屏蔽效果与整体功率密度。

E 型磁芯

特点与优势：制造工艺成熟，成本较低，是目前平面变压器中使用最广泛的类型。其窗口面积大，便于引出大截面积绕组，支持大电流传输。安装方向灵活，散热性能优良，适用于大功率应用场景。

缺点：不具备自我屏蔽能力；中间柱为长方体结构，不利于优化PCB绕组布局以增加单匝长度；在大截面绕组设计时，变压器整体体积相对较大。

RM 型磁芯

特点与优势：中间柱与边缘均为圆形，有助于缩短绕组匝长，降低铜损。能够充分利用PCB空间，使绕组截面更紧凑（如可设计为正方形），从而减小漏感。其磁屏蔽效果优于 E 型磁芯。

适用场景：对效率、空间利用率与电磁屏蔽有较高要求的场合。

EC / ETD / EER 型磁芯

特点与优势：结构上介于 E 型与 RM 型之间。既保留了 E 型磁芯窗口大、便于大电流引出的优点，适应低压大电流发展趋势；又因中间柱为圆柱形，具备类似 RM 型磁芯的绕组优化潜力与较低铜损。散热性能良好。

缺点：与 E 型磁芯相同，其磁屏蔽效果仍不理想。

平面变压器的PCB设计

多层平面变压器的叠构设计

多层平面变压器的PCB叠层设计，应遵循上下对称的基本原则。该设计能有效平衡PCB加工与组装过程中的热应力与机械应力，从而抑制板翘变形，保障良率。

同时，各介质层的厚度需在满足初级与次级绕组间绝缘耐压要求的前提下，尽可能保持整体叠层厚度均匀一致，以确保信号完整性与结构可靠性。

PCB铜厚与走线间距要求

为有效控制平面变压器PCB的制造成本与周期，建议遵循以下设计准则：

减少钻孔的处理步骤，过孔尽可能对齐，埋孔最好从L2-L3，L4-L5，L6-L7，L10-L11，避免从一张Core到另外一张。