Pengubah planar: teknologi, pengiraan, kos01/20/2018. Kaedah untuk menghasilkan pengubah satah berdasarkan papan litar bercetak berbilang lapisan

Transformer satah Payton dan tercekik (2005)

Salah satu tugas utama apabila membangunkan pengubah adalah untuk mengurangkan dimensi keseluruhannya sambil meningkatkan kuasa berkesan secara serentak. Hari ini, pengubah mengalami kelahiran kedua - teknologi tradisional membina pengubah digantikan dengan teknologi satah baharu. Prinsip membina peranti elektromagnet menggunakan teknologi baharu adalah menggunakan papan litar bercetak dan bukannya pemasangan bingkai dan penggulungan wayar. Peranan penggulungan dalam teknologi planar dimainkan oleh trek yang dicetak pada papan. Papan diletakkan dalam beberapa lapisan, dipisahkan oleh bahan penebat, dan disertakan dalam teras ferit.

Teknologi planar
Sehingga pertengahan 1980-an, teknologi pengubah satah dihadkan terutamanya kepada perkembangan dalam industri ketenteraan, penerbangan dan angkasa lepas. Pada asal-usul aplikasi komersial aktif teknologi planar adalah Alex Estrov, yang pada tahun 1986 menerbitkan beberapa data mengenai perkembangannya dalam bidang transformer planar yang beroperasi pada frekuensi resonans 1 MHz. Idea tersebut dijangka akan berjaya. Beberapa ketika kemudian, A. Estrov menganjurkan sebuah syarikat (hari ini ia dipanggil Payton Power Magnetics Ltd.), yang melancarkan pengeluaran besar-besaran transformer planar kuasa dan tercekik.
Apakah teknologi planar dan mengapa ia luar biasa? Mari kita pertimbangkan contoh yang menerangkan prinsip membina transformer satah (Rajah 1). Rajah menunjukkan pengubah dibuka. Ia terdiri daripada beberapa plat dengan lilitan penggulungan yang digunakan padanya dan plat penebat yang memisahkan plat penggulungan antara satu sama lain. Penggulungan pengubah dibuat dalam bentuk trek pada papan litar bercetak atau bahagian tembaga yang dicetak pada papan. Semua lapisan diletakkan di atas satu sama lain dan dipegang oleh dua keping teras ferit.
Keinginan untuk mengurangkan dimensi keseluruhan sambil meningkatkan kuasa adalah matlamat utama pembangunan peranti kuasa moden. Pada masa yang sama, transformer planar, tidak seperti yang tradisional, mempunyai kawasan penyejukan berkesan yang agak besar dan lebih mudah disejukkan - ia boleh digunakan pelbagai pilihan: radiator semula jadi, terpaksa, satu sisi dan dua belah, penyejukan cecair.
Satu lagi ciri positif peranti planar ialah penyebaran kecil parameter elektrik dari peranti ke peranti. Pengubah dengan penggulungan wayar mempunyai penyebaran parameter yang besar, kerana wayar semasa proses penggulungan terletak tidak sekata pada bingkai, yang tidak boleh tetapi menjejaskan parameter peranti (contohnya, induktansi, faktor kualiti). Transformer planar dipasang berdasarkan papan litar bercetak berbilang lapisan. Setiap papan dibuat menggunakan kaedah yang sama. Jejak pada papan juga dicetak. Papan goresan sentiasa proses yang sama. Kesilapan parameter pengubah planar adalah ratusan kali lebih kecil daripada kesilapan pengubah tradisional dengan penggulungan wayar.
Transformer planar sesuai untuk sistem telekomunikasi, komputer, penerbangan sistem on-board, bekalan kuasa, mesin kimpalan, sistem pemanasan aruhan - i.e. di mana sahaja pengubah kuasa dengan kecekapan tinggi dan dimensi kecil diperlukan.
Kelebihan utama transformer planar:
kuasa tinggi dengan kecil dimensi keseluruhan(10 W - 20 kW);
kecekapan peranti tinggi (97–99%);
julat suhu operasi yang luas: dari -40 hingga +130°C;
kekuatan dielektrik peranti 4-5 kV;
kearuhan kebocoran rendah;
julat frekuensi operasi peranti planar berjulat dari 20 kHz hingga 2.5 MHz;
kuasa tinggi dengan dimensi kecil: transformer planar biasanya termasuk dari satu hingga tujuh belitan;
penyebaran kecil parameter semasa pengeluaran bersiri peranti;
sangat Level rendah gangguan elektromagnet;
dimensi dan berat yang kecil.

Transformer satah Payton
Payton menghasilkan pelbagai jenis transformer planar dengan kuasa dari 5W hingga 20kW. Transformer Payton, bersaiz kecil (Rajah 2), mampu beroperasi pada kuasa tinggi dan memberikan ciri terma yang baik. Jadual 1 menyediakan data tentang saiz kuasa, berat dan saiz teras.

Barisan produk Payton termasuk peranti yang dinilai pada pelbagai tahap kuasa untuk digunakan dalam peralatan telekomunikasi, bekalan kuasa, penukar voltan AC/DC dan DC/DC, dsb. Jadual 2 membentangkan ciri-ciri utama beberapa jenis transformer satah daripada Payton.
Pada mulanya, pemaju Payton memberi tumpuan kepada pengeluaran transformer hanya untuk sumber nadi bekalan kuasa (SMPS), untuk digunakan dalam mesin kimpalan dan sistem pemanasan aruhan. Walau bagaimanapun, kini mereka digunakan hampir di mana-mana.
Transformer Payton moden sesuai untuk digunakan dalam SMPS untuk mesin kimpalan. Transformer sesuai dengan sempurna ke dalam struktur sumber, menjamin hayat perkhidmatan yang panjang. Adalah diketahui bahawa mesin kimpalan SMPS menjana nilai arus keluaran yang sangat tinggi. Oleh itu, dalam kebanyakan kes terdapat hanya beberapa pusingan sekunder. Oleh itu, transformer planar sesuai untuk arus tinggi dan boleh digunakan dalam peralatan kimpalan. Penggunaan transformer planar boleh mengurangkan saiz dan berat peranti akhir dengan ketara.

Transformer planar juga sesuai dengan struktur bekalan kuasa untuk sistem pemanasan aruhan. Untuk tujuan ini, sebagai contoh, pengubah 20 kW telah dihasilkan (Rajah 3) dengan dimensi 180x104x20mm.
Payton Power Magnetics menawarkan pengubah berplumbum untuk pelbagai kaedah pelekap, dengan kedua-dua pilihan pelekap permukaan dan lubang melalui PCB tersedia. Permukaan rata teras sesuai untuk pemasangan automatik. Di samping itu, terdapat peranti dengan terminal untuk pemasangan permukaan.

Payton planar tersedak
Payton menghasilkan pelbagai jenis pencekik yang dipasang menggunakan teknologi planar. Payton tercekik, seperti transformer, memberikan kuasa yang ketara walaupun saiznya kecil. Tercekik dihasilkan menggunakan teknologi pra-magnetisasi teras. Walaupun teknologi ini telah diketahui sejak sekian lama, ia tidak ditemui penggunaan yang meluas kerana kos yang tinggi bahan magnet khas yang digunakan secara tradisional untuk pembuatan teras, ketidakupayaan peranti untuk beroperasi pada frekuensi tinggi dan kemerosotan prestasi akibat penyahmagnetan teras. Jurutera Payton dapat menghapuskan kelemahan ini dengan menggunakan teras yang diperbuat daripada bahan feromagnetik - penggantian yang murah dan berkesan untuk teras yang diperbuat daripada magnet khas.
Teknologi pra-magnetisasi teras membolehkan anda menggandakan nilai kearuhan induktor tanpa mengubah arus, atau menggandakan nilai semasa dengan kearuhan yang sama. Teknologi baru pengeluaran tercekik membolehkan mengurangkan kehilangan kuasa sebanyak 4 kali ganda dan mengurangkan pad kenalan sebanyak 30–40% (Rajah 4).
Ujian tercekik untuk kemerosotan sifat magnetik telah menunjukkan bahawa pada frekuensi operasi sehingga 1 MHz, kemerosotan sifat magnet teras tidak berlaku walaupun kekuatan medan adalah 10 kali lebih tinggi daripada nilai operasi biasa.

Payton hibrid tercekik
Selain itu, Payton sedang giat membangunkan teknologi untuk membina pencekik planar hibrid yang mampu beroperasi pada frekuensi resonans tinggi. Peranti ini dibina berdasarkan teras ferromagnetik satah "6-lutut" yang digabungkan dengan penggulungan berbilang teras. Gabungan ini memungkinkan untuk mencapai faktor kualiti tinggi pada frekuensi tinggi. Sebagai contoh, nilai faktor kualiti pencekik dengan kearuhan 40 μH pada arus 3A dan frekuensi operasi 1 MHz ialah 500!

Penapis tercekik Payton
Payton juga membuat pencekik satah yang direka khusus untuk melemahkan gangguan mod biasa. Nisbah antara kearuhan kebocoran dan kearuhan kendiri peranti dikurangkan kepada 0.005%. Disebabkan kemuatan diri yang tinggi, pencekik mod biasa planar boleh termasuk kapasitor input dan output. Oleh itu, pencekik jenis ini boleh digunakan sebagai penapis mod biasa. Penapis pencekik planar sedang dibangunkan hari ini, yang akan beroperasi pada arus sehingga 200A.

Kesimpulan
Oleh kerana kestabilan ciri teknikal, kecekapan tinggi dan kaedah yang berkesan penyejukan komponen elektromagnet planar Payton, penggunaannya adalah penyelesaian yang menarik untuk pengeluar bekalan kuasa. Trend ke arah pengeluaran papan litar bercetak berbilang lapisan yang lebih murah menjadikan pengubah satah semakin tersedia untuk pelbagai jenis aplikasi. Ia boleh diandaikan bahawa dalam masa terdekat, peranti planar akan menggantikan sepenuhnya transformer luka dawai tradisional.

Artikel sebelum ini membincangkan kelebihan menggunakan transformer satah dalam saiz kecil dan peranti mudah alih Oh. Ciri-ciri teras ferit yang digunakan untuk mereka bentuk transformer satah juga diberikan. Penerbitan ini mencadangkan kaedah untuk mengira pengubah satah untuk penukar nadi hadapan dan belakang.

pengenalan

Transformer planar boleh dihasilkan sebagai komponen drop-in, sebagai pemasangan PCB satu lapisan atau PCB berbilang lapisan kecil, atau disepadukan ke dalam PCB bekalan kuasa berbilang lapisan.

Kelebihan penting komponen magnet planar ialah:

saiz yang sangat kecil;
ciri suhu yang sangat baik;
kearuhan kebocoran rendah;
kebolehulangan sifat yang sangat baik.

Pengukuran parameter operasi transformer planar dengan teras berbentuk W dan belitan dibuat berdasarkan multilayer papan litar bercetak, tunjukkan itu rintangan haba daripada peranti ini adalah jauh lebih rendah (sehingga 50%) berbanding dengan pengubah luka wayar konvensional dengan isipadu teras berkesan yang sama V e . Ini disebabkan nisbah luas permukaan teras yang lebih tinggi kepada isipadunya. Oleh itu, dengan peningkatan kapasiti penyejukan, pengubah satah dapat mengendalikan ketumpatan kuasa pemprosesan yang lebih tinggi sambil mengekalkan kenaikan suhu dalam had yang boleh diterima.

Risalah ini menerangkan kaedah cepat dan mudah untuk mereka bentuk pengubah kuasa planar dan menyediakan contoh peranti yang direka menggunakan kaedah ini.

Keputusan ujian operasi menunjukkan kenaikan suhu yang diukur adalah sesuai dengan data pengiraan.

nasi. 1. Transformer satah dibuka

nasi. 2. Pilihan reka bentuk untuk pengubah satah

Prosedur pengiraan

Penentuan aruhan magnet maksimum

Kehilangan dalam teras dan konduktor kuprum semasa operasi pengubah membawa kepada peningkatan suhu. Jumlah peningkatan ini tidak boleh melebihi had yang dibenarkan untuk mengelakkan kerosakan pada transformer atau seluruh litar. Pada keseimbangan terma, nilai jumlah kerugian dalam pengubah Ptrafo berkaitan dengan peningkatan suhu pengubah D T dengan hubungan yang serupa dengan hukum Ohm:

di mana R T ialah rintangan suhu pengubah. Malah, P trafo boleh dianggap sebagai kapasiti penyejukan transformer.

Adalah mungkin untuk mewujudkan formula empirikal yang secara langsung mengaitkan nilai rintangan haba pengubah kepada isipadu magnet berkesan V e teras ferit yang digunakan. Formula empirik ini sah untuk transformer luka dawai dengan teras RM dan ETD. Hubungan serupa kini telah ditemui untuk pengubah satah dengan teras berbentuk W.

Menggunakan hubungan ini, adalah mungkin untuk menganggarkan kenaikan suhu pengubah sebagai fungsi aruhan magnet dalam teras. Disebabkan ruang penggulungan yang terhad untuk komponen magnet planar, adalah disyorkan untuk menggunakan nilai ketumpatan fluks tertinggi yang mungkin.

Dengan mengandaikan bahawa separuh daripada jumlah kerugian dalam pengubah adalah kerugian teras, kita boleh menyatakan ketumpatan kehilangan teras maksimum teras P sebagai fungsi kenaikan suhu pengubah yang dibenarkan seperti berikut:

Kehilangan kuasa dalam ferit kami diukur sebagai fungsi frekuensi (f, Hz), ketumpatan fluks magnet puncak (B, T) dan suhu (T, ° C). Ketumpatan kehilangan teras boleh dikira lebih kurang menggunakan formula berikut:

Di sini C m, x, y, c t0, ct 1 dan ct 2 ialah parameter yang ditemui dengan menghampiri keluk kerugian empirikal. Parameter ini khusus untuk bahan tertentu. Dimensi mereka dipilih supaya pada suhu 100 °C nilai CT adalah sama dengan 1.

Jadual 1 menunjukkan nilai parameter di atas untuk beberapa jenama ferit berkuasa tinggi daripada Ferroxcube.

Jadual 1. Parameter anggaran untuk mengira ketumpatan kehilangan teras

Gred ferit	f, kHz	Cm	x	y	ct 2	ct 1	ct 0
3C30	20–100	7.13x10 –3	1,42	3,02	3.65x10 –4	6.65x10 –2	4
3C30	100–200	7.13x10 –3	1,42	3,02	4x10 –4	6.8x10 –2	3,8
3C90	20–200	3.2x10 –3	1,46	2,75	1.65x10 –4	3.1x10 –2	2,45
3C94	20–200	2.37x10 –3	1,46	2,75	1.65x10 –4	3.1x10 –2	2,45
3C94	200–400	2x10 –9	2,6	2,75	1.65x10 –4	3.1x10 –2	2,45
3F3	100-300	0.25x10 –3	1,63	2,45	0.79x10 –4	1.05x10 –2	1,26
	300-500	2x10 –5	1,8	2,5	0.77x10 –4	1.05x10 –2	1,28
	500-1000	3.6x10 –9	2,4	2,25	0.67x10 –4	0.81x10 –2	1,14
3F4	500-1000	12x10 –4	1,75	2,9	0.95x10 –4	1.1x10 –2	1,15
3F4	1000-3000	1.1x10 –11	2,8	2,4	0.34x10 –4	0.01x10 –2	0,67

maksimum nilai yang dibenarkan Pcore dikira menggunakan formula (2). Nilai ini kemudiannya digantikan ke dalam persamaan (3). Sekarang kita boleh mengira aruhan magnet maksimum yang dibenarkan Bpeak dengan menulis semula persamaan (3) seperti berikut:

Nota: nilai maksimum B yang dibenarkan boleh didapati dengan cara lain - dengan menulis program komputer, yang mengira kehilangan kuasa untuk bentuk isyarat arbitrari menggunakan formula (3) untuk nilai parameter anggaran yang diberikan. Kelebihan pendekatan ini ialah ia membolehkan anda mengira kerugian dengan mengambil kira bentuk mod sebenar B, serta memilih gred ferit yang optimum untuk kes tertentu.

Setelah menentukan aruhan magnet puncak maksimum yang dibenarkan, bilangan lilitan belitan primer dan sekunder boleh dikira menggunakan formula yang diketahui, termasuk topologi penukar dan jenis pengubah (contohnya, terbalik dan ke hadapan).

Keputusan mesti dibuat tentang bagaimana belitan akan diagihkan antara lapisan sedia ada. Arus yang mengalir dalam kesan akan menyebabkan suhu PCB meningkat. Atas sebab pengagihan haba, adalah disyorkan untuk mengagihkan lilitan belitan di lapisan luar secara simetri sehubungan dengan lilitan belitan di lapisan dalam.

nasi. 3. Puncak B dalam formula adalah sama dengan separuh ayunan ayunan aruhan dalam teras

Dari sudut kemagnetan pilihan terbaik adalah untuk menggantikan lapisan primer dan sekunder. Ini akan mengurangkan apa yang dipanggil kesan kedekatan (lihat halaman 4). Walau bagaimanapun, ketinggian rendah belitan planar dan bilangan lilitan yang diperlukan untuk aplikasi tertentu tidak selalu membenarkan pemilihan reka bentuk yang optimum.

Dari perspektif kos, adalah disyorkan untuk memilih PCB dengan ketebalan lapisan tembaga standard. Nilai ketebalan biasa yang digunakan oleh pengeluar PCB ialah 35 dan 70 mikron. Kenaikan suhu dalam belitan, yang disebabkan oleh arus yang mengalir, sangat bergantung pada ketebalan lapisan tembaga.

Piawaian keselamatan seperti IEC 950 memerlukan jarak 400 µm dalam bahan PCB (FR2 atau FR4) untuk memastikan penyahgandingan belitan sekunder daripada bekalan kuasa. Jika pengasingan daripada rangkaian tidak diperlukan, jarak 200 mikron antara lapisan penggulungan adalah mencukupi. Di samping itu, ia juga perlu mengambil kira lapisan untuk stensil - 50 mikron pada kedua-dua belah papan.

Lebar landasan yang membentuk belitan ditentukan berdasarkan magnitud arus dan ketumpatan arus maksimum yang dibenarkan. Jarak antara pusingan bergantung pada keupayaan pengeluaran dan bajet. Peraturan biasa ialah untuk jejak tebal 35 µm lebar dan jarak jejak harus lebih besar daripada 150 µm, dan untuk jejak tebal 70 µm ia harus lebih besar daripada 200 µm.

Bergantung pada keupayaan pembuatan pengilang PCB, dimensi mungkin lebih kecil, tetapi ini kemungkinan besar akan melibatkan peningkatan yang ketara dalam kos PCB. Bilangan lilitan dalam satu lapisan dan jarak antara lilitan ditetapkan Nl dan s, masing-masing. Kemudian, memandangkan lebar belitan bw yang tersedia, lebar trek wt boleh dikira menggunakan formula berikut (lihat Rajah 4):

nasi. 4. Lebar trek wt, jarak trek s dan lebar lilitan b w

Jika pengasingan daripada bekalan kuasa diperlukan, keadaan agak berubah. Teras dianggap sebahagian daripada litar penggulungan utama dan mesti dipisahkan dengan jarak 400 µm dari litar sekunder. Oleh itu, laluan arus kebocoran antara belitan sekunder berhampiran dengan sebelah kiri dan kanan teras dan teras itu sendiri hendaklah 400 μm. Dalam kes ini, lebar trek hendaklah dikira menggunakan formula (6), kerana 800 µm mesti ditolak daripada lebar belitan yang tersedia:

Dalam formula (5) dan (6) semua dimensi diberikan dalam mm.

Menentukan kenaikan suhu papan litar bercetak yang disebabkan oleh arus yang mengalir

Langkah terakhir yang perlu diambil ialah menentukan kenaikan suhu dalam kesan kuprum yang disebabkan oleh arus yang mengalir. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk mengira nilai semasa berkesan (rms) berdasarkan data input dan parameter output yang dikehendaki. Kaedah pengiraan bergantung kepada topologi yang digunakan.

Bahagian contoh menyediakan pengiraan untuk teknologi penukar hadapan dan belakang standard. Contoh hubungan antara pertumbuhan suhu dan nilai semasa berkesan untuk kawasan keratan rentas konduktor papan litar bercetak yang berbeza ditunjukkan dalam Rajah. 5. Dalam kes di mana terdapat konduktor tunggal, atau di mana induktansi tidak terlalu rapat, dari rajah ini lebar, ketebalan dan luas keratan rentas konduktor boleh ditentukan secara langsung, serta maksimum arus yang dibenarkan untuk setpoint kenaikan suhu yang berbeza.

nasi. 5. Hubungan antara saiz surih semasa, PCB dan kenaikan suhu

Kelemahan kaedah reka bentuk ini ialah ia mengandaikan bahawa haba yang terhasil dalam belitan adalah disebabkan oleh aliran arus terus, sedangkan pada hakikatnya terdapat arus ulang alik yang menyebabkan kesan kulit dan kedekatan.

Kesan kulit disebabkan oleh kehadiran dalam konduktor medan magnet yang dicipta oleh arus yang mengalir dalam konduktor ini sendiri. Perubahan pantas dalam arus (pada berfrekuensi tinggi) menginduksi aruhan berselang-seli, yang menyebabkan arus pusar. Arus pusar ini, yang menyumbang kepada arus utama, berada dalam arah yang bertentangan dengannya. Arus menjadi sifar di tengah konduktor dan bergerak ke arah permukaan. Ketumpatan arus berkurangan secara eksponen dari permukaan ke pusat.

Kedalaman lapisan permukaan d ialah jarak dari permukaan konduktor ke arah pusatnya, di mana ketumpatan arus berkurangan dengan faktor e. Kedalaman lapisan permukaan bergantung pada sifat bahan seperti kekonduksian elektrik dan kebolehtelapan magnet, dan ia adalah berkadar songsang punca kuasa dua daripada kekerapan. Untuk kuprum pada 60 °C, kedalaman lapisan permukaan boleh dikira lebih kurang menggunakan formula berikut:

Jika konduktor dengan ketebalan kurang daripada 2d diambil, sumbangan kesan ini akan dihadkan. Ini memberikan lebar trek kurang daripada 200 µm untuk 500 kHz. Jika lebar belitan yang lebih besar tersedia untuk bilangan lilitan yang diperlukan, penyelesaian terbaik dari sudut kemagnetan, ia adalah untuk memisahkan mereka ke dalam trek selari.

Dalam situasi sebenar, arus pusar akan hadir dalam konduktor, disebabkan bukan sahaja oleh perubahan medan magnet arusnya sendiri (kesan kulit), tetapi juga oleh medan konduktor lain yang terletak berdekatan. Kesan ini dipanggil kesan kedekatan. Jika lapisan primer dan sekunder silih berganti, pengaruh kesan ini adalah lebih kurang. Hakikatnya ialah arus dalam belitan primer dan sekunder mengalir dalam arah yang bertentangan, supaya medan magnet mereka membatalkan satu sama lain. Walau bagaimanapun, konduktor bersebelahan pada lapisan yang sama masih akan menyumbang beberapa kepada kesan kedekatan.

Keputusan empirikal

Pengukuran suhu dalam beberapa jenis reka bentuk papan litar bercetak dengan arus ulang alik yang mengalir dalam belitan menunjukkan dengan ketepatan yang munasabah bahawa pada frekuensi sehingga 1 MHz, setiap peningkatan frekuensi sebanyak 100 kHz memberikan peningkatan dalam suhu papan litar bercetak iaitu 2 °C lebih besar daripada nilai yang ditentukan untuk arus malar kes.

Matlamatnya adalah untuk mereka bentuk pengubah garis dengan parameter yang diberikan dalam jadual.

Sebagai langkah pertama, andaian dibuat bahawa pada frekuensi tertentu boleh kita ambil sangat penting aruhan magnet puncak - 160 mT. Kemudian kami akan menyemak sama ada ini mungkin untuk nilai kehilangan teras dan kenaikan suhu tertentu.

Contoh 1: Pengubah flyback

Jadual 2 menunjukkan bilangan lilitan yang dikira untuk enam gabungan teras W dan plat satah Ferroxcube piawai terkecil. Di samping itu, nilai-nilai kearuhan diri penggulungan primer, lebar jurang udara dan arus, dikira menggunakan formula dari Kotak 1, diberikan.

Jadual 2. Pengiraan parameter reka bentuk beberapa transformer talian

teras	Ae, mm 2	Ve, mm 3	N1	N2	NIC	G, µm	Parameter yang dikira lain
E-PLT14	14,5	240	63	7,4	7,2	113	L prim = 638 µH
E-E14	14,3	300	63	7,4	7,2	113	I p (rms.) = 186 mA
E-PLT18	39,5	800	23	2,7	2,6	41	I o (rms.) = 1593 mA
E-E18	39,5	960	23	2,7	2,6	41
E-PLT22	78,5	2040	12	1,4	1,4	22
E-E22	78,5	2550	12	1,4	1,4	22

Daripada Jadual 2 dapat dilihat bahawa bilangan lilitan belitan primer yang diperlukan untuk set teras E-E14 dan E-PLT14 adalah terlalu besar untuk belitan dibuat berdasarkan papan litar bercetak berbilang lapisan. Oleh itu, gabungan teras E-E18 dan E-PLT18 kelihatan seperti pilihan terbaik. Membundarkan keputusan pengiraan untuk N1, N2 dan NIC memberikan nombor 24, 3 dan 3 masing-masing.

Untuk menentukan kerugian dalam kes gelombang aruhan segi tiga unipolar dengan frekuensi 120 kHz, aruhan puncak 160 mT dan suhu operasi 95 °C, program berdasarkan ungkapan (3) telah digunakan. Untuk ferit berkuasa tinggi 3C30 dan 3C90, kerugian teras yang dijangkakan ialah 385 mW/cm3 dan 430 mW/cm3, masing-masing.

Ketumpatan kehilangan yang dibenarkan pada D T=35°C ialah 470 mW/cm3 untuk E-PLT18 dan 429 mW/cm3 untuk E-E18 (daripada ungkapan (1)).

Kesimpulannya ialah ferit 3C30 dan 3C30 boleh digunakan dalam kedua-dua kombinasi teras. Ferrite yang kurang berkualiti dengan kehilangan kuasa yang besar akan menyebabkan juga pertumbuhan yang hebat suhu.

24 pusingan belitan primer boleh diagihkan secara simetri pada 2 atau 4 lapisan. Lebar belitan yang tersedia untuk teras E-18 ialah 4.6 mm. Daripada ini dapat dilihat bahawa pilihan dengan dua lapisan 12 pusingan setiap satu akan sukar untuk dilaksanakan dan oleh itu mahal. Untuk melakukan ini, anda perlu menggunakan laluan yang sangat sempit dengan padang yang sangat kecil. Oleh itu, pilihan dengan empat lapisan, 6 pusingan setiap satu, dipilih. Lebih sedikit lapisan dalam PCB berbilang lapisan akan menyebabkan kos pengeluaran yang lebih rendah. Oleh itu, kami akan menyediakan 3 lilitan lagi lilitan primer (untuk voltan IC) dan 3 lilitan lilitan sekunder, dan satu lapisan untuk setiap satu. Oleh itu, adalah mungkin untuk membina struktur dengan enam lapisan, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 3.

Jadual 3. Contoh reka bentuk pengubah enam lapisan

Lapisan	Bilangan pusingan	35 µm	70 µm
stensil		50 µm	50 µm
utama	6	35 µm	70 µm
penebat		200 µm	200 µm
utama	6	35 µm	70 µm
penebat		200 µm	200 µm
IC utama	3	35 µm	70 µm
penebat		400 µm	400 µm
menengah	3	35 µm	70 µm
penebat		400 µm	400 µm
utama	6	35 µm	70 µm
penebat		200 µm	200 µm
utama	6	35 µm	70 µm
stensil		50 µm	50 µm
JUMLAH		1710 µm	1920 µm

Bergantung pada jumlah haba yang dijana oleh arus yang mengalir, anda boleh memilih ketebalan kesan tembaga 35 mikron atau 70 mikron. Jarak 400 µm diperlukan antara lapisan belitan primer dan sekunder untuk memastikan pengasingan daripada rangkaian. Kombinasi E-PLT18 mempunyai tingkap penggulungan minimum 1.8 mm. Ini mencukupi untuk ketebalan trek 35 mikron, yang memberikan jumlah ketebalan papan litar bercetak kira-kira 1710 mikron.

Untuk mengurangkan kos reka bentuk, kami memilih jarak antara trek 300 μm. Mengira lebar trek penggulungan sekunder menggunakan formula (5) memberikan hasil 1.06 mm, termasuk penyahgandingan daripada rangkaian.

Menggunakan rajah dalam Rajah. 5 dan nilai berkesan arus yang dikira (lihat Jadual 2) dalam belitan sekunder bersamaan dengan 1.6 A, kami memperoleh peningkatan suhu sebanyak 25 °C untuk trek dengan ketebalan 35 mikron dan kira-kira 7 °C untuk trek dengan ketebalan sebanyak 70 mikron.

Kami mengandaikan bahawa kenaikan suhu yang disebabkan oleh kehilangan penggulungan adalah kira-kira separuh daripada jumlah kenaikan suhu, dalam kes ini 17.5 °C. Jelas sekali, dengan ketebalan surih 35 mikron, kenaikan suhu yang disebabkan oleh arus berkesan 1.6 A akan menjadi terlalu tinggi, jadi surih dengan ketebalan 70 mikron perlu digunakan.

Lebar trek lilitan belitan primer boleh dikira menggunakan formula (5). Ia akan bersamaan dengan kira-kira 416 mikron. Dengan lebar trek ini, arus berkesan 0.24 A dalam belitan primer tidak mungkin membawa kepada sebarang peningkatan suhu.

Oleh kerana frekuensi ialah 120 kHz, peningkatan tambahan dalam suhu PCB kira-kira 2 °C dijangka berbanding keadaan apabila hanya arus malar yang mengalir. Jumlah kenaikan suhu PCB yang disebabkan oleh aliran arus sahaja akan kekal di bawah 10 °C.

PCB enam lapisan dengan jejak 70 mikron mesti berfungsi dalam parameter yang dikira. Ketebalan nominal PCB adalah sekitar 1920 mikron, yang bermaksud gabungan teras E-PLT18 W dan wafer standard tidak akan berfungsi dalam kes ini. Anda boleh menggunakan gabungan E-E18 standard dua teras berbentuk W dengan tingkap penggulungan 3.6 mm. Walau bagaimanapun, tingkap berliku yang besar sepertinya tidak diperlukan di sini, lebih-lebih lagi penyelesaian yang elegan akan ada teras bukan piawai yang mempunyai tingkap berukuran kira-kira 2 mm.

Pengukuran yang dilakukan pada reka bentuk yang setanding dengan teras dua bahagian ferit 3C90 berbentuk W mencatatkan peningkatan suhu sebanyak 28 °C. Ini selaras dengan pengiraan kami, yang memberikan peningkatan suhu sebanyak 17.5 °C disebabkan oleh kehilangan teras dan 10 °C disebabkan oleh kehilangan penggulungan.

Sambungan antara belitan primer dan sekunder adalah baik kerana kearuhan kebocoran hanya 0.6% daripada kearuhan belitan primer.

Contoh 2. Pengubah hadapan

Matlamat di sini adalah untuk mereka bentuk pengubah ke hadapan dengan keupayaan untuk memilih salah satu daripada empat nisbah transformasi, yang sering digunakan dalam penukar DC-DC berkuasa rendah. Ciri-ciri yang dikehendaki ditunjukkan dalam jadual di atas.

Mula-mula anda perlu menyemak sama ada ia sesuai untuknya kes ini gabungan saiz teras terkecil daripada julat standard - E-PLT14 dan E-E14. Mengira ketumpatan kehilangan maksimum yang dibenarkan dalam teras pada peningkatan suhu 50 °C, kami memperoleh 1095 mW/cm3 untuk gabungan E-E14 dua teras berbentuk W dan 1225 mW/cm3 untuk gabungan E-PLT14 W -berbentuk teras dan plat. Seterusnya, kami mengira ketumpatan kehilangan dalam teras menggunakan formula (3) dalam kes gelombang aruhan segi tiga unipolar dengan frekuensi 500 kHz untuk beberapa nilai aruhan puncak.

Keputusan yang diperoleh menunjukkan bahawa pada aruhan magnet puncak kira-kira 100 mT, kerugian adalah kurang daripada maksimum yang dibenarkan, dikira dengan formula (2). Bilangan lilitan dan arus berkesan dikira menggunakan formula yang diberikan dalam Kotak 1. Dengan ketumpatan fluks magnet puncak 100 mT dan parameter yang dinyatakan di atas, ternyata pada frekuensi 530 kHz E-E14 dan E-PLT14 kombinasi sesuai digunakan dan bilangan pusingan boleh diterima. Keputusan pengiraan ditunjukkan dalam Jadual 4.

Jadual 4. Pengiraan parameter reka bentuk beberapa transformer langsung

teras	Vin, V	Vout, V	N1	N2	L prim, µH	I o(eff.), mA	Imag, mA	I p(eff.), mA
E-PLT14	48	5	14	3,2	690	2441	60	543
	48	3,3	14	2,1	690	3699	60	548
	24	5	7	3,2	172	2441	121	1087
	24	3,3	7	2,1	172	3669	212	1097
E-E14	48	5	14	3,2	855	2441	48	539
	48	3,3	14	2,1	855	3669	48	544
	24	5	7	3,2	172	2441	97	1079
	24	3,3	7	2,1	172	3669	97	1080

Penentuan akhir ketumpatan kehilangan teras pada Suhu Operasi 100 °C untuk borang yang ditetapkan gelombang aruhan dengan frekuensi 530 kHz memberikan keputusan 1030 mW/cm 3 untuk ferit 3F3 dan 1580 mW/cm 3 untuk ferit 3F4. Jelas sekali pilihan terbaik ialah 3F3. Kenaikan suhu dalam teras E-PLT14 ialah:

(ketumpatan kerugian dikira dalam 3F3/ketumpatan kerugian yang dibenarkan) X 1/2DT = (1030/1225) X 25 °C = 21 °C.

Untuk gabungan E-E14 kenaikan suhu ialah 23.5 °C. Penggulungan primer memerlukan 7 atau 14 pusingan bergantung pada voltan masukan. Dalam kes pengubah langsung konvensional, bilangan lilitan yang sama diperlukan untuk belitan penyahmagnetan (memulihkan). Untuk dapat menggunakan 7 atau 14 lilitan dan bilangan lilitan yang sama untuk belitan penyahmagnetan, reka bentuk dengan 4 lapisan 7 lilitan setiap satu telah dipilih. Apabila 7 lilitan lilitan primer dan demagnetisasi diperlukan, lilitan dua lapisan disambung secara selari. Ini akan memberi kesan tambahan- mengurangkan separuh kepadatan arus dalam trek penggulungan.

Apabila 14 lilitan lilitan primer dan demagnetisasi diperlukan, lilitan dua lapisan disambung secara bersiri, supaya jumlah berkesan pusingan menjadi sama dengan 14.

Lebar belitan yang tersedia untuk teras E-14 ialah 3.65mm. Untuk reka bentuk kos efektif dengan jarak trek 300 µm, lebar trek pada 7 pusingan setiap lapisan ialah 178 µm.

Ketebalan trek hendaklah 70 mikron, kerana pada voltan masukan 24 V, arus berkesan dalam belitan primer ialah kira-kira 1.09 A. Ini memberikan (lihat Jadual 2) dengan lebar trek berkesan 356 mikron (lebar berganda Akibatnya sambungan selari bahagian penggulungan apabila menggunakan 7 pusingan) kenaikan suhu 15 °C. Voltan masukan 48V akan menghasilkan arus berkesan kira-kira 0.54A.

Dalam kes ini, sumbangan kerugian dalam penggulungan kepada peningkatan suhu keseluruhan adalah kira-kira 14 °C dengan lebar trek 178 μm (14 pusingan disambung secara bersiri).

Lebar trek, bersamaan dengan 178 mikron, dengan jarak antara mereka 300 mikron dengan ketebalan trek 70 mikron, menyimpang sedikit daripada apa yang telah kami berikan peraturan biasa(jarak trek dan lebar trek > 200 µm). Ini boleh menyebabkan kos pembuatan lebih tinggi sedikit untuk PCB berbilang lapisan. Penggulungan sekunder memerlukan 3 atau 2 pusingan. Apabila satu lapisan diperuntukkan kepada setiap selekoh, lebar trek ialah 810 dan 1370 µm, masing-masing. Arus berkesan dalam belitan sekunder, bersamaan dengan 2.44 dan 3.70 A, menyebabkan peningkatan suhu dalam belitan kira-kira 25 °C, yang, dengan mengambil kira peningkatan suhu dalam belitan primer, adalah terlalu banyak. Dalam kes ini, penyelesaian terbaik ialah menggunakan 2 lapisan untuk kedua-dua belitan. Apabila lapisan ini, yang setiap satunya mempunyai 3 lilitan, disambung secara selari, ketumpatan arus menjadi separuh. Daripada Rajah. 5, boleh ditentukan bahawa sumbangan kerugian penggulungan kepada jumlah peningkatan suhu dalam keadaan ini adalah kira-kira 6 °C. Jumlah kenaikan suhu dalam PCB ialah kira-kira 21°C ditambah kenaikan tambahan yang disebabkan oleh kehilangan AC. Oleh kerana frekuensinya ialah 500 kHz, adalah perlu untuk menambah kira-kira 10 °C lagi, yang bermaksud bahawa suhu PCB akan meningkat sebanyak 31 °C.

Bilangan lilitan dan lebar untuk setiap lapisan reka bentuk ini diberikan dalam Jadual 5. Sekurang-kurangnya satu lapisan, yang ditunjukkan dalam jadual sebagai tambahan, diperlukan untuk membuat sambungan. Walau bagaimanapun, ini akan memberi kita sejumlah 9 lapisan, yang dari segi pengeluaran adalah sama dengan 10 lapisan (nombor genap seterusnya). Atas sebab ini, lapisan atas dan bawah PCB digunakan sebagai lapisan tambahan - juga kerana ia memberi faedah tambahan: ketumpatan semasa dalam trek dibelah dua. Jejak pada lapisan ini bersambung ke jejak dalam lapisan dalam melalui lubang bersalut tembaga dan "membawa" input dan output belitan primer dan sekunder ke dua sisi papan litar bercetak. Bergantung pada bagaimana input dan output pada sisi primer dan sekunder disambungkan, 4 nilai nisbah transformasi yang berbeza boleh diperolehi.

Jadual 5. Contoh reka bentuk 10 lapisan

Lapisan	Bilangan pusingan	70 µm
stensil		50 µm
lapisan tambahan		70 µm
penebat		200 µm
degaussing primer	7	70 µm
penebat		200 µm
utama	7	70 µm
penebat		200 µm
menengah	3	70 µm
penebat		200 µm
menengah	2	70 µm
penebat		200 µm
menengah	2	70 µm
penebat		200 µm
menengah	3	70 µm
penebat		200 µm
utama	7	70 µm
penebat		200 µm
degaussing primer	7	70 µm
penebat		200 µm
lapisan tambahan		70 µm
stensil		50 µm
JUMLAH:		2600 µm

Jumlah ketebalan PCB nominal adalah kira-kira 2.6mm, yang melebihi tetingkap penggulungan gabungan teras E-PLT14 yang tersedia sebanyak 1.8mm. Gabungan E-E14 boleh digunakan, namun ia mempunyai tetingkap penggulungan minimum 3.6mm - jauh lebih besar daripada yang sebenarnya diperlukan. Penyelesaian yang lebih berjaya ialah teras bukan standard dengan saiz tetingkap yang lebih kecil.

Pengukuran suhu papan litar bercetak ini dibuat menggunakan termokopel di keadaan yang berbeza. Untuk ujian, kami menggunakan pilihan penukaran 24/5 V, yang memberikan ketumpatan semasa tertinggi. Pertama, arus terus yang sama dengan yang dikira dibekalkan secara berasingan kepada belitan primer dan sekunder. Arus terus dalam belitan primer 1079 mA memberikan kenaikan suhu sebanyak 12.5 °C, dan arus dalam belitan sekunder 2441 mA memberikan kenaikan suhu sebanyak 7.5 °C. Seperti yang dijangkakan, apabila kedua-dua arus digunakan pada PCB pada masa yang sama, kenaikan suhu ialah 20°C.

Prosedur di atas diulang untuk arus ulang alik beberapa frekuensi dengan nilai berkesan sama dengan yang dikira. Pada frekuensi 500 kHz, jumlah peningkatan suhu dalam papan litar bercetak ialah 32 °C. Peningkatan suhu tambahan terbesar (7 °C) yang disebabkan oleh kehilangan AC diperhatikan dalam belitan sekunder. Ini adalah logik, kerana pengaruh kesan kulit lebih ketara dalam trek lebar belitan sekunder daripada dalam trek sempit belitan primer.

Akhirnya, pengukuran suhu telah dijalankan dengan teras standard (gabungan E-E14) dipasang pada PCB di bawah keadaan yang sepadan dengan keadaan operasi pengubah langsung. Kenaikan suhu papan litar bercetak ialah 49 °C; titik pemanasan maksimum teras adalah di bahagian atasnya dan suhu di situ ialah 53 °C. Peningkatan suhu 49 °C dan 51 °C diperhatikan di bahagian tengah teras dan bahagian luarnya, masing-masing.

Seperti yang diramalkan oleh pengiraan, reka bentuk ini agak kritikal untuk set dua teras berbentuk W, kerana suhu pada titik pemanasan maksimum direkodkan pada 53 °C, iaitu melebihi 50 °C. Walau bagaimanapun, apabila menggunakan teras berbentuk W yang lebih rata (bukan standard), suhu berada dalam had yang boleh diterima.

Dalam artikel seterusnya kita akan melihat contoh pengiraan penukar DC/DC 25 watt berdasarkan pengubah satah.

kesusasteraan

Mulder S. A. Nota aplikasi pada reka bentuk pengubah frekuensi tinggi profil rendah. Komponen Ferroxcube. 1990.
Mulder S. A. Formula kehilangan untuk ferit kuasa dan penggunaannya dalam reka bentuk pengubah. Komponen Philips. 1994.
Durbaum Th., Albach M. Teras kerugian dalam transformer dengan bentuk arbitrari arus magnetisasi. EPE Sevilla. 1995.
Brockmeyer A. Penilaian eksperimen pengaruh pramagnetisasi DC pada sifat ferit elektronik kuasa. Universiti Teknologi Aachen. 1995.
Nota teknikal Komponen Ferroxcube. Penukar 25 Watt DC/DC menggunakan magnet planar bersepadu. 9398 236 26011. 1996.

Penggunaan pengubah kuasa planar dan papan pada substrat duralumin dalam bekalan kuasa moden Vyacheslav Makarov
Alexander Rushikhin

Keperluan moden untuk mengurangkan saiz dan berat bekalan kuasa pensuisan memaksa pemaju mencari kompromi antara harga dan dimensinya, untuk mencapai pengurangan berat dan peningkatan kecekapan. Hampir segala-galanya telah dibuat untuk pengecilan bekalan kuasa pensuisan - cip kawalan khas telah dibuat, suis besar-besaran dengan kerugian yang rendah dan, nampaknya, reka bentuk telah diolah dengan terperinci terkecil.

Pada masa yang sama, untuk pengubah kuasa dan tercekik adalah perlu untuk menggunakan komponen luka dawai tradisional, yang, disebabkan oleh bingkai yang digunakan, meningkatkan jisim dan dimensi sumber kuasa.

Satu lagi masalah popular ialah penjanaan haba yang tinggi bagi bekalan kuasa, suis besar dan papan kuasa untuk mengawal pemacu motor elektrik - semua bahagian peralatan radio yang kami panggil elektronik kuasa. Untuk ini, kita juga mesti menambah voltan operasi tertinggi dan potensi peranti yang serupa.

Tetapi teknologi moden papan litar bercetak, dipamerkan di pasaran Rusia oleh syarikat Rusia-Sweden bersama NKAB-ERIKON dan dilaksanakan dalam pengeluaran besar-besaran oleh syarikat Rusia MMP IRBIS, memungkinkan untuk meningkatkan kebolehpercayaan dan kebolehkilangan bahagian induktif mana-mana sumber kuasa dan mengeluarkan haba berlebihan.

Transformer kuasa planar (Rajah 1), pertama kali dibangunkan pada akhir 80-an, tidak digunakan secara meluas kerana teknologi pengeluaran yang kompleks, yang masih kompleks hari ini.

nasi. 1. Pengubah satah

Tetapi peningkatan berterusan proses teknologi dalam tahun lepas memungkinkan untuk mengurangkan dengan ketara harga transformer kuasa dan tercekik dan menjadikannya berdaya saing dalam pasaran moden bekalan kuasa.

Kelebihan mereka berbanding dengan produk wayar klasik:

berat ringan - 15 g setiap 100 W kuasa;
terutamanya kebolehpercayaan yang tinggi;
kearuhan kebocoran rendah, kerugian rendah pada frekuensi tertinggi;
julat frekuensi operasi yang luas: dari 50 kHz hingga 1 MHz;
Kecekapan lebih daripada 98% dan penyejukan struktur yang baik memungkinkan untuk menghantar kuasa dari 10 watt kepada unit kW;
suhu operasi dari -40 hingga +130 °C;
voltan operasi antara belitan adalah lebih daripada 1000 V;
kebolehulangan ciri yang sangat baik disebabkan oleh teknologi pengeluaran yang digunakan;
kemungkinan pemasangan automatik;
ketinggian pengubah kuasa rendah, serasi dengan komponen SMD.
Jika perlu, ketinggian boleh dikurangkan dengan menggunakan belitan polimida (Rajah 2);
keupayaan untuk meningkatkan kuasa pengubah kuasa menggunakan pakej belitan (Rajah 3).

nasi. 2. Belitan polimida

nasi. 3. Pakej belitan pengubah kuasa

Kini pengenalan transformer satah dalam salinan tunggal masih tidak sesuai mengikut pertimbangan mereka harga tertinggi. Tetapi sudah dalam satu kelompok harga ini menjadi terpakai, dan dalam pengeluaran besar-besaran ia jauh lebih rendah daripada harga analog konvensional. Dengan semua ini, kebaikan sifat-sifat itu tidak dapat dinafikan.

Menggunakan prospek baharu, MMP "IRBIS" telah dibangunkan siri terbaru bekalan kuasa SMP50...SMP150 dengan pengenalan komponen magnet tanpa bingkai dengan ciri teknikal dan tenaga berikutnya (lihat jadual, Rajah 4).

nasi. 4. Graf kecekapan berbanding kuasa output untuk modul SMPE150S (Uout = 15 V) pada Uin = 48 V

Jadual. Sifat teknikal modul kuasa SMP50...SMP150

Penukar frekuensi voltan siri modul kuasa ini dibuat mengikut litar dua pengubah yang ditunjukkan dalam Rajah. 5.

nasi. 5. Penukar voltan frekuensi
Kelebihan skim ini ialah:

pensuisan transistor kuasa "lembut", ketiadaan lonjakan voltan merentasinya dan, akibatnya, kemungkinan menggunakan lebih banyak transistor voltan rendah dengan Rdson terkecil;

kitaran penuh pembalikan magnetisasi teras pengubah kuasa (bekerja dalam kuadran pertama dan ke-3 satah B-H);

pelbagai arus beban operasi dari bergerak terbiar sehingga Inmax;

kecekapan tertinggi.

Di samping itu, dalam litar gabungan tidak ada pencekik keluaran; peranannya dimainkan oleh trans-choke T2 flyback, yang serupa dengan ciri-ciri pengubah kuasa hadapan T1, yang memudahkan dan menyatukan proses pengeluaran.

Transformer kuasa T1 dan T2 dibuat pada teras planar ELP22 (bahan N87), belitannya berbilang lapisan litar bersepadu. Faedah yang diperlukan komponen magnet planar ialah:

saiz kecil;
kearuhan kebocoran rendah;
kebolehulangan ciri yang baik;
ciri kehilangan haba yang lebih baik.

Pengukuran ciri prestasi pengubah satah dengan belitan yang dibuat berdasarkan papan litar bercetak berbilang lapisan menunjukkan bahawa rintangan haba peranti ini jauh lebih rendah berbanding dengan pengubah kuasa konvensional dengan belitan wayar untuk volum teras berkesan yang sama Ve. Ini dibenarkan oleh nisbah luas permukaan teras yang lebih tinggi kepada isipadunya. Oleh itu, dengan peningkatan kapasiti penyejukan, pengubah satah dapat dikawal dengan ketumpatan kuasa daya pemprosesan yang lebih tinggi, sambil pada masa yang sama mengekalkan kenaikan suhu dalam had yang boleh diterima.

Menurut data awal yang disediakan oleh pakar dari syarikat MMP IRBIS, reka bentuk dan pembuatan papan litar bercetak berbilang lapisan untuk pengubah kuasa T1, T2 telah dijalankan oleh syarikat Rusia NKAB-ERIKON. Pusingan belitan primer dan sekunder diletakkan dalam beberapa lapisan papan litar bercetak, dengan satu pusingan dalam satu lapisan. Pengasingan galvanik 1500 V disediakan di antara belitan primer dan sekunder.

Untuk kesan kuprum rata seperti itu, kehilangan tembaga AC disebabkan oleh kulit dan kesan kedekatan adalah kurang daripada wayar bulat dengan luas keratan rentas yang sama. Tetapi, jika boleh, adalah perlu untuk mengelakkan lilitan penggulungan daripada memasuki zon jurang, di mana aruhan paling besar dan berorientasikan serenjang dengan satah penggulungan.

Satu lagi perkara yang positif Ia akan menjadi bahawa apabila belitan terletak satu di atas yang lain, gandingan magnetik bertambah baik dan nilai pekali gandingan hampir 100% boleh dicapai.

Dengan cara ini, kegunaan praktikal pengubah satah dengan papan litar bercetak berbilang lapisan (Rajah 6) ditambah dengan litar elektronik yang cekap (Rajah 5) mengesahkan kemungkinan memperoleh ketumpatan kuasa tertinggi 3390 W/dm3 dengan dimensi keseluruhan modul kuasa 61O58O12.5 mm. Bidang pelaksanaan yang disyorkan:

nasi. 6. Contoh menggunakan papan litar bercetak berbilang lapisan sebagai penggulungan pengubah kuasa untuk modul kuasa SMPE150S

nasi. 7. Pengubah kuasa untuk tujuan perindustrian dan ketenteraan am

nasi. 8. Pengubah isyarat sistem telekomunikasi

Digunakan dalam elektronik kuasa untuk penyingkiran haba, papan pada substrat duralumin ialah struktur (Rajah 9) bagi substrat penyingkir haba, dielektrik dan lapisan kerajang kuprum. Reka bentuk boleh berbilang lapisan dan mempunyai vias. Substrat penenggelam haba biasanya diperbuat daripada duralumin. Ia jauh lebih murah daripada polycor atau titalan (Al + Ti2O3) dan boleh digunakan dalam pengeluaran besar-besaran. Di samping itu, ia membolehkan anda meningkatkan beban semasa konduktor bercetak papan sebanyak beberapa kali.

nasi. 9. Papan pada substrat duralumin

Lapisan dielektrik dengan ketebalan 50-150 mikron memberikan voltan pecahan 6-14 kV dan kekonduksian terma 1.1-2.2 kW/(m2°C). Ketebalan kerajang tembaga ialah 35-350 mikron. Proses teknologi Pengeluaran papan litar bercetak ini adalah serupa dengan proses FR4, tetapi mempunyai ciri reka bentuk yang berkaitan dengan penggunaan kerajang tebal dan biasanya voltan tertinggi dalam litar kuasa.

Dalam Rajah. Rajah 10 menunjukkan contoh membina unit REA menggunakan dielektrik yang diterangkan.

nasi. 10. Contoh mereka bentuk unit EDM

Transformer planar adalah alternatif yang sangat baik kepada transformer standard dan tercekik luka wayar. Asas untuk transformer planar ialah papan litar bercetak berbilang lapisan.

Hari ini, pembangunan transformer planar memerlukan penggunaan komponen dengan saiz minimum, kerana dimensi elektronik sentiasa berkurangan.

Transformer kuasa planar

Reka bentuk pengubah kuasa planar boleh dilakukan sama ada dengan komponen over-the-board, seperti satu lapisan atau papan berbilang lapisan kecil, atau sebagai PCB berbilang lapisan.

Kelebihan transformer satah:

mempunyai saiz kecil;
mempunyai ciri suhu yang sangat baik;
mempunyai kearuhan kebocoran yang rendah;
mempunyai kebolehulangan sifat yang sangat baik.

Oleh kerana nisbah luas permukaan teras yang lebih tinggi kepada isipadunya, rintangan haba peranti sedemikian boleh 2 kali lebih rendah daripada transformer luka dawai konvensional.

Rajah 1. Reka bentuk transformer satah

Oleh itu, disebabkan peningkatan kapasiti penyejukannya, pengubah satah boleh mengendalikan ketumpatan kuasa pemprosesan yang lebih tinggi sambil mengekalkan kenaikan suhu dalam had yang boleh diterima.

Transformer planar berdasarkan papan litar bercetak berbilang lapisan

Apabila ia datang kepada komponen semikonduktor, termasuk yang pasif, yang termasuk kapasitor dan perintang, terdapat pilihan yang agak luas.

Walau bagaimanapun, hari ini kita akan bercakap tentang transformer planar.

Biasanya, dalam banyak kes, pereka menggunakan pengubah standard dan pencekik yang digulung wayar. Tetapi kami akan menerangkan pengubah satah (PT) berdasarkan papan berbilang lapisan.

Memandangkan kos papan berbilang lapisan cenderung menurun, transformer satah secara beransur-ansur menggantikan yang konvensional. Terutama dalam kes di mana komponen magnet kecil diperlukan.

Dalam teknologi pengeluaran pengubah satah, belitan dimainkan oleh trek pada papan litar bercetak atau bahagian tembaga yang dicetak dan dipisahkan oleh pelbagai lapisan bahan penebat.

Penggulungan juga boleh dibuat daripada papan berbilang lapisan. Mereka diletakkan di antara teras ferit kecil.

Mengenai reka bentuk transformer planar, mereka boleh dibahagikan kepada beberapa jenis.

Komponen planar yang dipasang – ia paling hampir dengan komponen induktif konvensional. Mereka boleh menggantikan bahagian konvensional pada papan litar bercetak tunggal atau berbilang lapisan. Ketinggian komponen planar berengsel boleh dikurangkan dengan merendam teras dalam potongan papan litar bercetak. Dalam kes ini, penggulungan harus terletak di permukaan papan.
Jenis hibrid transformer satah. Jenis ini melibatkan memasukkan sebahagian daripada belitan ke dalam papan induk. Pada masa yang sama, bahagian lain belitan terletak pada papan litar bercetak berbilang lapisan, yang disambungkan ke papan induk. Tetapi dalam kes ini, papan induk mesti mempunyai lubang untuk teras ferit.
Penggulungan disepadukan sepenuhnya ke dalam PCB berbilang lapisan. Bahagian teras disambungkan dengan melekat atau mengapit. Ia semua bergantung pada keutamaan pelanggan dan pengilang.

Kelebihan teknologi planar

Berbanding dengan penggulungan wayar konvensional, teknologi planar untuk pembuatan komponen magnetik mempunyai beberapa kelebihan.

Transformer planar menemui aplikasi pertama mereka dalam penukaran kuasa. Untuk tujuan ini, ferit frekuensi pertengahan dan tinggi digunakan dalam transformer satah. Anda boleh membeli pengubah planar daripada pengilang.

Jika anda berminat dengan pembangunan transformer satah yang dibuat khas, maka induktansi pencekik penapis talian boleh ditingkatkan dengan menggantikan ferit yang berkuasa dengan bahan dengan kebolehtelapan magnet yang tinggi.

Dalam penghantaran isyarat berdenyut pengubah jalur lebar, terletak di antara IC penjana nadi dan kabel, menyediakan padanan penyahgandingan dan impedans. Dalam kes antara muka S- atau T, ia juga mestilah ferit dengan kebolehtelapan magnet yang tinggi.

Pengurangan berterusan dalam saiz produk elektronik, terutamanya peranti mudah alih, membawa kepada fakta bahawa pemaju terpaksa menggunakan komponen dengan dimensi minimum. Bagi komponen semikonduktor, serta komponen pasif seperti perintang dan kapasitor, pilihannya agak besar dan pelbagai. Kami akan mempertimbangkan penggantian bersaiz kecil untuk elemen pasif lain - transformer dan tercekik. Dalam kebanyakan kes, pereka menggunakan transformer standard dan induktor luka wayar. Kami akan mempertimbangkan kelebihan transformer planar (PT) berdasarkan papan litar bercetak berbilang lapisan. Kos papan litar bercetak berbilang lapisan sentiasa berkurangan, jadi transformer planar akan menjadi pengganti yang baik untuk yang konvensional.

Transformer planar menawarkan alternatif yang menarik transformer biasa dalam kes di mana komponen magnet bersaiz kecil diperlukan. Dengan teknologi planar untuk pembuatan komponen induktif, peranan belitan boleh dilakukan oleh trek pada papan litar bercetak atau bahagian tembaga yang didepositkan dengan mencetak dan dipisahkan oleh lapisan bahan penebat, dan sebagai tambahan, belitan boleh dibina dari multilayer. papan litar bercetak. Penggulungan ini diletakkan di antara teras ferit kecil. Berdasarkan reka bentuknya, komponen planar dibahagikan kepada beberapa jenis. Perkara yang paling hampir dengan komponen induktif konvensional ialah komponen planar yang dipasang di dinding, yang boleh digunakan sebagai ganti bahagian konvensional pada PCB tunggal dan berbilang lapisan. Ketinggian komponen overhed boleh dikurangkan dengan membenamkan teras ke dalam potongan papan litar bercetak supaya belitan terletak pada permukaan papan. Satu langkah ke hadapan ialah jenis hibrid, di mana beberapa belitan dibina ke dalam papan induk dan sebahagian lagi berada pada PCB berbilang lapisan berasingan yang disambungkan ke papan induk. Papan induk mesti mempunyai lubang untuk teras ferit. Akhir sekali, dengan jenis komponen planar yang terakhir, penggulungan disepadukan sepenuhnya ke dalam PCB berbilang lapisan.

Seperti komponen luka dawai konvensional, bahagian teras boleh dicantumkan dengan melekatkan atau dengan mengapit, bergantung pada keupayaan dan pilihan pengeluar. FERROXCUBE menawarkan rangkaian luas teras berbentuk W planar untuk pelbagai aplikasi.

Kelebihan teknologi planar

Teknologi planar untuk pembuatan komponen magnetik mempunyai beberapa kelebihan berbanding dengan penggulungan wayar konvensional. Kelebihan pertama yang jelas adalah ketinggian yang sangat rendah, yang menjadikan komponen planar menjanjikan untuk digunakan dalam rackmount dan peralatan mudah alih dengan ketumpatan tinggi pemasangan

Komponen magnet planar sangat sesuai untuk pembangunan penukar kuasa pensuisan berkecekapan tinggi. Kehilangan tembaga AC yang rendah dan pekali gandingan yang tinggi memastikan penukaran yang lebih cekap. Disebabkan oleh kearuhan kebocoran yang rendah, lonjakan voltan dan turun naik yang menyebabkan kegagalan komponen MOS dan sumber tambahan gangguan

Teknologi planar adalah mudah dan boleh dipercayai dalam pengeluaran. Jadual 1–3 menerangkan kelebihan dan batasan teknologi ini.

Jadual 1. Faedah Pembangunan

Jadual 2. Faedah pembuatan

Jadual 3. Had

(1) Kos PCB berbilang lapisan semakin berkurangan. Jumlah kos: tiada bingkai diperlukan, saiz yang lebih kecil teras.

Bersepadu berbanding komponen pemalam

Komponen planar bersepadu digunakan dalam aplikasi di mana kerumitan litar sekeliling memerlukan penggunaan PCB berbilang lapisan. Aplikasi biasa ialah penukar kuasa rendah dan peranti pemprosesan isyarat. Mereka terutamanya menggunakan gabungan teras berbentuk W dan plat kecil. Keperluan reka bentuk utama di sini ialah ketinggian rendah dan ciri frekuensi tinggi yang baik.

Komponen boleh melekat digunakan secara berbeza. Aplikasi biasa ialah penukar kuasa tinggi; Mereka terutamanya menggunakan gabungan dua teras besar berbentuk W. Keperluan reka bentuk utama di sini ialah prestasi terma. Reka bentuk penggulungan bergantung, khususnya, pada magnitud arus.

Membenamkan komponen yang dipasang ke dalam papan membolehkan anda mengurangkan ketinggian pemasangan tanpa mengubah lokasi komponen.

Komponen hibrid mengurangkan bilangan belitan overhed melalui jejak pada papan litar bercetak, dan dalam versi bersepadu tiada belitan overhed sama sekali. Gabungan kedua-dua jenis ini juga mungkin. Sebagai contoh, penukar kuasa mungkin mempunyai belitan utama pengubah dan pencek penapis talian terbina ke dalam papan induk, dan penggulungan sekunder dan output tercekik pada papan litar bercetak yang berasingan (Rajah 3).

Ikatan berbanding pengapit

Pilihan antara ikatan dan pengapit bergantung sebahagian besarnya pada keupayaan dan keutamaan pengeluar, tetapi terdapat juga keperluan khusus aplikasi yang mungkin menentukan satu atau yang lain sebagai lebih diingini.

Aplikasi pertama transformer planar ialah penukaran kuasa. Sehubungan itu, ferit berkuasa frekuensi pertengahan dan tinggi telah digunakan. Kearuhan pencekik penapis talian boleh ditingkatkan dengan menggantikan ferit berkuasa dengan bahan dengan kebolehtelapan magnet yang tinggi. Dalam penghantaran isyarat berdenyut, pengubah jalur lebar yang terletak di antara IC penjana berdenyut dan kabel menyediakan padanan penyahgandingan dan impedans. Dalam kes antara muka S- atau T, ia juga mestilah ferit dengan kebolehtelapan magnet yang tinggi. Teras ferit kebolehtelapan tinggi 3E6 telah ditambah pada rangkaian produk FERROXCUBE. Senarai aplikasi di mana penggunaan teknologi planar boleh memberi faedah diberikan di bawah.

Penukaran kuasa

Komponen
- Pengubah kuasa, tercekik keluaran atau resonans, tercekik penapis talian.
Penerus (bekalan kuasa utama)
- Menukar bekalan kuasa.
- Peranti mengecas ( Telefon bimbit, komputer riba).
- Peralatan kawalan dan pengukuran.
Penukar DC/DC
- Modul penukaran kuasa.
- Suis rangkaian.
- Telefon bimbit (sumber kuasa utama).
- Komputer riba (sumber kuasa utama).
- Kenderaan elektrik (penukar voltan daya tarikan kepada voltan 12 V).
Penukar AC (bekalan kuasa utama)
- Penukar padat untuk lampu pendarfluor.
- Pemanasan induksi, kimpalan.
Penyongsang (bekalan kuasa bateri)
- Telefon bimbit (lampu latar LCD).
- Komputer riba (lampu latar LCD).
- Lampu depan kereta pelepasan gas (balast).
- Tingkap belakang kereta yang dipanaskan (penukar rangsangan).

Penghantaran nadi

Komponen
- Transformer jalur lebar.
- S 0 -antara muka (talian telefon pelanggan).
- Antara muka U (garisan pelanggan ISDN).
- Antara muka T1/T2 ( garisan utama antara suis rangkaian).
- Antara muka ADSL.
- Antara muka HDSL.

Jadual 4. Ciri-ciri bahan

Jadual 5. Teras untuk ikatan (tanpa ceruk)

Jadual 6. Bahan teras pengikatan

(*) - separuh teras untuk digunakan dalam kombinasi dengan teras berbentuk W tanpa celah atau plat.

(**) - separuh teras dengan kebolehtelapan magnet yang tinggi.

E160 – E - separuh teras dengan jurang simetri. A L = 160 nH (diukur dalam kombinasi dengan separuh teras dengan jurang simetri).

A25 – E - separuh teras dengan jurang tidak simetri. A L = 25 nH (diukur dalam kombinasi dengan separuh teras tanpa jurang).

A25 – P - separuh teras dengan jurang tidak simetri. A L = 25 nH (diukur dalam kombinasi dengan plat).

1100/1300 - separuh teras tanpa jurang. AL = 1100/1300 nH (diukur dalam kombinasi dengan separuh teras tanpa celah/plat).

Nilai AL (nH) diukur pada B≤0.1 mT, f≤10 kHz, T = 25 °C.

Toleransi A L:

Jadual 7. Kebergantungan ciri pada kuasa (teras untuk ikatan)

Jadual 8. Teras dengan sambungan pengapit

Rangkaian produk

FERROXCUBE menawarkan rangkaian luas teras berbentuk W planar dalam julat saiz 14–64 mm. Dalam versi asas untuk ikatan, keratan rentas sentiasa seragam, yang membolehkan penggunaan optimum isipadu ferit. Untuk setiap saiz terdapat teras berbentuk W (ditunjuk oleh huruf E) dan plat yang sepadan (ditunjuk oleh huruf PLT). Set mungkin terdiri daripada teras berbentuk W dan plat atau dua teras berbentuk W. Dalam kes kedua, ketinggian tingkap penggulungan digandakan. Untuk saiz terkecil terdapat juga satu set teras dan plat berbentuk W dalam versi dengan sambungan pengapit. Ia menggunakan teras bertakuk berbentuk W (ditetapkan E/R) dan plat beralur (ditetapkan PLT/S). Pengapit (CLM yang ditetapkan) terkunci ke dalam ceruk teras dan menyediakan sambungan yang kuat dengan menekan plat pada dua titik. Alur menghalang plat daripada bergerak, walaupun di bawah kejutan atau getaran yang teruk, dan juga memastikan penjajaran. Untuk gabungan dua teras berbentuk W, sambungan pengapit tidak disediakan.

Jadual 9. Bahan teras sambungan pengapit

(1) - separuh teras untuk digunakan dalam kombinasi dengan pinggan.

A63 – P - separuh teras dengan jurang tidak simetri. A L = 63 nH (diukur dalam kombinasi dengan plat).

1280 - separuh teras tanpa jurang.

A L = 1280 nH (diukur dalam kombinasi dengan plat).

Nilai A L (nH) diukur pada B≤0.1 mT, f≤10 kHz, T = 25 °C.

Toleransi A L:

Jadual 10. Kebergantungan ciri pada kuasa (teras dengan sambungan pengapit)

Teras ferit kuasa 3F3 (frekuensi operasi sehingga 500 kHz) dan 3F4 (500 kHz - 3 MHz) tersedia dalam semua saiz. Teras terbesar juga diperbuat daripada ferit 3C85 (frekuensi operasi sehingga 200 kHz), kerana teras besar sering digunakan dalam peranti frekuensi rendah berkuasa tinggi. Teras saiz terkecil juga tersedia, diperbuat daripada ferit 3E6 kebolehtelapan tinggi (μ i = 12000), untuk digunakan dalam pencekik penapis rangkaian dan pengubah jalur lebar.

Pakej

Filem plastik digunakan sebagai pembungkusan standard untuk teras dan plat berbentuk satah W.

Jadual 11. Pembungkusan

Jadual 12. Kotak dengan teras

Jadual 13. Kotak dengan pengapit

Jadual 14. Pembungkusan pita

Untuk teras E14/3.5/5 dan E18/4/10, pembungkusan pita prototaip telah dibangunkan untuk digunakan dengan peralatan pemasangan automatik bagi komponen SMD. Kaedah pembungkusan adalah mengikut IEC-286 Bahagian 3. Plat dibungkus dengan cara yang sama seperti teras-W yang sepadan.

Pembangunan

Untuk memanfaatkan sepenuhnya manfaat teknologi planar, adalah perlu untuk mengikuti konsep reka bentuk yang berbeza daripada penggulungan wayar. Berikut adalah beberapa pertimbangan untuk membimbing anda dalam hal ini.

Pemilihan teras

Aruhan magnetik

Prestasi terma yang dipertingkatkan membolehkan kehilangan kuasa dua kali ganda reka bentuk konvensional untuk jumlah medan magnet yang sama, jadi nilai ketumpatan fluks optimum akan lebih tinggi daripada biasa.

Ruang udara

Jurang yang besar tidak diingini dalam reka bentuk planar kerana ia mewujudkan fluks kebocoran. Fluks tepi bergantung pada nisbah ketinggian tingkap penggulungan kepada lebar jurang udara, yang lebih kecil untuk teras rata. Jika ketinggian tingkap hanya beberapa kali lebih lebar jurang, dan lebarnya beberapa kali lebih besar daripada lebar bahagian tengah teras, maka aliran magnitud yang ketara akan timbul antara bahagian atas dan bawah teras. Nilai besar tepi dan fluks bersilang membawa kepada kehilangan arus pusar yang besar dalam belitan.

Reka bentuk penggulungan

Rintangan di DC

Surih kuprum yang paling biasa digunakan ialah 35, 70, 100 dan 200 mikron tebal. Jika luas keratan rentas jejak tidak mencukupi untuk mendapatkan rintangan DC yang boleh diterima, jejak boleh disambung secara selari untuk semua atau sebahagian daripada lilitan.

Rintangan AC

Kehilangan kuprum AC disebabkan oleh kulit dan kesan kedekatan adalah kurang untuk kesan kuprum rata berbanding wayar bulat dengan luas keratan rentas yang sama. Arus pusar teraruh di sekitar celah udara boleh dikurangkan dengan mengeluarkan beberapa pusingan pada titik di mana aruhan maksimum dan diarahkan berserenjang dengan satah belitan. Gabungan teras W/plat mempunyai fluks kebocoran yang kurang sedikit daripada gabungan dua teras W disebabkan oleh lokasi jurang udara.

Kearuhan kebocoran

Apabila belitan terletak satu di atas yang lain, gandingan magnet adalah sangat kuat, dan nilai pekali gandingan hampir 100% boleh dicapai (Rajah 13, a).

Reka bentuk sebelumnya membawa kepada kapasitans interwinding yang lebih tinggi. Kapasiti ini boleh dikurangkan dengan meletakkan trek belitan bersebelahan dalam ruang antara satu sama lain (Rajah 13, b).

Lebih-lebih lagi, kebolehulangan nilai kapasitansi membolehkan ia diberi pampasan dalam seluruh litar, serta digunakan dalam struktur resonans. Dalam kes kedua, anda boleh mencipta kapasiti besar dengan sengaja dengan meletakkan trek belitan bersebelahan bertentangan antara satu sama lain (Rajah 13, c).

Pengeluaran

perhimpunan

Apabila menggunakan pengapit, anda mesti memasukkan pengapit terlebih dahulu ke dalam ceruk teras dan kemudian menyelaraskan plat secara sisi.

Untuk komponen bersepadu, pemasangan digabungkan dengan pemasangan.

Pemasangan

Apabila menggunakan komponen luaran, anda boleh menggunakan papan lubang tembus atau pemasangan SMD. Tiada perbezaan yang ketara daripada proses biasa

Permukaan rata teras sangat sesuai untuk pemasangan automatik.

Untuk komponen bersepadu, pemasangan sebaiknya dilakukan dalam dua peringkat:

Lekatkan separuh daripada teras pada papan litar bercetak. Untuk melakukan ini, anda boleh menggunakan gam yang sama seperti untuk memasang komponen SMD, dan langkah ini secara logik digabungkan dengan memasang komponen SMD pada bahagian PCB ini.
Lekatkan separuh kedua teras pada yang pertama. Komen yang sama yang dibuat mengenai pemasangan komponen berengsel digunakan di sini.

Memateri

Terpakai kepada transformer yang dipasang sahaja.

Dalam kes pematerian aliran semula, kaedah pemanasan pilihan adalah perolakan panas dan bukannya sinaran inframerah, kerana kaedah pertama memastikan penyamaan suhu permukaan yang dipateri. Apabila dipanaskan dengan sinaran inframerah menggunakan bahan standard, kekonduksian terma yang baik bagi komponen planar boleh menyebabkan suhu tampal pateri menjadi terlalu rendah, dan apabila kuasa penyinaran meningkat, suhu PCB mungkin terlalu tinggi. Jika pemanasan inframerah digunakan, adalah disyorkan untuk memilih pes pateri dan/atau bahan PCB yang berbeza.

Penetapan saiz standard

Semua nombor yang diberi merujuk kepada bahagian teras. Ia adalah perlu untuk memesan dua bahagian teras dalam kombinasi yang betul. Terdapat empat jenis bahagian teras, dari mana set tiga jenis dibuat: