一个开关电源工程师的设计笔记日志，第三部分 变压器设计

        也是许多FAE把控的核心知识。尤其是小功率的开关电源，由FAE提供变压器参数，还有提供对应的变压器供应商是司空见惯的事情。

       你只需要提供一些重要的参数，设计目标，多少功率，多少电流，多少电压。尽职尽责的FAE都会为你提供符合你需求的设计。这也是整个开关电源设计里面销售起到的一项重要服务。但是，由于之前FAE的一些不愉快的事情，还有PI优秀软件的支持。我个人终于掌握了PI开关电源变压器设计的全部技术要点。这也是成为一个真正有能力独立设计各种功率开关电源的工程师的标志。

今天我就要来和大家讲讲开关电源变压器的设计

其实各大ACDC方案供应商都会有自己的变压器设计软件。过去繁杂的设计，互相黏连的数据，每改变一次数据都会导致牵一发动全身的结果。而现在因为有了专业软件的帮助。这一切都变的信手拈来了。不要再去相信那些教科书，不要再去相信那些通用软件。原因其实也很简单，他们没有错，但是他们过时了，因为它们不是专为某家芯片方案设计的，具有局限性和不确定性。会让你折腾很久而没有结果。

PI使用的是PI Expert 9 。PI Expert 9 分为开关电源电路图pcb设计向导，和一个单独的变压器设计工具PIXls Designer 9。我们设计变压器用的就是PIXls Designer 9。同时PI Expert 9还分为单机版本还有在线版本。在线版的版本会新一些，而且获取途径也更友好一些，单机版本是需要注册，然后申请的。推荐大家使用在线版本。

PS：最新的innoswitch 3系列芯片的变压器设计工具是只有在线版本有的。我的单机版本9.1.6.3是不支持最新的innoswitch3的变压器设计的

PS：单机版PI Expert 9  PCB和电路设计向导是不支持最新的innoswitch2 和innoswitch3系列芯片的设计。

正课开始了。手把手叫你用PIXls Designer 设计变压器。

打开https://piexpertonline.power.com/pixls/design/index#

PIXls Designer 

选择这次我们innoswitch CE。这是询问PI销售得到的实际主流销售的芯片系列。就是销售能给我供货的系列

然后在你面前会出现一张表格。这个表格中，你需要关心的有如下几项

VACMIN

最小输入电压，这里输入85V

VACMAX

最大输入电压，这里输入265V

这就是一个标准的110VAC和220VAC兼容设计方案

如果你是仅仅在国内使用的话，那就修改最小输入电压为195V，如果你愿意单电压使用，整个开关电源的成本会显著下降，整个开关电源的体积也会显著下降。

最低电压上升意味着：

第一，高压开关管DMOS的最大电流要求下降了

第二，变压器磁芯可以不用为低压大电流输入而加粗导线直径了。变压器就可以选用更小一号的磁芯和骨架

第三，初级的高压整流滤波电容可以容量显著减小，这样体积和成本就都下来了。

这里有一个CIN值，就是PI软件官方给你计算出来的高压滤波电容推荐不小于的容量值。如果是195V最低电压输入。那就会显著减小这个电容的需求容量大小。

fL

工作频率

如果你在中国请输入50 也就是50Hz

VO

输出电压，这一项你选择你要的电压，我这里输入5V

IO

输出电流，这一项你选择你要的电流，这我输入2.2A

Power

输出功率，这一项是自动换算的你不用输入，但是它会受到线电压损失补偿而有所提升。说人话就是如果你选择的是带有线电压补偿的型号，随着电流输出的增加会增加输出电压，这样就会需要更大的输出功率。

Enclosure

外壳方案，这里有适配器型（Adapter）和开放型（Open Frame）两种。如果你对温度有要求的话，选择Adapter

InnoSwitch-CE

选择你需要的型号，这里选择INN21X5 其中x代表0或者2，如果是2就是有线电压补偿的型号，而INN21X5 最后的5 意味着这是整个InnSwitch-CE系列里面功率最大的型号，最后结尾的数字越大，功率越大。落实到具体区别就是内部集成的VMOS管的功率更大，Ids极限电流更大。

Cable drop compensation

线电压损失补偿 这里我用的是INN2105 所以是选择0%

Chose Configuration

这一项有三个选择，用来配置InnoSwitch芯片的工作电流模式，对于的就是InnoSwitch系列芯片的一个BPP启动配置电容。你可以在电路里面看到，对于InnoSwitch系列芯片而言，BPP引脚的电容不同，工作电流不同

在1uf的时候是激进模式，这一项选择INC

在0.1uf的时候是标准模式，这一项选择STD

在10uf的时候是小电流保护模式，这一项选择RED

我是默认选择STD

Reflected Output Voltage

次级反射电压，这个选项不要去修改，我一开始就是不懂去修改了，其实它会自动生成的，虽然你可以改，但是一般只会越改越差。

之后需要修改的是

Core Type

磁芯类型，这里我选择的是EE16 因为EE16的价格便宜，而我之前选择的是RM6。不同磁芯决定了价格成本，性能，体积。是变压器的核心设计。之后我会专门为大家讲解磁芯的选择的。如果整个设计没有任何警告的话，这套设计就算ok了，这个时候你又可以翻过去修改输入电流，IO，比如我之前的最大输出电流是2.2A，这时候慢慢的以0.1A的幅度增加，一直加到EE16磁芯无法满足输出，整个设计文档出现警告之前的一个方案就算ok了

磁粉材料选择，高性价比的PC40就ok了

最终的修正结果是IO输出电流最大2.4A  5V 2.4A 12W 这就是EE16的极限了。Rm6的极限会比EE功率大一点，我做到过5V4A输出。

变压器的参数基本设计完毕，之后我们需要对照骨架，设置变压器的输出对应引线。

点选变压器构造标签页。

可以看到我们设计的EE16变压器参数已经跃然纸上。

初级90圈 次级6圈 辅助绕组12圈。

问题是AWG是什么鬼？AWG是一种线径规范。如果你要看的直接点，可以在参数里面设置

工具--首选项--SI单位

ok终于说人话了。初级90圈0.22mm线径 输出0.45mm三线并绕，绕6圈 辅助绕组0.22双线并绕，绕12圈

点选活动设计--审查--引脚分配 出现菜单，可以用来分配变压器骨架上对应的引脚分配。除非功率特别大，或者使用了特殊骨架，为了通过安规，飞线设计师必要的，所以请点选飞线。

整个设计最搞脑子的地方，其实就在于变压器管脚和骨架分配，还有电路图，PCB封装之间的管脚一一对应关系，如果你出了差错，就会直接导致设计重来，这需要变压器供应商，还有骨架供应商，电源设计者之间密切的配合。一个顶视图看成了底视图，直接就会导致整个设计重来。这里需要的是认真和负责任的反复检查。

同是还有一个超级烧脑的问题，那就是变压器的初级和辅助绕组在变压器高压侧的骨架上的管脚分配，其实是会影响到走线的。一般合理的分配是

由上至下 高压原边绕组起始端，高压原边绕组结束端，辅助绕组起始端，辅助绕组结束端。结束

这是比较传统的分配，当然这个和芯片的选型，方案的选型有直接正相关性，尤其是原边高压绕组，这个和高压开关mos之间形成的回路需要尽可能的小，所以管脚分配绝对不是随随便便的分配的，而是一次次试验过后的结果。搞完这一切，你自己都会对那些管脚的排序开始头脑混乱了。这是真的。

在实际设计中你还会遇到PIXls Designer的一个小bug，那就是设计的方案，可能会放不下，尤其是以RM6这样的小磁罐问题特别严重，实际生产中，我们可以适当缩减辅助绕组的线径，还有并绕的线数，单线，细线就ok了，PI设计中的粗线，双线并绕是为了产生特定的屏蔽层，但是如果你放不下，那也就只能有所牺牲了。

这里有一个有趣的事情，那就是你可以通过计算知道，4根细线并绕直径更细，还是3根粗线并绕直径更细。问题就出在了线径其实是按照AWG规范跳跃式的增长的。所以这个时候你就需要计算了。在直径允许的情况下肯定是细线多股铜损更小，性能更好咯。

接下来我要给大家介绍的是

变压器磁芯形状的由来

变压器磁芯，最初的，也是现在最常见的是EE，或者EI型的。这也是最传统的磁芯。但是为什么市场上有各式各样眼花缭乱的磁芯型号呢？这么多的磁芯型号我们应该如何选型呢？这是一个超级烧脑的问题。

解决方案也很简单。

首先我们要知道磁芯的几个设计目标

目标一，价格便宜

目标二，体积小，功率大

目标三，低漏磁率

目标三，平面设计

第一个目标，很显然，EE型，EI型磁芯更具有优势，因为磁芯结构简单，加工技术成熟，迄今为止，依然被大量且广泛的使用。但是EE型 EI型的磁芯缺点也很明显。变压器体积大，变压器内层绕组线圈会有直角和漆包线硬力，漆包线阻抗不均匀，不方便绕制，等等缺点。

只有中间柱子是圆形的

改进后的设计

为了解决EE型EI型磁芯的缺点，于是有了改进型的EC型，EER型 ETD型设计

并最终进化到PQ型磁芯，EC相对于EE磁芯，最大的该井是中间的柱子，由方形改编成了圆形。这样就可以通过绕线机直接绕制了。同是线圈的硬力消失，不再存在直角。ER是EC的改进型，通过边缘柱子的内切圆变形，Aw（磁芯窗口绕线面积大幅增加）最终是PQ，通过增加额外的磁芯，增加了磁通量。于是就实现了目标二

GU磁罐，瓷罐的最初原型型号之一

EP磁芯，本人有幸订做过一次EP磁芯的仪器变压器，用来做高稳定频率LC振荡器

目标三，低漏磁率

EE型，本质上是线圈包磁芯，方便磁芯厂加工而设计的。而如果你要降低变压器的漏磁率，那就需要增加磁芯的面积，用磁芯去包线圈。于是就有了GU型 EP型磁芯。这两种磁芯称之为磁罐。顾名思义磁粉做的罐子，把整个线圈都包起来。它的优点是漏磁率低，缺点也是很明显的，价格贵，线圈Aw面积小。不适合制作功率变压器，长用在仪器设备上。

但是磁罐型的磁芯为了适合小体积，大功率变压器设计也产生了变形设计。那就是RM磁芯，RM磁芯依然是用磁芯去包住线圈，但是Aw（变压器绕线空间）面积显著增加，所以获得了现在最大的体积功率密度比。同样实现了目标二。

但是问题就来了，RM和PQ都是为了目标二而设计的，那到底是那种形状更有优势？

我也为这个问题纠结很久很久。这里首先要感谢PI的谢工程师，体积功率密度比最高的是RM，这就是他告诉我的。对的没错，但是经过进一步研究，我也清楚了PQ存在的价值和意义。

原因一，PQ拥有更大功率的型号，

RM虽然体积功率密度比高，但是相对于PQ磁芯而言，缺乏大功率磁芯型号，PQ可以做几百，甚至是几千几万瓦，但是RM磁芯一般用到RM12就已经很难买到更大的了。

原因二，PQ比RM便宜。

毋庸置疑，EE演变过来的方案磁粉的用量PQ是有优势的，而且加工也比RM容易，所以说PQ性价比更高

原因三，功率间隙

RM系列磁芯有部分跳跃性，比如RM6到RM8的磁芯，一个15w 一个40w，而我正好要做一个20w的变压器，那我就正好用PQ2020设计可能会是一个合理的设计，他们之间是穿插在一起的，所以只有适合的设计，而不存在最好的设计。

原因四，线圈Aw面积，许多时候RM磁芯如果要多放几个线圈绕组放不下的时候，还是PQ类磁芯的Aw面积更大。

综合而言你就知道RM和PQ变压器如何选择了。

EFD变压器

EPC磁芯

磁芯夹着PCB就是新型PCB平面变压器

最后是目标四，平面变压器设计

由于现代家用电器，超薄设计非常普遍，于是就有了平面变压器的设计，平面变压器的由来依然是由EE变压器演变过来。最先有了EFD，在之后是EPC磁芯，EPC磁芯同样是为了消灭直角弯线产生的硬力，中心柱子转变为圆角柱。这列设计的各个方面性能都不如传统的PQ和RM磁芯，而且价格不便宜，但是对于一些限高设计，却是不可或缺的组成部分。最新又出现了PCB变压器设计磁芯，比如平面专用EL/ELT/PQI/EIR/ER/EI磁芯，这些磁芯的高度都大幅度压缩。因为他们使用的并非传统线圈，而是使用PCB绘制的线圈，工作在高频，和传统的设计已经很不一样了。可靠性，稳定性都得到了大幅度的提升，但是体积依然不能和PQ或者RM竞争。例如三星的充电器就使用了这类PCB变压器，堪称设计中的大牛。

说完磁芯形状我们再来说说磁芯粉末材料的选型。

这一条很多时候许多人并不在乎，但是磁芯粉末其实对设计的影响很大很大。磁芯材料的选择依然是一个非常烧脑的问题。因为市场上型号众多，设计方向也有好几个，究竟如何选择，这会是一个很烧脑的难题。

同样的万事开头难

同样的，我们要研究磁粉材料发展的有那几个方向

方向一，高磁通密度High Bs

方向二，高频率

方向三，低成本

方向四，宽温工作

首先来说方向一

磁通密度一直是变压器的重要设计参数，这个参数实际上决定了同样体积能设计多大功率变压器的上限。因为能量是守恒的，电变磁，磁变电，磁芯储存了能量。这个指标就是磁性极限设计功率限制。当然这项参数很少被用到，原因很简单，对于小功率开关电源变压器而言，Aw往往是最紧张的参数。而且设计也需要留有余量，所以Bs很少被重视，因为一般都够用的。但是对于超大功率的ZVS零关断大功率设计，BS直接影响设计极限功率，影响体积，影响发热。许多电磁炮逆变器的设计都是用的高性能TDK PC90这类的磁芯。

ZVS升压模块，现在已经是电磁炮的标配了。

方向二，高频率

前面说到了高频变压器，对于一些仪器，还有许多平面变压器而言，磁芯的高频特性好是必须的，要知道频率越是高，磁芯的损耗就会增加，磁芯的特性就会变差。所以专用的高频磁粉材料必不可少。TDK的PC50就是为这个方向设计的。

方向三，低成本

任何涉及都会有这种类型的设计方向的，因为现实世界都是要讲钱的，对于TDK而言就是PC40 PC47这一类的产品就足够了。性能中庸，但是价格合适。

方向四，宽温设计

就是你的磁芯能够在很宽泛的温度之下稳定工作，这类磁芯的极限磁通密度并不好，但是好在它稳定，平滑。如果你想做一个可以在很宽泛温度下依然能工作的开关电源的话TDK的PC95最适合您了。大量汽车上的设计，比如普锐斯的充电器就是用的TDK的PC95磁芯，因为汽车这种应用会在很宽的温度下工作。你必须保证它在最恶劣的气候条件下依然工作。

四个方向的磁芯，相对而言，低成本最好买，高Bs磁通也好买，高频也还算能买到，而宽温供货就少了啊，所以整个市场上寻找宽温的磁芯就是一个相对困难的事情了，我当初的设计由于需要很宽的工作温度范围，所以我选择了宽温磁芯。

PIXls Designer 内有专门的变压器磁粉类型选择，不同的磁粉类型，会影响最终的变压器设计结果。虽然品种不多，但是四种发展方向的磁粉材料都有了，只要选择的是同类发展方向的磁粉，计算的最终结果就不会有太大的偏差。这也是我之前为什么没有说变压器磁粉选择的原因。因为之前你可能完全就是一头雾水

这里我贡献一张，世界主流磁粉材料特性对应表，联系之前四个方向发展中的磁粉类型标注，大家选择磁粉类型的时候就应该没有障碍了。

这是ACME的磁芯选型对照表

形状和材料都说完了，接下来要说骨架了。

整个开关电源变压器的设计，骨架的影响至关重要，虽然骨架相对于其它供应商原料变化并不这么大，但是由于为了适应安规的设计，大量新型定制骨架依然大量被设计出来。现代骨架最大的改进主要有这么两点

第一，增加高压侧引脚间距。

高压部分引脚太近，打电压容易被击穿。这个很好理解

第二，增加高低压侧的间距。

这是为了符合安规设计的，安规要求初级和次级之间需要满足间距要求，于是就有了新型的小功率定制变压器骨架。（大功率变压器一般都能过安规要求的初次级间距）

这是小米6充电器的变压器，右上角多出来的塑料部分是变压器骨架的一部分，这个骨架就是异形骨架。

让你看的清楚一点，这就是没有绕线前的安规骨架，硬生生凸出来一段。

这方面只要你能搞得定供应商，不用订货，那就随便选用吧。当然我知道很多专业做ACDC的厂商都是订做的专用骨架。我没有这么丰厚的财力，也没有这个时间，我还是选用的传统骨架。

在接下来要说的变压器线材

漆包线的花头并不多，但是主要有三条

第一个是漆包线耐压

第二个是漆包线耐温

第三个是扁平椭圆漆包线

一般来说我们设计变压器的时候，我都会让供应商写清楚所选用的变压器绕制线材品牌和型号。

原因很简单，线材是有耐压的，绝缘漆薄一些，耐压就低，容易击穿绝缘层，第二个就是漆包线的油漆有融化温度，工作温度过高，容易油漆融化，短路造成不必要的安全问题。第三就是扁平椭圆漆包线，这个比较少见，但是也是有的，这种线可以有更大的有效线径，更低的内阻，只不过你要搞的定供应商，谈得拢价格。

最后说一下是变压器的外层绝缘。

开关变压器设计的最后一环，那就是变压器的外层绝缘，对于RM变压器而言这一点特变敏感，因为RM变压器的骨架是没有底座把变压器和PCB基板隔开的。所以RM变压器是需要用绝缘胶带包底的，而且尽可能的包厚一点，否则高压侧的电会通过磁芯那并不高的电阻率而传递到次级，我就为此整改过一次。当然这需要你给变压器绕制供应商提要求。只有你说，他们才会这样去做。而且包底是要付出成本代价的。

包好的变压器

读到这里你基本已经掌握了PI方案下变压器设计的全部了。

说实话，我在PI公司实验室的垃圾箱里面随便抓一把，就是各种定制设计，各种定制元器件。那都是融合了工程师们无数的心血。一方面是现代越来越紧凑的开关电源设计需求，另一方面是安规对器件间距的强制规定。工程师们为了缩小体积，同时设计出符合要求的设计，无异于带着镣铐在跳舞。定制件的大量使用，只有在有足够产量的前提下才有经济效益。这是围绕在小公司头上永远都无法跨越的门槛。我努力了，所以我并不后悔。这会成为我生命里的一部分

之后我会为大家讲解开关电源的PCB layout 和开关电源的成本压缩分析。

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