直流变换器用微型变压器的电气性能裸石

　　1 前言

　　减小便携式电子装置体积的发展趋势，正推动着电感器、电容器、变压器这类无源元件在硅基片的集成。过去十年，对硅基片上磁性薄膜元件的设计、制造和特性进行过很多研究。已开发出的微型变压器和电感器的制造工艺，多数都采用电沉积技术。有人已证明了用薄膜磁性元件与其他功率变换用元件集成的可行性。已制成了与肖特基二极管集成的薄膜变压器。有人把薄膜电感器集成到集成功率开关和控制电路系统上，制成一种1W直流变换器，但达到的功率密度，其典型值为1W/级。其他人达到了较高的功率密度，他们报道的微型变压器的功率密度22.4W/，效率为43%。最近，还有人报告了他们使用薄膜电感器的微型变换器，其效率高达83%，输出功率1.5W。

　　本文介绍提高功率密度和效率的新设计与制造技术。要优化微型变压器的设计，必须有一种能够快速评价多种变压器设计的模拟技术。与繁琐的数字法相反，采用分析法进行模拟。本文介绍制得的E型磁芯能量表微型变压器的电气性能及其在直流变换器中的应用，把测量结果同分析模拟的数据进行对比。

　　2 微型变压器的设计与制作

　　变压器结构的平面图示于图1，这是一种E磁芯型微型变压器，由两个交错运动场式电磁隔离线圈夹在磁性材料薄层之间构成。有人已证明，采用E型磁芯设计，比环型磁芯功率密度高。采用不同的几何结构参数设计成变压器系列，工作频率均为5MHz。每种器件设计的详细资料列于表1中。

　　变压器采用光刻和溅射、电镀沉积法制作在硅基片上。用电镀坡莫合金()，形成变压器磁芯。用介电材料(BCB)，使底部磁芯与导体绝缘。经过厚光刻胶图形电镀铜，制成厚43μm的绕组。然后把这种光刻胶旋涂在导体上，在导体和顶层磁芯之间形成绝缘层。最后，电镀顶层坡莫合金，制成使顶层磁芯底部磁芯减肥鞋相连接的图形，构成闭合磁芯。制得的微型变压器示如图2。把最终制成的器件切成小块，用板上片式技术单个封装。

　　3 电气性能

　　封装好的变压器的电气参数，用HP4195型阻扰分析仪测定。图3绘出B、C、D、E四种微型变压器的开路电感测量值。在所有情况下，到5MHz以前的电感量都保持恒定。磁芯最长(17mm)的变压器D，电感值(0.9μH)最大。

　　4 微型变压器模拟

　　为了彻底弄清制成的变压器特性并能预测它们的指标，必须对磁结构进行模拟。可以用有限元件(ANSOFT麦克斯韦二维法)，精确预测性能指标：采用涡流场计算器，并认为磁性材料是线性的。但要探索其优化措施，还是用速度较快的模拟程序更好一些。因此，采用分析法来模拟变压器。

　　分析模型建立在确定变压器等效电路模拟各单元的基础上，其中忽略寄生电容。与频率相关的电阻和漏感，用Dowell提出的方法计算。虽然只考虑了一维作用，但发现这种方法用于单层高宽比大的线圈是合理的。增大导体的高宽比，可以提高这种模拟的精确度。计算磁芯电感和电阻Rc，采用建立在无限长薄膜内一维解麦克斯韦方程基础上的磁芯模型。由此换热器可以得到磁芯电感及其中的涡流损耗与频率相关模型。分析中，不包括磁芯中的磁滞损耗。

[$page]　　微型变压器D开路(Los)和短路(Ls浮选机c)电感量随频率变化的测量值和用分析模型计算值之间的比较，图中同时绘出了用有限元分析法得到的仿真值。在运用分析模型和FEA仿真这两种情况下，同测量值比较，磁性材料参数必须为已知值。坡莫合金层的电导率用四点探测法测定，其磁导率根据用环形式样测得的电感量确定。　　从图4看出，开路电感测量值与模拟值十分接近。短路测量可给出微型变压器漏感的概念。但是低频下，因磁化电感量很小，磁化电阻抗也很小，这种变压器不能看作为理想变压