PCB繞組變壓器是一種利用印刷電路板（PCB）技術(shù)制造的新型變壓器，通過將繞組集成在PCB的銅層中，替代傳統(tǒng)的繞線工藝，其發(fā)展歷程與電子行業(yè)的高頻化、小型化、集成化需求密切相關(guān)。

為小型化而生的技術(shù)

傳統(tǒng)變壓器通常帶有帶骨架，采用傳統(tǒng)的繞線方式，而PCB繞組變壓器既沒有骨架，也不需要繞線。

21 世紀初，PCB制造工藝不斷進步，如多層 PCB 技術(shù)、高精度蝕刻技術(shù)的發(fā)展，為 PCB 繞組變壓器的發(fā)展提供了有力支持。當時，工程師基于PCB技術(shù)解決電子設備布線的思路，將繞組集成到PCB內(nèi)部，再裝上磁芯即可完成變壓器的制造。

東莞倍誠信電器有限公司研發(fā)工程師王堯告訴《磁性元件與電源》，“PCB 繞組變壓器應該是在 2000 年左右開始慢慢地興起。”

可以說，這就是一項為變壓器小型化而生的技術(shù)。

同時，磁性材料的性能也不斷提高，使得 PCB 繞組變壓器的性能得到了顯著提升。這一時期，PCB 繞組變壓器開始在更多領域得到應用，如通信設備、計算機電源等。

比如，當年Delta公司的DC-DC模塊就采用過這種PCB繞組變壓器。

PCB繞組變壓器，圖片來源：慧華

PCB繞組變壓器的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)變壓器，PCB繞組變壓器有著諸多優(yōu)勢。

減少生產(chǎn)工序。PCB 繞組變壓器減少了剝漆、繞線、套管、點膠、烘烤等諸多工序，不僅成本優(yōu)勢顯著，而且結(jié)構(gòu)更為簡潔。

提高變壓器功率密度。相同功率下，PCB繞組變壓器能保持更小的體積，在性能與成本上展現(xiàn)出強大的競爭力。

王堯提到，相比傳統(tǒng)變壓器，同樣體積下PCB繞組變壓器功率可以提升50%以上。

提高變壓器效率。王堯表示，傳統(tǒng)變壓器效率最高只能做到92%，而PCB 繞組變壓器可以做到 95% 以上，疊片平板變壓器可以做到 98% 以上。

降低變壓器高度。在降低變壓器高度方面，PCB繞組變壓器表現(xiàn)優(yōu)異。國家級電氣工程高級工程師、惠州市磁極新能源科技有限公司（簡稱“磁極新能源”）研發(fā)總經(jīng)理海來布曲告訴《磁性元件與電源》，“對比原來的繞組方案，變壓器高度可大大降低。我們有一款PCB變壓器產(chǎn)品，通過采用PCB繞組方案，其高度從10mm降至了5mm以下。”

一致性強。PCB繞組變壓器工藝公差可控在±5%以內(nèi)，遠優(yōu)于人工繞線的±20%公差。

PCB繞組變壓器通過工藝革新實現(xiàn)了多維突破，其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在制造、性能與結(jié)構(gòu)三大維度。這些技術(shù)特質(zhì)使其在工業(yè)、醫(yī)療等高可靠性領域形成不可替代的競爭優(yōu)勢，為電子設備小型化與高頻化演進提供了關(guān)鍵支撐。

PCB繞組變壓器的應用場景

性能和體積上的優(yōu)勢，也讓PCB繞組變壓器此后逐漸嶄露頭角。

新能源汽車與充電設施。這種產(chǎn)品最早出現(xiàn)在汽車領域，據(jù)王堯介紹，“汽車作為大宗消耗品，附加值較高，使得整機企業(yè)能夠投入更多研發(fā)資金用于推動產(chǎn)品升級。因此，這類產(chǎn)品最早便應用于汽車領域。”

新能源汽車因空間限制，同樣需高度集成的磁性元件，而PCB繞組變壓器可顯著減少體積。

比如當下雙向車載OBC比較典型的做法是從高壓側(cè)和低壓側(cè)取電，以此為整個控制器電路供電，變壓器已成為制約電機控制器高度的關(guān)鍵因素。

杭州普晶電子科技有限公司基于這一痛點，設計一款最低高度為7 mm的磁集成PCB繞組變壓器產(chǎn)品，并已著手設計更低高度的變壓器方案。

磁集成PCB繞組變壓器產(chǎn)品，圖片來源：普晶電子

磁集成PCB繞組變壓器產(chǎn)品，圖片來源：普晶電子

通信電源。后來，華為、中興在基站電源中也開始逐步采用這種PCB繞組變壓器，利用PCB繞組變壓器的高頻特性與低損耗優(yōu)勢優(yōu)化電源模塊性能，滿足高頻化需求。

通信電源需滿足低電壓大電流、高效穩(wěn)壓、散熱管理及高可靠性等嚴苛要求，PCB繞組變壓器通過多層PCB布局、高頻磁芯材料及集成化設計，可顯著縮小體積、降低傳導損耗，并提升散熱效率，成為解決上述問題的理想選擇。

例如針對大電流需求（如20A以上），采用多相拓撲結(jié)構(gòu)，通過相位交錯減少紋波電流，通過多個控制器并聯(lián)實現(xiàn)高電流輸出，PCB繞組變壓器在此類設計中提供緊湊的磁集成解決方案。

光伏與儲能逆變器。高頻、高功率密度的PCB繞組設計適配光伏與儲能逆變器，優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換效率，并滿足耐高溫、高耐壓等要求。

比如深圳市永創(chuàng)星科技有限公司開發(fā)的超薄平面變壓器，結(jié)合了初級印刷PCB、次級銅箔塑膠封裝等兩種不同工藝，形成的線圈可通過更大的電流，可有效解決傳統(tǒng)繞線變壓器制造工藝的難題，符合光伏逆變器對低壓大電流元器件產(chǎn)品的需求。

消費電子與便攜設備。如華為65W氮化鎵快充等小功率產(chǎn)品，采用PCB繞組方案以提升功率密度并縮小體積，滿足便攜設備對輕薄短小的需求。

工業(yè)自動化與電力設備。海來布曲此前曾提到過軌道交通的輔助變壓器應用案例，需耐受15000V高壓，需采用特殊絕緣材料的PCB板實現(xiàn)。

尤其是在母線式低壓電源上，PCB繞組變壓器憑借其體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單等多方面的優(yōu)勢，應用逐步成熟。

而據(jù)王堯還告訴《磁性元件與電源》，“PCB繞組變壓器在工業(yè)、醫(yī)療、軍工領域應用最為廣泛，因為這些場景可靠性要求比較高。”

PCB 繞組變壓器憑借性能與體積優(yōu)勢，從汽車領域起步。汽車行業(yè)高附加值驅(qū)動產(chǎn)品升級，使其率先應用于此。此后，應用領域不斷拓展，在基站電源、工業(yè)、消費電子等場景發(fā)揮作用；在母線式低壓電源中，其優(yōu)勢凸顯，在小功率段產(chǎn)品中也有應用。

海來布曲也提到，這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要用于輔助變壓器、小電流電感產(chǎn)品，應用于化成電源、手機充電器等小功率段產(chǎn)品。

目前，PCB繞組變壓器主要市場應分為消費電子、新能源汽車、可再生能源、工業(yè)自動化和通信電源這五個大類。

一些公開數(shù)據(jù)顯示，2022年P(guān)CB變壓器市場規(guī)模為31億美元，預計到2030年將達到57億美元，受益于電動汽車、可再生能源及消費電子的持續(xù)需求，預計從2025年到2030年，其復合年增長率為8.1%。

PCB繞組變壓器的挑戰(zhàn)

不過，PCB繞組變壓器也有其局限性。

一般而言，PCB板銅箔厚度要求在2-5oz（盎司），這也就限制了PCB繞組變壓器的功率上限和散熱能力，其單顆PCB繞組變壓器或者說單層板的功率上限約200W，100W以上的應用需集成散熱孔或金屬基板。

但這就會增加PCB繞組的制作成本。一般工業(yè)和醫(yī)療多采用 FR4 環(huán)氧板，比如一些高端精密工業(yè)設備及航空航天則可能使用鋁基板，成本要至少要翻一番。

加上其結(jié)構(gòu)簡單的特點，導致PCB繞組變壓器也無法適應復雜磁路的應用。

業(yè)內(nèi)一位工程師Enargy告訴《磁性元件與電源》，這種產(chǎn)品20年前就曾在3000W電源上大批量生產(chǎn)過，由于沒有達到理想的減小體積、降低成本等目標，且無法適應復雜磁路的應用，故后續(xù)迭代版本逐漸被舍棄。

也正是由于PCB繞組變壓器存在功率和散熱局限性，如果功率進一步提高，考慮到散熱問題，就不能再用PCB繞組的形式。

為突破PCB繞組變壓器的功率限制，2005年左右業(yè)內(nèi)開發(fā)出PCB技術(shù)的升級版本——改用疊片的形式，用銅片一層一層疊起來，也就是現(xiàn)在我們所說的平面變壓器，從而可以實現(xiàn)更大的功率。

近兩年，隨著磁集成技術(shù)逐步滲透到大功率模塊電源場景，PCB繞組變壓器也再度引起工程師的重視。

我們注意到，目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)一種PCB板+繞組/線餅結(jié)構(gòu)的新式磁集成PCB繞組變壓器。

一種新形式的PCB繞組變壓器，圖片來源：慧華

據(jù)提供圖片的平面變壓器劉工介紹，這是一款集成了變壓器與電感的磁集成產(chǎn)品。

類似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，國內(nèi)有很多變壓器企業(yè)在生產(chǎn)。

相比于繞組的磁集成變壓器，這種產(chǎn)品體積更小巧，而且通過PCB板+線圈的形式，也可在一定程度上解決繞組式磁集成變壓器自動化繞線難度增加的問題。

據(jù)王堯介紹，目前平面變壓器在實際應用中的占比估計在50%左右，未來其占比可能會進一步提高至70%左右。

PCB繞組未來的應用潛力

有一點值得注意的是，PCB繞組變壓器高頻性能卓越，這一點無疑契合了第三代半導體器件的普及應用，可幫助磁性元件解決兆赫茲頻率下的高頻損耗問題。

PCB繞組變壓器支持1-10MHz開關(guān)頻率，效率可達95%以上，傳統(tǒng)繞線變壓器通常限于100kHz以下。

比如華為5G基站電源，AAU電源模塊就是通過PCB繞組變壓器實現(xiàn)MHz級隔離轉(zhuǎn)換。

而近兩年一些新型材料的出現(xiàn)，將進一步放大PCB繞組變壓器的高頻特性。

比如碳氫樹脂/陶瓷填充材料可實現(xiàn)GHz級射頻變壓器，納米晶復合材料可將高頻損耗降低30%等等，都為PCB繞組變壓器在高頻場景的應用打下了基礎，更多高頻低損耗的PCB繞組變壓器則有待業(yè)界工程師進一步挖掘。

結(jié)語

PCB繞組變壓器通過工藝革新與材料突破，正在改寫電力電子系統(tǒng)的設計規(guī)則。盡管面臨功率與成本限制，但其在高頻、小型化場景的不可替代性已充分顯現(xiàn)。隨著寬禁帶半導體（GaN/SiC）的普及，PCB繞組技術(shù)有望成為下一代高效能源系統(tǒng)的核心支柱。

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審核編輯 黃宇