传统变压器与平面变压器在高频开关电源中的关键差异（2）

在上一篇文章中，我们回顾了传统变压器的结构特点，并分析了集肤效应、近邻效应等在高频条件下导致的损耗来源，也初步了解了这些限制为何成为现代开关电源继续提升功率密度的障碍。

在本篇中，我们将继续深入，比较传统变压器与平面变压器在高频应用中的关键差异，并探讨平面结构如何成为一种有效的设计路径。

从传统变压器迈向平面变压器

为了克服前面提到的这些挑战，可以对传统变压器的设计进行多项改进，从而减小体积、降低损耗，并更有效地散热。

其中一个关键措施，是在不增加导体截面积的前提下提升其表面积。实现方式是使用扁平化的导体，例如 PCB 或柔性电路板（FPC）上的铜箔走线。从高频特性来看，这种做法十分合理——因为在 200 kHz 下，集肤深度仅约为 146 µm（5.7 mil）。这意味着采用铜箔重量不超过 0.12 g/cm²（4 oz/ft²）即可满足要求。

这些扁平线圈可以堆叠起来，并在初级与次级之间规律地交错排列，从而有效降低交流电阻，减轻近邻效应的影响。

由此得到的结构更加扁平，且在高频开关电源的应用场景下具备更合适的性能参数。在对比中，平面变压器通常表现出更低的最高工作温度，并能更快达到稳态，这也进一步支持了高功率密度设计的发展趋势。

平面变压器的最终设计会配合选用磁滞损耗更低、适合扁平化结构的磁芯材料（见图 5）。在某些应用中，变压器甚至可以直接成为 PCB 的一部分。

图 5：平面变压器的爆炸示意图（左）及其最终呈现的扁平化结构（右）。

平面变压器会成为开关电源的未来吗？

传统变压器显然已无法完全满足现代开关电源的电气性能需求，其庞大的体积也常常影响整体的外观设计。此外，这类元件通常需要定制，并且往往依赖手工制造，进一步推高了成本。

相比之下，平面变压器在高频条件下具备更优异的性能，同时以扁平化结构呈现，能够直接与 PCB 集成，并减轻 EMC 设计难度。与传统变压器相比，其结构能够有效降低近邻效应，并在一定程度上解决集肤效应带来的问题。当然，平面结构也带来新的挑战，例如耦合电容可能引发开关实现上的复杂性，团队也可能需要多轮 PCB 设计迭代才能达到最佳效果。

但总体来看，其优势十分显著。平面变压器不仅节省空间，还能改善系统的热设计，如在一个 70 W 电源转换器的设计中所展示的那样（见图 6）。在层数较少的情况下，其设计也较为简洁，并且通常能够轻松融入自动化生产流程。

图 6：采用平面变压器（左）和传统变压器（右）的两个 70 W 电源转换器对比。

文章作者：Simeon Tremp，产品经理