CN116629040A - 平面变压器优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种平面变压器优化设计方法，包括：共模EMI传导路径确定；结构信息确定；粗优化；绕组PCBLayout绘制；精确仿真；最优解判断。本发明平面变压器优化设计方法先通过确定平面变压器的共模EMI传导路径、磁芯绕组结构信息以建立2D电场仿真模型，然后以耦合电荷为研究对象对2D电场仿真模型通过调整线圈相关参数进行有限元仿真粗优化，实现耦合电荷的快速优化，最后建立3D的全波电磁场仿真模型并进行有限元仿真精细优化正向传输系数特性，以获得最优共模EMI滤波特性的平面变压器，解决了平面变压器共模EMI滤波特性设计的盲目性问题，且减少打样轮次，可有效缩短研发周期，降低研发成本。
Description
技术领域
本发明涉及变压器的优化设计技术领域，尤其涉及一种平面变压器优化设计方法。
背景技术
由于平面变压器的EMI(ElectromagneticInterference，电磁干扰)一致性显著优于传统绕线变压器，高频电源中平面变压器的应用越来越多；随着电源的小型化和高频化趋势愈发明显，EMI问题变得越来越突出，其EMI优化设计要求越来越高。平面变压器是电源传导干扰耦合路径中的重要支路，当平面变压器的共模EMI滤波特性达到最优时，该支路的传导干扰最小；当初级绕组对次级绕组的耦合电荷最小时，平面变压器的共模EMI滤波特性达到最优。
目前大多数研发人员对平面变压器的共模EMI滤波特性的研究手段是打样测试，即通过观察各匝绕组电位，再结合经验调整屏蔽层的匝数和电位，进而得到不同的屏蔽方案。但是，该方式通常需要多轮穷举打样才能得到较好方案，且获得的方案仍不是最优方案；另外，而平面变压器的单次打样时间长，多次打样使得研发周期过长、研发成本增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种平面变压器优化设计方法，以减少打样轮次，缩短研发周期。
为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种平面变压器优化设计方法，包括以下步骤：共模EMI传导路径确定：确定平面变压器的共模EMI传导路径；结构信息确定：确定磁芯绕组结构信息；其中，所述磁芯绕组结构信息包括磁芯模型、绕组结构、磁芯材料和绕组介电材料；粗优化：根据所述共模EMI传导路径及所述磁芯绕组结构信息建立2D电场仿真模型，以耦合电荷为研究对象对建立获得的所述2D电场仿真模型通过调整线圈相关参数进行有限元仿真粗优化，获得粗优化结果；其中，所述线圈相关参数包括屏蔽线圈的匝数、屏蔽线圈的线宽和屏蔽线圈的位置；绕组PCBLayout绘制：根据所述粗优化结果绘制绕组PCBLayout；精确仿真：根据平面变压器共模EMI滤波特性测试的接线方法、所述磁芯模型以及所述绕组PCBLayout，在ANSYSHFSS中建立全波电磁场仿真模型，仿真获取所述粗优化结果对应的正向传输系数；最优解判断：根据获得的所述正向传输系数判断绘制获得的绕组PCBLayout对应的共模EMI滤波特性是否为最优。
本发明的有益技术效果在于：本发明平面变压器优化设计方法先通过确定平面变压器的共模EMI传导路径、磁芯绕组结构信息以建立2D电场仿真模型，然后以耦合电荷为研究对象对2D电场仿真模型通过调整线圈相关参数进行有限元仿真粗优化，实现耦合电荷的快速优化，最后建立3D的全波电磁场仿真模型并进行有限元仿真精细优化正向传输系数特性，以获得最优共模EMI滤波特性的平面变压器，解决了平面变压器共模EMI滤波特性设计的盲目性问题，且减少了打样轮次，可有效缩短研发周期，降低研发成本，同时，经过多次优化以获得最优解，可靠性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法所设计的平面变压器的CM传导干扰滤波特性测试图；
图3为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法所设计的平面变压器的各匝线圈及磁芯的电位图；
图4为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法的第一子流程示意图；
图5为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法中2DRZ旋转模型的磁芯切边后的仿真模型图；
图6为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法中2DXY拉伸模型的仿真模型图；
图7为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法的初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷结果统计图；
图8为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法的第二子流程示意图；
图9为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法所设计的平面变压器的3D的全波电磁场仿真模型图；
图10为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法的第三子流程示意图；
图11为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法的正向传输系数仿真结果统计图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，图1为本发明实施例提供的平面变压器优化设计方法的流程示意图，所述平面变压器优化设计方法，包括以下步骤S11-S16：
步骤S11、共模EMI传导路径确定：确定平面变压器的共模EMI传导路径；其中，所述平面变压器的共模EMI传导路径通过电路原理图确定。
其中，在本实施例中，所设计的平面变压器用于Flyback手机充电器电源中，图2展示了平面变压器CM传导干扰滤波特性测试图，如图2所示，干扰源为初级绕组动点对静点的电压波动，经过初级绕组对次级绕组的分布电容，传播到次级静点，最终经过地回路回到初级绕组静点，且次级绕组静点与磁芯短接。平面变压器的共模EMI传导路径包括各匝绕组电位、平面变压器共模EMI滤波特性测试的接线方法、各匝线圈及磁芯的电位等信息。在图2中，Port1表示发射端口，Port2表示接收端口。
步骤S12、结构信息确定：确定磁芯绕组结构信息；其中，所述磁芯绕组结构信息包括磁芯模型、绕组结构、磁芯材料和绕组介电材料。根据所需设计的平面变压器的外形和效率等要求，选择确定包括磁芯模型、绕组结构、磁芯材料和绕组介电材料的磁芯绕组结构信息，磁芯绕组结构信息还包括绕组层数。优选地，磁芯模型可为跑道型磁芯中柱的EI磁芯，磁芯材料可为锰锌铁氧体合金，绕组层数为10层，绕组介电材料为环氧玻璃纤维布基板，绕组结构可为绕组的第1、2、9、10层为次级绕组、绕组的第4-7层为初级绕组以及屏蔽绕组分布于绕组的第3、8层。
步骤S13、粗优化：根据所述共模EMI传导路径及所述磁芯绕组结构信息建立2D电场仿真模型，以耦合电荷为研究对象对建立获得的所述2D电场仿真模型通过调整线圈相关参数进行有限元仿真粗优化，获得粗优化结果；其中，所述线圈相关参数包括屏蔽线圈的匝数、屏蔽线圈的线宽和屏蔽线圈的位置。屏蔽线圈是指平面变压器中不流通大电流的线圈，以对初级绕组和次级绕组之间进行电磁屏蔽，通过调整屏蔽线圈的匝数、线宽和位置可得到不同的屏蔽效果。所述2D电场仿真模型通过根据平面变压器的共模EMI传导路径中的各匝绕组电位、磁芯绕组结构信息中的磁芯模型、磁芯材料和绕组介电材料建立获得，2D电场仿真模型为在Maxwell2D中电场仿真的工程文件。以耦合电荷为研究对象是指以耦合电荷作为2D电场仿真模型的优化指标，则可通过2D电场仿真模型粗优化后可获得最小的初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷对应的平面变压器结构方案以作为粗优化结果。可通过调整线圈相关参数中的屏蔽线圈的匝数、屏蔽线圈的线宽和/或屏蔽线圈的位置对建立获得的所述2D电场仿真模型进行有限元仿真粗优化。
步骤S14、绕组PCBLayout绘制：根据所述粗优化结果绘制绕组PCB Layout；
步骤S15、精确仿真：根据平面变压器共模EMI滤波特性测试的接线方法、所述磁芯模型以及所述绕组PCBLayout，在ANSYSHFSS中建立全波电磁场仿真模型，仿真获取所述粗优化结果对应的正向传输系数；
步骤S16、最优解判断：根据获得的所述正向传输系数判断绘制获得的绕组PCBLayout对应的共模EMI滤波特性是否为最优。
其中，所述平面变压器优化设计方法先通过确定平面变压器的共模EMI传导路径、磁芯绕组结构信息以建立2D电场仿真模型，然后以耦合电荷为研究对象对2D电场仿真模型通过调整线圈相关参数进行有限元仿真粗优化，实现耦合电荷的快速优化，最后建立3D的全波电磁场仿真模型并进行有限元仿真精细优化正向传输系数特性，以获得最优共模EMI滤波特性的平面变压器，解决了平面变压器共模EMI滤波特性设计的盲目性问题，且减少了打样轮次，可有效缩短研发周期，降低研发成本，同时，经过多次优化以获得最优解，可靠性强。
具体地，在本实施例中，所述步骤S11具体为：
结合电路原理图和PCB绕组绕线方向，确定各匝绕组电位以及平面变压器共模EMI滤波特性测试的接线方法；
将各绕组端口间的电容以及绕组端口与初次级地间的电容视为短路；
将磁芯作为电位参考点，电势设为0V，确定各匝线圈及磁芯的电位。
其中，步骤S11的各子步骤可根据实际需求调整操作顺序，各匝线圈及磁芯的电位图如图3所示。
结合图4，具体地，所述步骤S13具体包括：
步骤S131、在Maxwell2D中根据所述共模EMI传导路径及所述磁芯绕组结构信息建立最接近平面变压器结构的2D模型；其中，对圆形磁芯中柱建立2DRZ旋转模型，如图5所示；对长方形磁芯中柱建立2DXY拉伸模型，如图6所示；对跑道型磁芯中柱建立2DRZ旋转模型和2DXY拉伸模型组合的双2D模型，若磁芯未将绕组完全包裹，需要根据实际情况切除2D模型的磁芯外边界。优选地，在本实施例中，所述磁芯模型为跑道型磁芯中柱的EI磁芯，磁芯未将绕组完全包裹，则需在Maxwell2D中建立2DRZ旋转模型和2DXY拉伸模型组合的双2D模型，并切除2DRZ旋转模型的磁芯的边界。
步骤S132、识别磁芯为导体，根据建立获得的所述最接近平面变压器结构的2D模型进行2D电场仿真，获得对应的2D电场仿真模型，通过场计算器计算初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷；其中，若初级绕组接磁芯，则磁芯计入初级绕组阵营，若次级绕组接磁芯，则磁芯计入次级绕组阵营。而双2D模型对应的2D电场仿真模型的总耦合电荷则需要计算2DXY拉伸模型和2DRZ旋转模型所对应的2D电场仿真模型的耦合电荷的代数和。在本实施例中，次级绕组接磁芯，则磁芯计入次级绕组阵营。
步骤S133、设置不同匝数的仿真算例对计算获得的所述初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷进行优化，以通过多次计算获取初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷中绝对值最小时的平面变压器结构方案；其中，在本实施例中，根据耦合电荷的大小和极性，可设置4个不同匝数的仿真算例进行优化。
当然，在其他实施例中，所述步骤S133可为：根据优化要求设置优化次数及对应的优化参数并根据每次的优化参数对计算获得的所述初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷进行优化；其中，优化要求为设计人员提出的可供优化的变量，如线圈相关参数，即包括屏蔽线圈的匝数、线宽或位置等参数。优化参数是指在Maxwell2D中所需设置的参数变量。
步骤S134、选择绝对值最小的初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷所对应的平面变压器结构方案作为所述粗优化结果。其中，初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷结果统计图如图7所示，当屏蔽线圈匝数为7时，初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷的绝对值最小，此时对应的平面变压器结构方案作为粗优化结果。
具体地，由于2D模型与真实模型之间存在差别，且优化结果也可能存在误差，步骤S14具体为：根据所述粗优化结果绘制初步优化绕组PCBLayout，调整所述屏蔽线圈的匝数，绘制多个接近绕组PCBLayout。其中，调整屏蔽线圈的匝数为对粗优化结果的屏蔽线圈的匝数进行增加或减少，然后根据调整更新后的屏蔽线圈的匝数绘制获得对应的绕组PCBLayout作为接近绕组PCB Layout。接近绕组PCBLayout的数目至少为两个，且对应的屏蔽线圈的匝数分别为对粗优化结果的屏蔽线圈的匝数进行增加和减少后所对应的接近绕组PCB Layout。在本实施例中，所述绕组PCBLayout包括初步优化绕组PCBLayout及四个接近绕组PCBLayout，四个接近绕组PCBLayout分别为第一接近绕组PCBLayout、第二接近绕组PCBLayout、第三接近绕组PCBLayout和第四接近绕组PCBLayout，各绕组PCBLayout按屏蔽线圈的匝数的数目从多到少排序依次为：第一接近绕组PCBLayout、第二接近绕组PCBLayout、初步优化绕组PCB Layout、第三接近绕组PCBLayout及第四接近绕组PCBLayout。
结合图8，具体地，在本实施例中，所述步骤S15具体包括：
步骤S151、将绘制获得的所述绕组PCBLayout转化为绕组PCBLayout的有限元仿真模型；其中，绕组PCBLayout可通过EDA软件绘制获得，绕组PCB Layout通过中间格式传递至HFSS3DLayout或SIwave中，然后再传递至HFSS，以获得绕组PCBLayout的有限元仿真模型。
步骤S152、进行平面变压器3D仿真建模，获得平面变压器的完整3D模型；其中，可通过于ANSYSAEDT内绘制磁芯3D模型或从外部于ANSYSAEDT导入磁芯3D模型，然后根据实际情况进行装配，获得平面变压器的完整3D模型。平面变压器的3D的全波电磁场仿真模型图如图9所示。
步骤S153、基于平面变压器共模EMI滤波特性测试的接线方法设置激励和接收端口；
步骤S154、对转换获得的绕组PCBLayout的有限元仿真模型对应的平面变压器的完整3D模型进行仿真，获得对应的正向传输系数。
结合图10，具体地，所述步骤S16具体包括：
步骤S161、最佳隔离度方案的获取：对获得的所述正向传输系数的幅值和相位曲线进行比较，获得隔离度最好的平面变压器结构方案；其中，隔离度最好是指正向传输系数最小，即负数绝对值最大。
步骤S162、最优方案或调整参数的获取：观察隔离度最好的平面变压器结构方案的正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中是否存在过零点，若存在，则判断该平面变压器结构方案为最优方案，否则，根据相位特征获取对应的需进行调整的线圈相关参数，根据获得的需进行调整的线圈相关参数返回执行步骤S13；其中，相位特征是指隔离度最好的平面变压器结构方案在[0,2MHz]频率区间中的正向传输系数的相位，在本实施例中，图11展示了正向传输系数仿真结果统计图，如图11所示，在0.76MHz频点上存在过零点，则该平面变压器结构方案为最优方案。
步骤S163、打样：对最优方案及所述最优方案的临近方案发出打样申请。其中，最优方案是指共模EMI滤波特性最优的平面变压器结构方案，临近方案是指与最优方案的屏蔽线圈的匝数相差±0.5匝的平面变压器结构方案。
具体地，所述步骤S162中的所述根据相位特征获取对应的需进行调整的线圈相关参数的步骤具体为：
若所需调整屏蔽线圈在发射端口所在网络，当所述正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中处于(0°,180°)区间时，增加负电位线圈的匝数或面积，或者，减小正电位线圈的匝数或面积；
若所需调整屏蔽线圈在接收端口所在网络，当所述正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中处于(0°,180°)区间时，应增加正电位线圈的匝数或面积，或者，减小负电位线圈的匝数或面积；
若所需调整屏蔽线圈在发射端口所在网络，当所述正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中处于(-180°,0°)区间时，应增加正电位线圈的匝数或面积，或者，减小负电位线圈的匝数或面积；
若所需调整屏蔽线圈在接收端口所在网络，当所述正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中处于(-180°,0°)区间时，应增加负电位线圈的匝数或面积，或者，减小正电位线圈的匝数或面积。
综上所述，本发明平面变压器优化设计方法先通过确定平面变压器的共模EMI传导路径、磁芯绕组结构信息以建立2D电场仿真模型，然后以耦合电荷为研究对象对2D电场仿真模型通过调整线圈相关参数进行有限元仿真粗优化，实现耦合电荷的快速优化，最后建立3D的全波电磁场仿真模型并进行有限元仿真精细优化正向传输系数特性，以获得最优共模EMI滤波特性的平面变压器，解决了平面变压器共模EMI滤波特性设计的盲目性问题，且减少了打样轮次，可有效缩短研发周期，降低研发成本，同时，经过多次优化以获得最优解，可靠性强。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种平面变压器优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
共模EMI传导路径确定：确定平面变压器的共模EMI传导路径；
结构信息确定：确定磁芯绕组结构信息；其中，所述磁芯绕组结构信息包括磁芯模型、绕组结构、磁芯材料和绕组介电材料；
粗优化：根据所述共模EMI传导路径及所述磁芯绕组结构信息建立2D电场仿真模型，以耦合电荷为研究对象对建立获得的所述2D电场仿真模型通过调整线圈相关参数进行有限元仿真粗优化，获得粗优化结果；其中，所述线圈相关参数包括屏蔽线圈的匝数、屏蔽线圈的线宽和屏蔽线圈的位置；
绕组PCBLayout绘制：根据所述粗优化结果绘制绕组PCBLayout；
精确仿真：根据平面变压器共模EMI滤波特性测试的接线方法、所述磁芯模型以及所述绕组PCBLayout，在ANSYSHFSS中建立全波电磁场仿真模型，仿真获取所述粗优化结果对应的正向传输系数；
最优解判断：根据获得的所述正向传输系数判断绘制获得的绕组PCB Layout对应的共模EMI滤波特性是否为最优。
2.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法，其特征在于，所述共模EMI传导路径确定的步骤为：
结合电路原理图和PCB绕组绕线方向，确定各匝绕组电位以及平面变压器共模EMI滤波特性测试的接线方法；将各绕组端口间的电容以及绕组端口与初次级地间的电容视为短路；将磁芯作为电位参考点，电势设为0V，确定各匝线圈及磁芯的电位。
3.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法，其特征在于，所述粗优化的步骤具体包括：
在Maxwell2D中根据所述共模EMI传导路径及所述磁芯绕组结构信息建立最接近平面变压器结构的2D模型；
识别磁芯为导体，根据建立获得的所述最接近平面变压器结构的2D模型进行2D电场仿真，获得对应的2D电场仿真模型，通过场计算器计算初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷；
设置不同匝数的仿真算例对计算获得的所述初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷进行优化；
选择绝对值最小的初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷所对应的平面变压器结构方案作为所述粗优化结果。
4.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法，其特征在于，所述粗优化的步骤具体包括：
在Maxwell2D中根据所述共模EMI传导路径及所述磁芯绕组结构信息建立最接近平面变压器结构的2D模型；
识别磁芯为导体，根据建立获得的所述最接近平面变压器结构的2D模型进行2D电场仿真，获得对应的2D电场仿真模型，通过场计算器计算初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷；
根据优化要求设置优化次数及对应的优化参数并根据每次的优化参数对计算获得的所述初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷进行优化；
选择绝对值最小的初级绕组阵营对次级绕组阵营的总耦合电荷所对应的平面变压器结构方案作为所述粗优化结果。
5.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法，其特征在于，所述绕组PCBLayout绘制的步骤具体为：根据所述粗优化结果绘制初步优化绕组PCB Layout，调整所述屏蔽线圈的匝数，绘制多个接近绕组PCBLayout。
6.根据权利要求5所述的平面变压器优化设计方法，其特征在于，所述精确仿真的步骤具体包括：
将绘制获得的所述绕组PCBLayout转化为绕组PCBLayout的有限元仿真模型；
进行平面变压器3D仿真建模，获得平面变压器的完整3D模型；
基于平面变压器共模EMI滤波特性测试的接线方法设置激励和接收端口；
对转换获得的绕组PCBLayout的有限元仿真模型对应的平面变压器的完整3D模型进行仿真，获得对应的正向传输系数。
7.根据权利要求6所述的平面变压器优化设计方法，其特征在于，所述最优解判断的步骤具体包括：
最佳隔离度方案的获取：对获得的所述正向传输系数的幅值和相位曲线进行比较，获得隔离度最好的平面变压器结构方案；
最优方案或调整参数的获取：观察隔离度最好的平面变压器结构方案的正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中是否存在过零点，若存在，则判断该平面变压器结构方案为最优方案，否则，根据相位特征获取对应的需进行调整的线圈相关参数，根据获得的需进行调整的线圈相关参数返回执行所述粗优化的步骤；
打样：对最优方案及所述最优方案的临近方案发出打样申请。
8.根据权利要求7所述的平面变压器优化设计方法，其特征在于，所述最优方案或调整参数的获取的步骤中的所述根据相位特征获取对应的需进行调整的线圈相关参数的步骤具体为：
若所需调整屏蔽线圈在发射端口所在网络，当所述正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中处于(0°,180°)区间时，增加负电位线圈的匝数或面积，或者，减小正电位线圈的匝数或面积；
若所需调整屏蔽线圈在接收端口所在网络，当所述正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中处于(0°,180°)区间时，应增加正电位线圈的匝数或面积，或者，减小负电位线圈的匝数或面积；
若所需调整屏蔽线圈在发射端口所在网络，当所述正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中处于(-180°,0°)区间时，应增加正电位线圈的匝数或面积，或者，减小负电位线圈的匝数或面积；
若所需调整屏蔽线圈在接收端口所在网络，当所述正向传输系数的相位在[0,2MHz]频率区间中处于(-180°,0°)区间时，应增加负电位线圈的匝数或面积，或者，减小正电位线圈的匝数或面积。
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