行业概况

当前，电力电子设备正朝着体积更小、功率密度更高和效率更高的方向发展。平面变压器，作为电力电子设备中的关键元件之一，其体积已经变得更小，重量更轻，性能也有了显著提升。特别是与传统的线绕变压器相比，基于PCB板的平面变压器在成本、体积、重量和性能等方面都表现更优，且发展迅速，在通信、计算机、汽车电子等行业已得到广泛应用。

传统设计和仿真方法

平面变压器的设计，尤其是线圈的设计，主要基于PCB板的Layout进行布局和设计。这种基于PCB板的线圈设计与传统的线绕电感在分布参数上有很大差异，对电路的影响较大，需要变压器设计师与PCB版布局设计师紧密合作，以确保设备达到最佳性能。

在PCB平面变压器的设计中，线圈的感量，铜损，磁损，线圈上的电流分布等物理量都是器件选型和做结构优化的重要依据。

目前，行业内主流的做法是使用业内认可的低频电磁仿真工具进行设计仿真。此行业常用软件在精度和效率上确实具有显著优势，但对于复杂的PCB线圈结构，它的建模能力受限，通常需要结合PCB布局文件（ECAD）和磁芯（MCAD）来快速构建仿真模型。

由于此行业常用软件需要导入3D模型才能进行仿真分析，PCB layout文件通常需要做一次从ECAD到MCAD的格式转换才能被Import到仿真软件。从ECAD到仿真软件能识别的MCAD的格式转换中，往往会出现很多“Dirty Geometry”，如模型部件之间的交叠,错误面等问题让此软件网格无法剖分，需要工程师花费巨大的精力去做模型的修复工作。

格式转换中常见的“Dirty Geometry”

在仿真设置方面，由于此行业常用软件的求解要求空间连续性，线圈的激励设置必须保证线圈为闭合线圈，或将线圈的激励面延伸到求解域边缘。这种激励方式的限制可能会导致额外的结构引入，从而影响线圈感量的计算准确性。

业内软件施加激励的局限

基于德图科技SonicMP的仿真方法和解决方案

德图科技自主研发的SonicMP针对此类应用场景，推出了一站式的解决方案，在仿真模型构建上，SonicMP支持直接导入PCB layout文件去构建线圈模型。同时在此基础上支持导入step等3D的磁芯模型。大大方便了此类器件的建模。

SonicMP模型处理

在仿真设置上与Maxwell等友商相比，SonicMP可以直接基于Pin去设定激励条件,更符合实际应用场景设定。 其采用的PEEC算法，不需要对空气域进行额外设定。规避了传统低频电磁仿真工具由于空气域尺寸不同，求解域边界条件的定义的差异等因素给仿真结果带来人为误差。  

基于Pin施加激励

基于PEEC算法，无需构建空气域

另外，SonicMP是一款由德图科技自主研发的，针对PCB和Package的多物理场仿真平台，产品涵盖了AC，DC分析、传热分析、热应力，低频电磁，CFD等多个物理方向，可以帮助用户在单一平台上实现对Package、 PCB 的多领域、多物理场耦合仿真，为用户提供更高的仿真精度，满足用户更全面的仿真需求从而帮助用户优化产品的SI/PI/热/结构可靠性等设计指标。

SonicMP多物理仿真平台

SonicMP案例演示

准确理解并评估平面变压器不同部件的损耗是高效设计的基础。而对于变压器而言，损耗来源主要分为两类，一类为线圈损耗，一类为磁芯损耗，其中磁芯损耗一直是此类器件设计中十分关心的参数，当下比较主流磁芯损耗的计算方式一般采用经典理论公式和Steinmetz模型；

   1） 在不考虑直流偏置情况下，经典的铁芯损耗表达式为：

其中Bm是交流通量的幅值，f是频率，K_h  是磁滞损耗参数，K_c  是涡流损耗参数，K_e  是剩余损耗参数 

   2） Steinmetz模型表达如下：

其中P_core是平均损耗功率密度，f是激励频率，Bm是磁通量密度峰值。这个公式表明单位体积的损耗P_core 是重复磁化频率和磁通密度的指数函数。C_m ，x和y 是经验参数，两个指数都可以不为整数，一般的1<x<2和 2<y<3。

以上系数都是通过导入软磁材料的P-B curve (Freq Dependent)材料参数，对其二次项形式求最小化即可得到曲线的参数

使用Steinmetz来表征磁芯损耗的本构关系,使用SonicMP对如下平面变压器做频域仿真分析，仿真设置如下；

Geometry

Current Excitation

材料参数如下：

Coils: Copper Core: 

Permeability: 

Effective BH curve 

Steinmetz coefficient: C_m= 0.00239, x=1.4, y=1.966 

Steinmetz's equation: C_m f^x B_m^y 

Effective BH Curve

通过调用SonicMP低频电磁分析模块，扫频分析，我们可以得出线圈损耗随频率变化的曲线，由下图可知线圈损耗随着频率的升高而升高。

Coil_Loss Curve（Freq Dependent）

通过频域分析我们也可得到磁芯损耗随频率变化的曲线，由下图可知磁芯损耗随着频率的升高而升高。

Core_Loss Curve（Freq Dependent）

同时，也可以通过SonicMP后处理功能查看某一特定频率下，磁芯损耗分布，线圈电流分布等物理量的场分布云图和线圈的R/L等参数，用户可以通过评估如下仿真结果来对产品进行优化。

Magnetic Flux Density Distribution（Freq 1MHz）

Current Density Distribution（Freq 1MHz）

self-inductance and resistance （Freq 1MHz）

变压器设计中有时需要通过频域分析，通过对有限元模型进行开路和短路相关仿真实验提取变压器的初级电阻、磁化电感和漏电感等本征参数搭建变压器等效电路。在此案例中，通过SonicMP进行相关频域分析，可构建如下等效电路。

总结

SonicMP针对当下复杂的PCB 平面变压器设计等应用场景，在模型构建，仿真设定等方面做了极大优化，极大地简化了用户在仿真前的准备工作，使其可以聚焦于产品设计本身，从而更高效的进行产品研发。同时，SonicMP能够耦合热，力等物理场，为此类器件设计提供一站式的多物理场耦合仿真服务，充分满足用户的仿真需求。