當(dāng)航空航天領(lǐng)域在1990年代首次采用蝕刻銅箔替代漆包線時(shí)，磁性元件三維布線時(shí)代的序幕便已悄然拉開(kāi)。與傳統(tǒng)繞線變壓器相比，PCB繞組變壓器的本質(zhì)突破并非在于電磁原理革新，而是將手工纏繞的隨機(jī)性轉(zhuǎn)化為微米級(jí)可控的幾何精度——線寬公差從±200μm壓縮至±10μm。

本期高端訪談，《磁性元件與電源》采訪了長(zhǎng)沙泰科斯德技術(shù)有限公司總經(jīng)理?xiàng)盍?xí)斌，共同探討PCB繞組變壓器的性能優(yōu)勢(shì)、痛點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

三大優(yōu)勢(shì)奠定PCB繞組變壓器發(fā)展?jié)摿?/p>

相比于傳統(tǒng)變壓器，PCB繞組變壓器有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：

一是繞組排布靈活度高。以磁芯中柱繞制半匝副邊為例，手工繞線無(wú)法實(shí)現(xiàn)＜1匝的精確纏繞，機(jī)器繞制難度也指數(shù)級(jí)增加。

但PCB繞組卻可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)任意角度走線，如45°/135°非正交設(shè)計(jì)、銳角/鈍角、立體跳層等。

二是制程精細(xì)化。傳統(tǒng)變壓器制程一般是毫米級(jí)，PCB繞組變壓器制程可達(dá)微米級(jí)。

三是參數(shù)控制精準(zhǔn)。PCB繞組變壓器參數(shù)可控（半匝電感量精度達(dá)±3%），并支持磁路重構(gòu)，局部增強(qiáng)耦合（如半匝集中靠近氣隙），以及熱路重構(gòu)（在發(fā)熱區(qū)增厚銅箔）。

綜合來(lái)看，匝數(shù)非整數(shù)、繞組空間曲率變化，PCB是唯一解；磁-熱耦合精準(zhǔn)調(diào)控，PCB繞組變壓器也是最優(yōu)解。

5%市占率的困局

但是這種劃時(shí)代的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在當(dāng)前市場(chǎng)上卻鮮少見(jiàn)其身影。

據(jù)楊習(xí)斌介紹，目前PCB繞組變壓器在整個(gè)電源市場(chǎng)的占比預(yù)計(jì)僅為5%左右?！安](méi)有特別明確的應(yīng)用市場(chǎng)，目前相對(duì)明確的主要是通訊電源、手機(jī)充電器和模塊電源（如1/4磚、1/8磚DC-DC模塊電源）等對(duì)體積要求比較高場(chǎng)景?！?/p>

而導(dǎo)致這一結(jié)果的原因，是多方面的：

一是成本枷鎖。相比于傳統(tǒng)變壓器，PCB方案單價(jià)溢價(jià)高出35%左右，月產(chǎn)能＞10萬(wàn)只才能與傳統(tǒng)變壓器持平。

二是功率上限低。FR4和聚酰胺基材導(dǎo)熱性差，繞組銅排熱量難以導(dǎo)出，功率躍升成為PCB繞組變壓器的瓶頸。從整個(gè)行業(yè)看，目前量產(chǎn)的PCB繞組變壓器功率普遍小于500W，其適用范圍窄。

三是寄生參數(shù)優(yōu)化難度高。為了提升載流能力，PCB繞組變壓器需采用多層疊加結(jié)構(gòu)，但鄰近效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其渦流損耗顯著增大，加上窗口面積小，分布電容比傳統(tǒng)變壓器更大，優(yōu)化難度也更高。

其實(shí)早在新世紀(jì)伊始，華為、中興等頭部企業(yè)已開(kāi)始嘗試在服務(wù)器電源中采用PCB繞組變壓器。但正是因?yàn)榛膶?dǎo)熱差、高散熱成本以及多層疊構(gòu)的寄生參數(shù)，最終導(dǎo)致PCB繞組變壓器溢價(jià)難破，并未真正普及應(yīng)用。

14盎司銅厚突破千瓦功率瓶頸

泰科斯德在汽車電子領(lǐng)域的PCB繞組方案技術(shù)儲(chǔ)備始于2019年，通過(guò)多方技術(shù)探索，于2020年完成多個(gè)量產(chǎn)批次驗(yàn)證，充分具備技術(shù)落地能力。

楊習(xí)斌透露，提升功率需要增加銅厚，但這會(huì)導(dǎo)致多方面的問(wèn)題：

一是會(huì)加劇高頻下趨膚深度，降低內(nèi)部金屬利用率；

二是銅與FR4基材導(dǎo)熱系數(shù)不同，會(huì)導(dǎo)致熱量在銅-基材界面堆積，形成橫向熱阻壁壘，增加熱失控風(fēng)險(xiǎn)，銅排越厚，基材碳化風(fēng)險(xiǎn)越高；

三是銅與FR4基材熱膨脹系數(shù)差異回流焊時(shí)界面剪切應(yīng)力變大，增加分層率。

突破千瓦級(jí)功率瓶頸。據(jù)了解，目前業(yè)界的工藝水平普遍在3-5盎司，而泰科斯德PCB繞組變壓器銅厚已增加至14盎司（約0.5mm），功率已突破千瓦級(jí)。

楊習(xí)斌認(rèn)為，在保證多層板可制造性及電磁場(chǎng)分布不受影響的前提下，盡可能提升基材的導(dǎo)熱性能是關(guān)鍵。為此泰科斯德嘗試了各種基材的性能，并取得顯著效果。

探索新基材性能?！澳壳皝?lái)看陶瓷基板PCB方案具有較大發(fā)展?jié)摿Γ灰鉀Q多層板內(nèi)部的埋孔（類似于盲孔結(jié)構(gòu)）工藝難題即可?！睏盍?xí)斌如此告訴《磁性元件與電源》。

優(yōu)化系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)。楊習(xí)斌還提到，泰科斯德從系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)入手，在設(shè)計(jì)過(guò)程中解決繞組發(fā)熱均衡問(wèn)題，增大 PCB 接觸面積，優(yōu)化內(nèi)部銅排熱量導(dǎo)流通道，并確保良好的外部散熱條件；通過(guò)3D 利茲線結(jié)構(gòu)優(yōu)化繞組布局設(shè)計(jì)，抑制分布電容，并結(jié)合具體的電路拓?fù)溥M(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，這些問(wèn)題源于 PCB 繞組的結(jié)構(gòu)特性，難以有通用解決方案，需結(jié)合具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。

楊習(xí)斌告訴《磁性元件與電源》，對(duì)于PCB繞組變壓器而言，真正的挑戰(zhàn)正是這種方案設(shè)計(jì)能力，尤其是各種寄生參數(shù)的優(yōu)化能力，這需要企業(yè)掌握精確計(jì)算的磁性元件設(shè)計(jì)方法，而非傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)主義。

而這恰恰也是業(yè)界所缺乏的，目前多數(shù)磁性元件企業(yè)并未參與到PCB繞組變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程，更多只是負(fù)責(zé)組裝，原因在于很多磁性元件企業(yè)并不具備配合電源企業(yè)開(kāi)發(fā)的方案設(shè)計(jì)能力。

算力戰(zhàn)爭(zhēng)催生替代奇點(diǎn)

不過(guò)，隨著AI算力需求的爆發(fā)，PCB繞組變壓器得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)正一步步展現(xiàn)，尤其是精度優(yōu)勢(shì)正重塑產(chǎn)業(yè)版圖，一場(chǎng)靜默的技術(shù)替代浪潮正在醞釀。

未來(lái)算力密度提升導(dǎo)致耗電量激增，服務(wù)器電源的功率密度持續(xù)攀升是必然趨勢(shì)。隨著功率密度的提升，PCB繞組變壓器將成為服務(wù)器電源的更優(yōu)選擇。

當(dāng)參數(shù)容差從“厘米級(jí)”進(jìn)入“微米級(jí)”，經(jīng)驗(yàn)主義讓位于模型驅(qū)動(dòng)，工程師的核心能力從“公式套用”轉(zhuǎn)向“跨物理場(chǎng)耦合解耦”，這將大大壓縮通過(guò)試錯(cuò)方式找到設(shè)計(jì)最優(yōu)區(qū)間的可能性。

傳統(tǒng)變壓器設(shè)計(jì)更多基于經(jīng)驗(yàn)主義的試錯(cuò)，大部分設(shè)計(jì)是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式（如Steinmetz Equation）完成的，其寬泛誤差范圍較大。在過(guò)去設(shè)計(jì)裕量充足時(shí)尚可滿足需求；但面對(duì)AI服務(wù)器高頻化、小型化趨勢(shì)下的嚴(yán)苛參數(shù)容差，此類公式以及“補(bǔ)丁式進(jìn)化”已觸及設(shè)計(jì)極限，無(wú)法支撐精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

PCB繞組變壓器憑借結(jié)構(gòu)自由度與制程精度，正從“可選項(xiàng)”變?yōu)榇蠊β孰娫吹摹吧姹匦桧?xiàng)”。PCB繞組特有的設(shè)計(jì)靈活性，使其能夠在研發(fā)前端即系統(tǒng)性化解多類技術(shù)難點(diǎn)。這不僅大幅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝復(fù)雜度，更在終端應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了顯著提升的一致性與可靠性。

楊習(xí)斌認(rèn)為，未來(lái)真正推動(dòng)PCB繞組變壓器在國(guó)內(nèi)普及的，就是基于繞組靈活排布磁集成方案或矩陣變壓器結(jié)構(gòu)?！拔覀冾A(yù)判，PCB繞組變壓器將在未來(lái)3-5年內(nèi)取代大功率場(chǎng)景中50%以上的傳統(tǒng)變壓器，尤其在AI服務(wù)器電源領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)近乎全面替代。”

而楊習(xí)斌這番話，也可從英偉達(dá)發(fā)布的數(shù)據(jù)中心800V電源架構(gòu)中得到驗(yàn)證。

由于數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)48V低壓母線方案存在銅耗巨大、損耗高、發(fā)熱嚴(yán)重等，2025年5月，英偉達(dá)正式宣布推出下一代800V高壓直流（HVDC）數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)設(shè)想，旨在解決AI數(shù)據(jù)中心高功率需求下的能效和基礎(chǔ)設(shè)施瓶頸問(wèn)題。

從APEC2025（全球電力電子領(lǐng)域最具影響力的專業(yè)會(huì)議之一）對(duì)400/800V高壓直流（HVDC）數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)供電方案的解讀分析可以看出，就磁性元件方案而言，都采用了PCB繞組變壓器。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)半導(dǎo)體器件在摩爾定律驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)迭代時(shí)，變壓器仍深陷于材料物理的桎梏，其核心形態(tài)與上世紀(jì)中葉相比未發(fā)生本質(zhì)躍遷。PCB繞組這場(chǎng)革命，不僅讓變壓器更美觀，更讓其從能量轉(zhuǎn)換器進(jìn)化為磁電智能體，有望彌合代差鴻溝。

好消息是，雖然國(guó)外的研究投入和應(yīng)用探索遠(yuǎn)多于國(guó)內(nèi)，但并不存在跨時(shí)代的代差。那么，在三維集成與多物理場(chǎng)耦合層面重構(gòu)電力電子系統(tǒng)的創(chuàng)新范式的過(guò)程中，國(guó)內(nèi)變壓器企業(yè)能否將技術(shù)主權(quán)搶在手中？