基于纳芯微NSIP3266全桥驱动芯片的平面变压器设计

来源：纳芯微电子

摘要

本应用笔记基于NSIP3266全桥驱动芯片，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法，突出平面变压器磁芯窗口横向宽度的核心地位，通过15V转24V/4W/200kHz的隔离电源实例，全面展示了从磁芯选型、参数计算到PCB设计与仿真验证的全流程。

实测结果表明，该方案在实现81.4%满载效率、±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了直流偏磁，并且对平面变压器批量生产中存在的工艺偏差展现出强容错性，最终温升仅30℃。

该方案充分发挥了平面变压器的高频、低剖面优势，与NSIP3266的宽频调节（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的隔离电源应用实例

1.1 NSIP3266的优势

在电源系统设计中，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、高功率密度应用需求时，往往需要在多种技术路径中做出权衡。不同拓扑结构的优劣势对比如表1.1所示，NSIP3266采用的全桥拓扑具有显著优势。

表1.1 不同拓扑的优劣势

NSIP3266采用全桥拓扑架构，与平面变压器结合构成了一个在电气性能、热管理和量产鲁棒性上均表现优异的系统级解决方案。

其核心优势在于，全桥的对称电压驱动能有效抑制直流偏磁，天然适配平面变压器易实现的低漏感与良好对称性，从而在根源上优化EMI性能与磁芯利用率。支持100kHz-1MHz的宽频调节能力，使得设计可与平面变压器特定的层叠结构与寄生参数（如低分布电容）深度协同，实现高频下的高效率与高功率密度。

此外，该拓扑对变压器参数（如匝比、漏感）的敏感性较低，赋予了方案强大的工艺容差能力，能显著吸收平面变压器在批量生产中难以避免的PCB层压、对位及绕组一致性等微小偏差，从而在确保高性能的同时，大幅提升了量产良率与长期可靠性。

因此，该方案特别适用于对效率、功率密度、EMC及可靠性有严苛要求的新能源汽车、工业驱动等高端领域。

1.2 隔离电源拓扑结构

NSIP3266广泛应用于IGBT、Si MOS、SiC MOS等开关管的驱动供电场景。本设计采用15V转24V的隔离电源方案，24V输出通过LDO转换为正负电压，确保开关管的稳定导通与关断。

该设计方案中，变压器原边由NSIP3266驱动，副边采用无源半桥整流结构。这种拓扑能在相同输入输出条件下，有效减少副边线圈匝数，优化平面变压器的设计空间。

图1.2 实例拓扑结构

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，这些参数为后续的变压器设计提供了明确的目标和约束条件。

表1.2 设计参数

2.平面变压器磁芯选型与参数计算

2.1.平面变压器匝比近似计算

计算变压器匝比，首先需要确认满载时变压器原边电压Vp与副边电压Vs，以保证在满载条件下也能输出目标电压24V。变压器原边电压主要考虑NSIP3266内部MOS压降，上下管的总导通阻抗Rdson最大约1.8Ω。

计算额定工况下的平均输入电流Iin，

上下管总压Vds_all降近似为

输入电压15V，变压器原边电压近似为

变压器副边电压主要考虑副边整流管二极管压降，二极管选型要基于实际应用情况，如果更注重整体效率，需选择正向导通压降小的二极管，比如肖特基二极管MBRS140T3G；如果更注重负载调整率，要选择结电容较小二极管，以防止轻载下二极管结电容和漏感谐振导致输出电压较高，比如快恢复二极管S1A。此处以MBRS140T3G为例，二极管最大压降VPN为0.6V，变压器副边电压近
似为

因此，变压器原副边匝比n近似为

2.2.平面变压器磁芯选型方法

通常变压器磁芯选型使用AP法⸺面积乘积法，主要涉及到磁芯的两个参数，分别为磁芯有效截面积Ae和窗口面积Wa。如图2.1所示，Ae=C x E（mm2），Wa = D x 2F（mm2）。

图2.1 U型磁芯示意图

变压器的功率处理能力和面积积Ap的关系可以推导如下，以公制单位表示法拉第定律为

式中，Kf= 4.0，对方波；Kf= 4.44，对正弦波；N为线圈匝数；Bm为磁芯最大磁密。当变压器的绕组窗口面积被完全利用时

式中，Ku为窗口利用率；Np为变压器原边匝数；Awp为原边绕线截面积；Ns
为变压器副边匝数；Aws为副边绕线截面积。导线截面积可表示为：

式中，J为导线电流密度；Ip≈ Iin为变压器原边电流有效值；I s为变压器副边电流有效值，由于副边为半桥整流，I s≈ 2Iout。将式(6)、(8)带入到式(7)中，

因此，可以得出：

但在平面变压器中，线圈是绕在PCB中，磁芯窗口的垂直方向2F利用率很低，主要受PCB层数和板厚的限值，且磁芯垂直方向一般可灵活调整。因此，在平面变压器磁芯的选型中，窗口面积Wa主要关注横向长度D，其决定了能够画多少圈线圈。

针对平面变压器的特点，提出改进的AP法计算公式，重点关注磁芯横向宽度D这一关键参数，它直接决定了PCB布线的可行性。

式中，Kd为横向长度利用率，通常为0.5左右；Wp和Ws分别为原副边走线宽度，单位为mm；Nlp和Nls分别为原副边线圈布线层数。上式中取最大值，是因为在平面变压器中，原副边线圈一般为叠放，磁芯窗口的横向宽度要保证能够满足最大宽度的布线要求。

重新定义调整后的AP法，

其中，原副边的线宽可通过如下公式计算，

式中，K为修正系数，一般铜线在内层时取 0.024，在外层时取 0.048；∆T为允许的PCB温升；Wcu和Hcu分别为走线宽度和厚度，单位为mil。

2.3.实例磁芯选型

该案例的平面变压器，PCB为六层板，中间四层走线，原副边各走两层，顶层和底层做绝缘，铺铜厚度为1oz，PCB允许温升为10℃，选择MnZn铁氧体，一般最大磁密Bm设计为0.25T。

将原副边电流带入式(13)，为了有足够的裕量，电流取实际电流的2倍，可计算得

实际原副边线圈宽度取值分别为

将式(15)带入到式(12)中，可得

基于上述计算，选择的U型磁芯参数如下，

表2.1 U型磁芯参数

2.4.平面变压器参数计算

根据式(6)可以确认变压器匝数，式中Bm = 0.25T，V = Vp ≈ 14.4V，f=200kHz，计算得原边最小匝数，

原边匝数向上取整，Np = 8，基于匝比计算副边匝数，Ns= 7。计算实际变压器磁芯磁通密度峰值，

基于选定的磁芯和磁芯粘合后的等效气隙lg可以近似计算出等效磁导率µe和每匝线圈的电感值AL，一般磁芯粘合会选择掺有磁粉的胶水，并研磨，等效气隙lg较小，约为5µm，

计算原副边电感值，

励磁电流变化量∆Im 和峰值Impeak 计算，

原边阻抗近似计算，

式中，Kac为交流阻抗校正系数，取值1.5；l w为平均等效周长，近似为2(E+D+C+D)，实际长度取决于布线方式。

3.平面变压器设计与仿真

3.1.PCB设计

基于上述磁芯选型与参数计算，平面变压器进行如下设计：PCB使用6层板，铜厚1oz，总厚度约1.6mm，中间四层走线，原边在4、5层，每层4匝线圈，线宽为20mil，铜厚1oz；副边在2、3层，2层4匝，3层3匝，线宽为20mil。层间线间距设计为8mil，原副边线圈距离磁芯大于0.6mm
（需基于实际耐压需求设计，不同板材耐压值不同）。为了节约陈本，不使用盲孔设计，原副边通孔到相对应线圈距离3mm以上（需基于实际耐压与爬电需求设计，不同板材耐压值不同）。实际绘制变压器的PCB如图3.1。

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，在仿真软件中仿真变压器的电气参数，仿真模型如图3.2所示，其中棕色实体为磁芯，浅绿色透明体为FR4板材，材料参数基于实际选型确认，最终仿真参数见表3.1。

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，由于是开环设计，随着负载的增加，输出电压有所下降，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81.4%，满足目标要求。

图4.1 负载调整率和效率测试结果

4.2.电性能测试

空载和满载的启机波形如图4.2所示，输入电容为两个10µF和一个0.1µF并联，输出电容为一个10µF和一个0.1µF并联。启机会有个软启动阶段，该阶段内电流最大值被限制在600mA左右，以防止启机有较大的电流冲击。

图4.2 启机波形测试结果

空载和满载的输入输出纹波如图4.3所示，输入端电压纹波都比较小，30mV左右；输出电压纹波在满载时相对较大，约87mV，在输出电压的0.5%以内。

4.3.平面变压器的电压和电流波形测试

分别测试了空载和满载时的变压器电压和电流波形，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，未发生磁饱和现象；满载时，未观察到有磁偏现象，电压和电流波形都很对称。

图4.3 输入输出纹波测试波形

图4.4 空载和满载时的变压器电流波形

4.4.平面变压器温升测试

常温25℃下，满载运行30min，测量变压器温度，如图4.5所示，其中平面变压器温度最高，温度升高约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

本文仅提供一种平面变压器的磁芯选型方式和参数近似计算方法，及供参考，实际应用中要基于实际情况进行调整与多次迭代，最终确认磁芯选型和变压器设计，主要考虑一下方向：

1.平面变压器的绝缘设计必须优先考虑安规要求，原副边线圈间距、过孔间距以及线圈与磁芯间距都需要基于实际采用的PCB板材耐压等级进行精确计算。

2.磁芯窗口横向长度D的实际利用率Kd存在较大波动范围，设计时需要预留充足的安全裕度。此外，还需综合考虑层间介质厚度、阻焊层厚度等三维绝缘因素，确保在任何工作条件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等级采取差异化策略。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，以保证系统工作效率。而对于小功率电源如本文的4W案例，重点在于防止磁芯饱和，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关注，通过合理选择线宽和厚度来降低高频涡流损耗。设计过程应该是一个参数迭代优化的过程，通过仿真-实测-调整的循环逐步完善变压器参数。

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