1 kW 高密度LLC电源模块中使用的平面变压器概述

不断增长的数据中心电源需求正在推动服务器设备制造商达到更高的电源转换效率，以减少其系统的热足迹。从 12 V 配电总线过渡到 48 V 总线，需要高效率、小尺寸降压转换器（48 V 至 12 V）。

电感-电感-电容（LLC）转换器是公认的总线转换器首选拓扑，因为它能够在高开关频率下在宽负载范围内保持零电压开关。在本电源提示中，我将概述效率超过 98% 的高密度 1 MHz 1 kW 八分之一砖 LLC 转换器中使用的变压器。

任何实用的LLC转换器设计都始于谐振电路的设计。为了使LLC转换器尽可能高效，转换器将以接近谐振的固定频率以开环控制运行。使用变压器漏感作为谐振电感将最大限度地减小整个转换器的尺寸。该设计的工作频率为1 MHz，以保持变压器和相关无源元件的尺寸尽可能小。表 1 显示了为此设计选择的储罐参数。

表1LLC 储罐参数，用于在 1 MHz 下运行的设计。

为了最大限度地提高效率，需要为同步整流器使用多个并联场效应晶体管（FET）。图1所示的矩阵变压器结构将强制多个FET之间共享。从功能上讲，每个变压器的初级端有两个匝，每个中心抽头的次级变压器有一匝。将初级绕组串联会迫使相同的电流在每个初级绕组中流动，从而迫使次级绕组共享电流。

图1带有矩阵变压器的LLC转换器，可强制多个FET之间共享。来源：德州仪器

图2显示了图1所示两个变压器中的磁通路径。第一张图片显示了两个分立内核的情况。请注意，中间相邻支腿中的通量相等，但方向相反。如图2的中间图所示，将这些支路组合成一个支路，净通量流量为0。由于磁芯的这条腿中没有通量，因此您可以消除磁芯支，如最右边的图像所示。

图2矩阵变压器集成的磁通路径如图1所示。来源：德州仪器

因此，可以将图1所示的两个矩阵变压器元件集成到单个变压器磁芯中。图3是LLC转换器的示意图，最终集成矩阵变压器位于单个铁氧体磁芯上[3]。

图3LLC转换器，在单个铁氧体磁芯上集成矩阵变压器。来源：德州仪器

有效值电流估算

转换器中的大部分损耗来自均方根（RMS）电流，因此需要一种精确的方法来估计变压器绕组中的RMS电流。[4]中介绍的方法通过假设转换器在略低于谐振电路的开关频率下工作时，磁化电流保持恒定来实现这一点。根据这一假设，可以创建LLC转换器关键波形的分段线性近似，并且根据电流的这些分段线性定义，您可以推导出变压器初级电流和变压器次级电流的RMS电流的闭式表达式，如公式1和2所示：

变压器绕组设计

[2]中介绍的绕组交错策略旨在最大限度地减少与高频相关的损耗。图 4 显示了印刷线路板 （PWB） 堆叠。

图4变压器 PWB 堆叠。来源：德州仪器

图4中的红色绕组包括四个PWB层。每层有两个匝数。第二层和第五层是串联的，第八层和第十一层也是串联的。此外，第二层和第五层与第八层和第十一层平行。图5显示了实际的PWB层。红色和橙色的铜形状是变压器初级。图5还显示了开关周期正半部分期间带有黄线的电流流向。

图5实际的PWB层，其中变压器初级铜层为红色和橙色。来源：德州仪器

图4中的蓝色层全部并联，形成变压器次级之一。图4中的绿色层与蓝色层相同，但用于另一个次级变压器。图6显示了实际的PWB层。青色的铜形状是变压器次级。中央抽头的正半部分显示在左侧，负半部分显示在右侧。图6还显示了开关周期正半部分期间带有黄线的电流流向。

图6实际的PWB层与变压器的次级铜层呈青色，其中正极一半为中心抽头（左）和负极一半（右）。来源：德州仪器

虽然这种绕组结构可有效降低交流损耗，但并不能将绕组损耗降低到零。为了更好地估计这些损耗，必须首先更好地估计绕组的直流电阻。这是通过计算精确平面绕组弧与实际绕组几何形状的直流有限元分析（FEA）模型之间的差异来完成的。精确平面电弧的电阻公式如公式3所示：

其中σ是铜的电导率，是铜层厚度，r1是弧的内半径，r2是弧的外半径。

图7是圆弧的DC FEA模型与确切绕组几何形状之间的比较。仅使用四分之一的模型即可降低计算复杂性。R 和 R +– 是有限元分析模型结果中绕组电阻的两个独立计算;R加州是公式3的输出。左图根据公式3校准有限元分析模型。右图决定了公式3与实际几何形状之间的误差。使用此误差作为比例因子，可以调整模型，使其与实际几何图形更紧密地相关。

图7有限元绕组直流电阻估计，左图根据公式3校准FEA模型，右图确定公式3与实际几何形状之间的误差。来源：德州仪器

公式4是最终的绕组损耗方程，其校准和交流损耗影响来自：

其中 fs是开关频率和μ0为 4 x π x 10 ^-7^ .

您可以使用Ansys FEA软件从仿真的LLC转换器波形中检查瞬态激励下的变压器绕组损耗。公式4与Ansys瞬态FEA模型的匹配度在1%以内。

测试结果
图9显示了硬件的实测损耗和效率。该数据是在 48V 输入恒流负载和强制空气下收集的。图9还显示了模块效率，并比较了预测损耗和测量损耗。

图9**测量原型硬件的效率、损耗和调节。来源：德州仪器

LLC 转换器变压器概述

该电源提示介绍了一种高效LLC转换器的变压器结构和绕组损耗估计方法。这种方法与LMG2100 等高性能氮化镓开关相结合，使数据中心电源设计人员能够设计更小、更高效的总线转换器。