随着电子设备向高集成度、高效率、低功耗的方向发展,其对电源系统的要求也越来越高。模块电源由于其体积小、重量轻、应用灵活等特点,在计算机、通信、航空航天等领域得到了广泛的应用。与此同时,对模块电源的工作效率、功率密度、可靠性方面提出了更高要求。半导体器件的飞速发展为模块电源带来了更高的集成度与效率,相比之下,体积占比最大的功率磁性器件的发展则相对较慢。本文从模块电源中发热量最大、功耗最高的变压器出发,提升变压器的效率与可靠性。采用有源钳位正激电路拓扑,优化电路设计与PCB布局,最终完成小型高效、高可靠性模块电源的设计。首先,对变压器的相关理论做了介绍和分析。相较于传统变压器,平面变压器具有体积小、漏感低、生产一致性高等诸多优点,非常适用于小型隔离DC/DC模块电源。由于平面变压器特殊的结构,其设计过程与传统变压器不完全一致,进而提出了针对平面变压器的热设计流程。其次,针对平面变压器的绕组结构进行优化分析。在高频工作时,平面变压器的绕组会受趋肤效应和邻近效应的影响,其损耗以及漏感等寄生参数会发生改变。本文利用有限元电磁分析软件Maxwell对绕组结构仿真,结合理论对其分析说明。结果表明,采用交叉换位技术能有效降低平面变压器的漏感和绕组损耗。利用ANSYS Workbench软件平台对所设计的平面变压器电磁-热耦合分析,仿真得到的变压器温升满足设计要求。接着,分析了有源钳位正激电路拓扑,其具有较低的电压应力、较宽的输入电压适应范围以及较高的工作效率,适用于各类中小功率电源。并且与单端正激变换器相比,无需复位绕组结构,具有更高的磁心利用率。隔离变压器副边采用自驱同步整流技术,能有效降低肖特基整流二极管带来的传输损耗。采用TI公司LM5025D控制芯片,完成电源功率级和控制级电路设计,并在电源的器件选型以及PCB布局上做出优化。最后,结合平面变压器设计成果和相关电路计,最终完成模块电源样机的制作。模块电源在室温,标准输入28 V,输出5 V、12 A条件下进行测试,其效率约为92%,功率密度为2.0 W/cm3,纹波电压64 mV;输入16~36 V,输出5 V、12 A条件下,效率超过90%,纹波电压小于80 mV。将电源模块置于烘箱,在100℃满载输出条件下烤机48 h以上,其间保持稳定工作,效率超过90%。综上,设计的模块电源具有体积小(四分之一砖)、效率高(效率≥90%)、高温可靠性高(100℃满载条件高效稳定工作)等特点,实验结果较好地验证了上述理论分析与模块电源的设计思想。