基于纳芯微NSIP3266全桥驱动芯片的平面变压器设计
资料来源：纳芯微电子
总结
基于NSIP3266全桥驱动芯片，本应用笔记提出了一套完整的平面变压器设计方法。该方法创新性地改进了传统AP方法，突出了平面变压器铁芯窗口横向宽度的铁芯位置。通过15V到24V/4W/200kHz的隔离电源实例，全面演示了从核心选型、参数计算到PCB设计和仿真验证的整个过程。
实际测量结果表明，该方案在实现81.4%满载效率和5%负载调整率的优异电气性能的同时，其全桥拓扑的对称驱动特性有效抑制直流偏压，对平面变压器量产工艺偏差表现出较强的容忍度，最终温升仅为30。
该方案充分发挥了平面变压器高频、薄型的优势，并与NSIP3266的宽带调节（100kHz-1MHz）能力深度协同，为新能源汽车、工业驱动等高端领域的高功率密度、高可靠性电源应用提供了经过充分验证的技术路径。
1、NSIP3266隔离电源应用实例
1.1 NSIP3266的优点
在电力系统设计中，选择合适的拓扑结构是决定系统性能、成本和可靠性的关键环节。当工程师面临高频、高功率密度的应用需求时，往往需要在多种技术路径之间进行权衡。不同拓扑的优缺点比较如表1.1所示。 NSIP3266采用的全桥拓扑结构具有显着的优势。
表1.1 不同拓扑的优缺点
NSIP3266采用全桥拓扑结构，与平面变压器结合形成系统级解决方案，在电气性能、热管理和量产鲁棒性方面表现出色。
其核心优势在于全桥的对称电压驱动可以有效抑制直流偏磁，天然适应平面变压器容易实现的低漏感和良好对称性，从而从根本上优化EMI性能和磁芯利用率。支持100kHz-1MHz的宽带调节能力，使设计能够与平面变压器特定的堆叠结构和寄生参数（如低分布电容）深度配合，实现高频下的高效率和高功率密度。
此外，该拓扑对变压器参数（如匝数比、漏感）不太敏感，这使得该解决方案具有强大的工艺容差能力，可以显着吸收平面变压器批量生产中不可避免的PCB叠层、对准和绕组一致性等微小偏差。这确保了高性能，同时大大提高了量产良率和长期可靠性。
因此，该方案特别适用于新能源汽车、工业驱动等对效率、功率密度、EMC、可靠性有严格要求的高端领域。
1.2 隔离电源拓扑
NSIP3266广泛应用于IGBT、Si MOS、SiC MOS等开关管的驱动电源场景。本设计采用15V至24V隔离电源方案。 24V输出通过LDO转换为正负电压，保证开关管稳定开通和关断。
本设计中，变压器原边采用NSIP3266驱动，副边采用无源半桥整流结构。该拓扑可以有效减少次级线圈匝数，在相同输入输出条件下优化平面变压器的设计空间。
图1.2 拓扑示例
1.3 隔离电源设计参数
本设计的关键电气参数如下表所示。这些参数为后续变压器设计提供了明确的目标和约束。
表1.2 设计参数
2.平面变压器铁芯的选择及参数计算
2.1.平面变压器匝数比的近似计算
计算变压器匝数比首先需要确认变压器满载时的初级电压Vp和次级电压Vs，以保证满载情况下能够输出24V的目标电压。变压器原边电压主要考虑NSIP3266内部MOS压降，上下管总导通电阻Rdson至多1.8左右。
计算额定工作条件下的平均输入电流Iin，
上管和下管的总压Vds_all 大约下降为
输入电压为15V，变压器原边电压约为
变压器副边电压主要考虑副边整流二极管的压降。二极管的选择应根据实际应用情况而定。如果更注重整体效率，则需要选择正向压降小的二极管，例如肖特基二极管MBRS140T3G。如果比较注重负载调整率，应选择结电容较小的二极管，以防止轻载下二极管结电容和漏感谐振造成较高的输出电压，如快恢复二极管S1A。这里以MBRS140T3G为例，最大二极管压降VPN为0.6V，变压器副边电压接近
似乎是
因此，变压器的初级和次级匝数比n大约为
2.2.平面变压器铁芯选用方法
通常，变压器铁芯选型采用AP法-面积乘积法，主要涉及铁芯的两个参数，即铁芯的有效截面积Ae和铁芯的窗口面积Wa。如图2.1所示，Ae=CE（mm2），Wa=D2F（mm2）。
图2.1 U型铁芯图
变压器的功率处理能力和面积积Ap之间的关系可以推导出如下。用公制单位表示法拉第定律为
式中，Kf=4.0，为方波； Kf=4.44，对于正弦波； N为线圈匝数； Bm 是磁芯的最大磁密度。当变压器的绕组窗口面积得到充分利用时
式中，Ku为窗口利用率； Np为变压器初级匝数； Awp 为初级绕组的横截面积； NS
是变压器次级侧的匝数； Aws 是次级绕组的横截面积。导线的截面积可表示为：
式中，J为导线的电流密度； Ip Iin 为变压器原边电流有效值； Is为变压器二次侧电流的有效值。由于副边是半桥整流器，I s 2Iout。将式(6)和式(8)代入式(7)，得
因此，可以得出结论：
但平面变压器中，线圈绕制在PCB内，磁芯窗口垂直方向2F的利用率很低，主要受PCB层数和板厚限制，磁芯垂直方向一般可以灵活调整。因此，在平面变压器铁芯的选型中，窗口面积Wa主要关注横向长度D，它决定了线圈可以引出多少匝。
针对平面变压器的特点，提出了改进的AP法计算公式，重点研究了直接决定PCB布线可行性的核心参数横向宽度D。
式中，Kd为横向长度利用率，通常取0.5左右； Wp、Ws为原二次侧布线的宽度，单位为mm； Nlp、Nls为原次级线圈的布线层数。上式中取最大值是因为在平面变压器中，初级和次级线圈一般是叠放的，必须保证磁芯窗口的横向宽度满足最大宽度布线要求。
重新定义调整后的AP方法，
其中，原边和副边的线宽可以通过以下公式计算，
式中，K为修正系数。一般铜线在内层时为0.024，外层时为0.048； T为PCB允许温升； Wcu 和Hcu 分别是走线宽度和厚度，单位为密耳。
2.3.核心选择示例
对于本例中的平面变压器，PCB是六层板，中间有四层布线。初级侧和次级侧各有两层。顶层和底层是绝缘的。铜厚1oz。 PCB允许温升为10。选用MnZn铁氧体。一般最大磁密度Bm设计为0.25T。
将原次电流代入式(13)。为了有足够的余量，电流取实际电流的2倍，可计算：
原、副线圈的实际宽度值分别为
将式(15)代入式(12)可得
根据以上计算，选定的U型铁芯参数如下：
表2.1 U型铁芯参数
2.4.平面变压器参数计算
变压器的匝数可根据式(6)确定，其中Bm=0.25T，V=Vp14.4V，f=200kHz，计算出原边最小匝数，
初级匝数向上取整，Np=8，次级匝数根据匝数比计算，Ns=7。计算实际变压器铁芯磁通密度峰值，
根据所选磁芯和磁芯粘接后的等效气隙lg，可近似计算出线圈每匝的等效磁导率e和电感值AL。一般选用混有磁粉的胶水并研磨来粘合磁芯。等效气隙lg很小，约为5m。
计算初级和次级电感值，
计算励磁电流变化量Im和峰值Impeak，
初级侧阻抗的近似计算，
式中，Kac为交流阻抗修正系数，取1.5； l w 是平均等效周长，约为2 (E+D+C+D)。实际长度取决于接线方法。
3. 平面变压器设计与仿真
3.1.PCB设计
根据以上磁芯选型及参数计算，平面变压器设计如下：PCB采用6层板，铜厚1oz，总厚度约1.6mm，中间四层布线，初级在第4、5层，每层4匝线圈，线宽20mil，铜厚1oz；次级面在第2层和第3层，第2层有4匝，第3层有3匝，线宽为20mil。层间线距设计为8mil，初、次级线圈到磁芯的距离大于0.6mm。
（需要根据实际的耐压要求来设计，不同的板材有不同的耐压值）。为了节省成本，没有采用盲孔设计，原副边过孔到对应线圈的距离大于3mm（设计需要根据实际耐压和爬电要求，不同板子的耐压值不同）。变压器的实际PCB如图3.1所示。
图3.1 平面变压器PCB设计图
3.2.平面变压器仿真
根据平面变压器的PCB设计，在仿真软件中对变压器的电气参数进行了仿真。仿真模型如图3.2所示，其中棕色实心体为磁芯，浅绿色透明体为FR4板材。材料参数根据实际选型确定。最终的仿真参数如表3.1所示。
图3.2 平面变压器仿真模型
表3.1 平面变压器参数对比
4.Demo测试结果
4.1.负载调整率和效率测试
Demo的负载调整率和效率测试结果如图4.1所示。由于开环设计，输出电压随着负载的增加而降低。输出功率从满载的10%增加到90%。输出电压下降约2V。负载调整率小于5%。满载效率为81.4%，满足目标要求。
图4.1 负载调节率和效率测试结果
4.2.电气性能测试
空载和满载启动波形如图4.2所示。输入电容为2个10F和1个0.1F并联，输出电容为1个10F和1个0.1F并联。启动时会有一个软启动阶段，该阶段最大电流限制在600mA左右，防止启动时大电流冲击。
图4.2 启动波形测试结果
空载和满载时的输入和输出纹波如图4.3 所示。输入电压纹波比较小，约30mV；满载时输出电压纹波较大，约为87mV，在输出电压的0.5%以内。
4.3.平面变压器电压电流波形测试
分别测试变压器空载和满载时的电压和电流波形，如图4.4所示。空载时，变压器电流主要为励磁电流，励磁电流变化量约为575mA，不发生磁饱和；满载时，没有观察到磁偏，电压和电流波形非常对称。
图4.3 输入输出纹波测试波形
图4.4 变压器空载和满载时的电流波形
4.4.平面变压器温升测试
常温25下，满载运行30分钟，测量变压器温度，如图4.5所示。平面变压器温度最高，温升约30。 NSIP3266的温升低于平面变压器。
图4.5 平面变压器温度测试
5. 总结
本文仅提供平面变压器的铁芯选型方法和近似参数计算方法，供参考。在实际应用中，必须根据实际情况进行调整和多次迭代，最终确定铁芯选型和变压器设计。主要考虑以下几个方向：
1、平面变压器的绝缘设计必须优先考虑安全要求。初级和次级线圈间距、过孔间距以及线圈和磁芯间距需要根据所使用的PCB板的实际电压额定值精确计算。
2、铁芯窗口横向长度D的实际利用率Kd波动范围较大，设计时需要预留足够的安全裕度。另外，还需要综合考虑层间介质厚度、阻焊层厚度等三维绝缘因素，确保在任何工况下都能满足绝缘耐压要求；
3. 励磁电流的设计需要根据应用功率水平采取差异化策略。在大功率应用中，励磁电流应严格控制在额定电流的20%以内，以保证系统效率。对于小功率电源比如本文的4W案例，重点是防止磁芯饱和，对励磁电流的限制可以适当放宽；
4、高频工作时的集肤效应和邻近效应需要特别注意。通过合理选择线宽和线厚可以降低高频涡流损耗。设计过程应该是一个参数迭代优化的过程，通过仿真-测量-调整的循环逐步完善变压器参数。
纳芯微电子（简称纳芯微电子，科创板股票代码：688052；香港联交所股票代码：02676.HK）是一家高性能、高可靠性模拟和混合信号芯片公司。公司自2013年成立以来，专注于传感器、信号链、电源管理三大方向，为汽车、工业、信息通信、消费电子领域提供广泛的半导体产品和解决方案。
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