Планарні трансформатори та дроселі компанії Payton (2005)

Однією з основних завдань розробки трансформатора є зменшення його габаритних розмірів при одночасному збільшенні ефективної потужності. Сьогодні трансформатор переживає друге народження - на зміну традиційної технології побудови трансформатора приходить нова планарна технологія. Принцип побудови електромагнітних пристроїв за новою технологією полягає у використанні друкованих платзамість каркасного складання та дротяної обмотки. Роль обмотки в планарній технології виконують доріжки, нанесені на плату друкованим чином. Плати укладаються в кілька шарів, розділених між собою ізоляційним матеріалом, і укладаються в феритовий сердечник.

Планарна технологія
До середини 1980-х років планарні технології виробництва трансформаторів обмежувалися переважно розробками у військовій, авіаційній та космічній галузі. У витоків активного комерційного застосування планарних технологій був Алекс Естров, який опублікував у 1986 р. деякі дані про свої розробки в галузі планарних трансформаторів, що працюють на резонансній частоті 1 МГц. Ідею чекав успіх. Через деякий час А.Єстров організував компанію (сьогодні вона називається Payton Power Magnetics Ltd.), яка запустила серійне виробництво силових планарних трансформаторів і дроселів.
Що ж таке планарна технологія та чим вона примітна? Розглянемо приклад, що пояснює принцип побудови планарних трансформаторів (рис.1). На малюнку представлений трансформатор у розібраному вигляді. Він складається з кількох пластин з нанесеними на них витками обмотки та ізоляційних пластин, що відокремлюють пластини обмотки одна від одної. Обмотка трансформатора виконана у вигляді доріжок на друкованих платах або ділянок, міді нанесених на плату друкованим способом. Всі шари розміщуються один над одним і утримуються двома частинами феритового осердя.
Прагнення зменшення габаритних розмірів при одночасному підвищенні потужності - основна мета розвитку сучасних силових пристроїв. При цьому планарні трансформатори, на відміну від традиційних, мають відносно велику ефективну площу охолодження та їх простіше охолоджувати - можна використовувати різні варіанти: природне, примусове, односторонній та двосторонній радіатор, рідинне охолодження.
Ще одна позитивна риса планарних пристроїв - це малий розкид електричних параметріввід пристрою до пристрою. Трансформатор з дротяною обмоткою має великий розкид параметрів, так як дріт у процесі намотування лягає на каркас нерівномірно, що не може не впливати на параметри пристрою (наприклад, індуктивність, добротність). Планарні трансформатори збираються на основі багатошарових друкованих плат. Кожна плата виготовляється тим самим способом. Доріжки на платах також наносяться друкованим способом. Травлення плат - завжди той самий процес. Похибки параметрів планарного трансформатора в сотні разів менші за похибки традиційного трансформатора з дротяною обмоткою.
Планарні трансформатори ідеально підходять для телекомунікаційних систем, комп'ютерів, авіаційних бортових систем, силових джерел живлення, зварювальних апаратів, систем індукційного нагріву - тобто. скрізь, де потрібні силові трансформатори з високим ККД та малими габаритами.
Основні переваги планарних трансформаторів:
висока потужність при невеликих габаритних розмірах (10 Вт – 20 кВт);
високий ККДпристроїв (97-99%);
широкий робочий температурний діапазон: від -40 до +130 ° С;
діелектрична міцність пристроїв 4-5кВ;
низька індуктивність розсіювання;
діапазон робочих частот планарних пристроїв лежить у межах від 20кГц до 2.5МГц;
висока потужність при малих розмірах: планарні трансформатори включають, як правило, від однієї до семи обмоток;
малий розкид параметрів при серійному виробництві пристроїв;
дуже низький рівень електромагнітних перешкод;
малі габарити та вага.

Планарні трансформатори Payton
Компанія Payton виготовляє широку номенклатуру планарних трансформаторів потужністю від 5Вт до 20кВт. Трансформатори Payton, маючи невеликі розміри (рис.2), здатні працювати на великих потужностях і забезпечують хороші теплові характеристики. У таблиці 1 представлені дані за розміром потужності, вагою та типорозміром сердечника.

Лінія виробів Payton включає пристрої, розраховані на різні рівні потужності і призначені для використання в телекомунікаційному обладнанні, в джерелах живлення, AC/DC і DC/DC перетворювачах напруги і т.п. У таблиці 2 наведено основні характеристики деяких типів планарних трансформаторів компанії Payton.
Спочатку розробники компанії Payton орієнтувалися на виробництво трансформаторів лише для імпульсних джерелживлення (ІІП), для застосування в зварювальних апаратах та системах індукційного нагріву. Однак зараз вони використовуються практично повсюдно.
Сучасні трансформатори Payton ідеально підходять для застосування в ІІП для зварювальних апаратів. Трансформатори добре вписуються у структуру джерела, гарантуючи велику тривалість його роботи. Відомо, що ІІП зварювальних апаратів генерують критично високі значення вихідних струмів. Тому вторинних витків у більшості випадків лише кілька. p align="justify"> Планарні трансформатори підходять, таким чином, для роботи звисокими значеннями струмів і можуть використовуватися в зварювальному обладнанні. Застосування планарних трансформаторів може значно зменшити розміри та вагу кінцевого пристрою.

Планарний трансформатор добре вписується в структуру джерел живлення для систем індукційного нагріву. Для цього, наприклад, був випущений трансформатор потужністю 20кВт (рис.3) розмірами 180х104х20мм.
Payton Power Magnetics пропонує трансформатори з висновками для різних способівмонтажу: можливі варіанти як поверхневого, так і наскрізного монтажу на друковану плату. Плоскі поверхні осердя придатні для автоматичного монтажу. Крім того, є пристрої із висновками для навісного монтажу.

Планарні дроселі Payton
Payton виробляє широку номенклатуру дроселів, що збираються за планарною технологією. Дроселі Payton, як і трансформатори, за невеликих розмірів забезпечують значну потужність. Дроселі виробляються за технологією попереднього намагнічування сердечника. Хоча дана технологія відома вже давно, вона не знаходила широкого застосування внаслідок високої вартостіспеціальних магнітних матеріалів, що традиційно використовуються для виготовлення сердечників, неможливості роботи пристроїв на високих частотах та погіршення характеристик у результаті розмагнічування сердечника. Інженерам Payton вдалося усунути ці недоліки шляхом використання сердечників із феромагнітних матеріалів - недорогої та ефективної заміни сердечникам із спеціальних магнітів.
Технологія попереднього намагнічування сердечників дозволяє подвоїти значення індуктивності дроселя без зміни струму або подвоїти значення струму при незмінній індуктивності. Нова технологія виробництва дроселів дозволяє знизити втрати потужності у 4 рази та зменшити контактний майданчик на 30–40% (рис.4).
Тестування дроселів на погіршення магнітних властивостей показало, що у робочих частотах до 1МГц погіршення магнітних властивостей сердечників немає навіть при10-кратном перевищенні напруженості поля проти звичайним експлуатаційним значенням.

Гібридні дроселі Payton
Крім того, Payton активно розвиває технології побудови гібридних планарних дроселів, здатних працювати на високих резонансних частотах. Ці пристрої побудовані на основі «6-колінного» планарного феромагнітного сердечника, поєднаного з багатожильним обмотуванням. Таке поєднання дозволяє досягти високого показникадобротності на високих частотах. Наприклад, значення добротності дроселя індуктивністю 40мкГн при струмі 3А та робочій частоті 1МГц становить 500!

Дросель-фільтри Payton
Payton також виготовляє планарні дроселі, спеціально розроблені для ослаблення синфазних перешкод. Співвідношення між індуктивністю розсіювання та власною індуктивністю пристрою зменшено до 0,005%. Завдяки високому значенню власної ємності, планарні дроселі синфазних перешкод можуть включати вхідні та вихідні конденсатори. Тому цей вид дроселів може використовуватись як фільтр синфазних перешкод. Вже сьогодні йдуть розробки планарних дросель-фільтрів, які працюватимуть за струмів до 200А.

Висновок
Завдяки стабільності технічних характеристик, високому ККД та ефективному методу охолодження планарних електромагнітних компонентів компанії Payton їх використання – привабливе рішення для виробників силових джерел живлення. Тенденція здешевлення виробництва багатошарових друкованих плат робить планарні трансформатори дедалі доступнішими для різноманітних застосувань. Можна припустити, що в найближчому майбутньому планарні пристрої повністю витіснять традиційні трансформатори з дротяною обмоткою.

У попередній статті були розглянуті переваги застосування планарних трансформаторів у малогабаритних та мобільних пристроївах. Також були наведені характеристики феритових сердечників, які застосовуються для конструювання планарних трансформаторів. У цій публікації пропонується методика розрахунку планарних трансформаторів для імпульсних перетворювачів прямого та зворотного ходу.

Вступ

Планарні трансформатори можуть виконуватися як навісні компоненти, у вигляді складання одношарових друкованих плат або невеликої багатошарової плати, або вбудовуватись у багатошарову друковану плату джерела живлення.

Важливими перевагами планарних магнітних компонентів є:

дуже малі розміри; чудові температурні характеристики; мала індуктивність витоку; відмінна повторюваність властивостей.

Вимірювання робочих параметрів планарних трансформаторів з Ш-подібними сердечниками та обмотками, виконаними на базі багатошарової друкованої плати, показують, що тепловий опір цих пристроїв значно (до 50%) нижче порівняно із звичайними трансформаторами з дротяною намоткою при тому ж ефективному об'ємі сердечника V e . Це зумовлено більш високим ставленням площі поверхні осердя до його об'єму. Таким чином, маючи підвищену охолоджувальну здатність, планарні трансформатори здатні справлятися з більшою щільністю прохідної потужності, утримуючи при цьому зростання температури в допустимих межах.

У цій брошурі описується швидкий і простий метод проектування планарних силових трансформаторів, і навіть розглядаються приклади пристроїв, розроблених із застосуванням цього методу.

Результати тестування у робочому режимі показують, що виміряне зростання температури добре узгоджується з даними розрахунків.

Процедура розрахунку

Визначення максимальної магнітної індукції

Втрати в сердечнику та мідному провіднику під час роботи трансформатора призводять до зростання температури. Величина цього зростання не повинна перевищувати допустиму межу, щоб уникнути пошкодження трансформатора або іншого ланцюга. При тепловій рівновазі величина сумарних втрат у трансформаторі Ptrafo пов'язана зі зростанням температури трансформатора D T співвідношенням, аналогічним закону Ома:

де R Т – це температурний опір трансформатора. Фактично P trafo можна представити як охолоджувальну здатність трансформатора.

Можна встановити емпіричну формулу, що безпосередньо пов'язує значення теплового опорутрансформатора з ефективним магнітним обсягом V е використовуваного феритового сердечника (1). Дана емпірична формула справедлива для трансформаторів з дротяною обмоткою, що мають сердечники форми RM та ETD. Аналогічне співвідношення знайдено тепер і для планарних трансформаторів із Ш-подібними осердями.

За допомогою цього співвідношення можна оцінити зростання температури трансформатора як функцію магнітної індукції в осерді. Внаслідок обмеженості доступного простору намотування для планарних магнітних компонентів рекомендується використовувати максимально можливі значення магнітної індукції.

Припустивши, що половину сумарних втрат у трансформаторі становлять втрати у сердечнику, можна виразити максимальну щільність втрат у сердечнику P core як функцію допустимого зростання температури трансформатора наступним чином:

Втрати потужності у наших феритах вимірювалися залежно від частоти (f, Гц), пікової магнітної індукції (B, Тл) та температури (T, °C). Щільність втрат у сердечнику можна приблизно розрахувати за такою формулою (2):

Тут C m , x, y, c t0 , ct 1 і ct 2 - це параметри, знайдені шляхом апроксимації кривої емпіричної втрат. Ці параметри є специфічними для конкретного матеріалу. Розмірності їх вибрано так, що при температурі 100 °C значення CT виявляється рівним 1.

У таблиці 1 наведено значення перелічених вище параметрів для кількох марок потужних феритів компанії Ferroxcube.

Таблиця 1. Параметри апроксимації для обчислення щільності втрат у сердечнику

Марка фериту	f, кГц	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
	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
	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
	1000-3000	1,1x10 -11	2,8	2,4	0,34x10 -4	0,01x10 -2	0,67

Максимально допустиме значення Pcore обчислюється за такою формулою (2). Це значення потім підставляється рівняння (3). Тепер можна обчислити максимально допустиму магнітну індукцію Bpeak, переписавши рівняння (3) у такому вигляді:

Примітка: максимально допустиме значення B можна знайти й іншим шляхом - написавши комп'ютерну програму, яка обчислює втрати потужності для довільної форми сигналу за формулою (3) заданих значенняхпараметрів апроксимації (3). Перевага цього підходу в тому, що дозволяє розраховувати втрати з урахуванням реальної форми коливань B, а також вибрати оптимальну марку фериту для конкретного випадку.

Визначивши максимально допустиму пікову магнітну індукцію, можна розрахувати кількість витків первинної та вторинної обмоток за відомими формулами, що включають топологію перетворювача та тип трансформатора (наприклад, зворотного та прямого ходу).

Необхідно прийняти рішення про те, як буде розподілено обмотки між наявними шарами. Струми, що протікають у доріжках, викликатимуть підвищення температури друкованої плати. З міркувань поширення тепла рекомендується розподіляти витки обмоток у зовнішніх шарах симетрично до витків обмоток у внутрішніх шарах.

Мал. 3. B peak у формулах дорівнює половині розмаху коливань індукції у сердечнику

З погляду магнетизму оптимальним варіантом було б перемежувати первинні та вторинні верстви. Це зменшить так званий ефект близькості (див. стор. 4). Однак мала висота обмотки в планарному виконанні та необхідне для конкретного додаткукількість витків не завжди дозволяє вибрати оптимальну конструкцію.

З погляду витрат рекомендується вибирати друковані плати зі стандартною товщиною шару міді. Поширені значення товщини, які використовуються виробниками друкованих плат - 35 і 70 мкм. Від товщини шарів міді істотно залежить зростання температури в обмотці, індукований струмами, що протікають.

Стандарти безпеки, наприклад, стандарт МЕК 950, вимагають відстані 400 мкм у матеріалі друкованої плати (FR2 або FR4) для забезпечення розв'язки вторинної обмотки від мережі живлення. Якщо розв'язка від мережі не потрібна, достатньо відстані 200 мкм між шарами обмотки. Крім того, необхідно ще врахувати шар для трафарету – по 50 мкм з обох боків плати.

Ширина доріжок, що формують обмотки, визначається виходячи з величини струму та максимально допустимої щільності струму. Відстань між витками залежить від можливостей та бюджету виробництва. Існує практичне правило: для доріжок товщиною 35 мкм ширина доріжок та відстань між ними повинні бути більше 150 мкм, а для доріжок товщиною 70 мкм – понад 200 мкм.

Залежно від виробничих можливостей виробника друкованих плат розміри можуть бути і меншими, але це, швидше за все, спричинить значне зростання вартості друкованої плати. Кількість витків в одному шарі та відстань між витками позначаються відповідно Nl та s. Тоді при доступній ширині намотування bw ширину доріжки wt можна обчислити за такою формулою (див. рис. 4):

Мал. 4. Ширина доріжки wt, міждоріжкова відстань s та ширина обмотки b w

Якщо потрібна розв'язка від мережі живлення, ситуація дещо змінюється. Сердечник розглядається як частина ланцюга первинної обмотки і має бути відокремлений відстанню 400 мкм від вторинного ланцюга. Тому довжина шляху струму витоку між вторинними обмотками, близькими до лівої та правої частини сердечника, і самим осердям повинна становити 400 мкм. У цьому випадку ширину доріжки слід обчислювати за формулою (6), оскільки від доступної ширини обмотки необхідно відняти 800 мкм:

У формулах (5) і (6) всі розміри наведені в мм.

Визначення зростання температури друкованої плати, викликаного струмами, що протікають

Останній крок, який належить зробити - це визначити зростання температури в мідних доріжках, викликане струмами, що протікають. Для цього необхідно обчислити ефективні (середньоквадратичні) значення струмів, виходячи з вхідних даних та бажаних вихідних параметрів. Метод розрахунку залежить від використовуваної топології.

У розділі прикладів наведено розрахунки для стандартної прямої та зворотної технології перетворювача. Приклад зв'язку між зростанням температури та ефективними значеннямиструмів при різних площах поперечного перерізу провідників друкованої плати показано на рис. 5. У випадках, коли є єдиний провідник, або коли індуктивності розташовані не надто близько, з цієї діаграми можна безпосередньо визначати ширину, товщину і площу поперечного перерізу провідника, а також максимально допустимі струми різних заданих значень зростання температури.

Недолік цього способу проектування полягає в припущенні, що тепло, що виділяється в обмотці, викликається протіканням постійного струму, в той час як реально є змінний струм, що викликає скін-ефект і ефект близькості.

Скін-ефект обумовлений наявністю в провіднику магнітного поля, створюваного струмом, який протікає в цьому провіднику. Швидка зміна струму (при високій частоті) наводить змінну індукцію, що викликає вихрові струми. Ці вихрові струми, які роблять внесок в основний струм, мають протилежний йому напрямок. Струм звертається в нуль у центрі провідника і рухається до поверхні. Щільність струму експонентно знижується від поверхні до центру.

Глибина поверхневого шару d - ця відстань від поверхні провідника у напрямку його центру, на якому щільність струму зменшується в e разів. Глибина поверхневого шару залежить від таких властивостей матеріалу, як електропровідність та магнітна проникність, і вона обернено пропорційна квадратного кореняіз частоти. Для міді при температурі 60 °C глибина поверхневого шару може бути приблизно обчислена за наступною формулою:

Якщо провідник береться з товщиною w t меншою, ніж 2 d , внесок цього ефекту буде обмежений. Це дає ширину доріжки менше ніж 200 мкм для частоти 500 кГц. Якщо при потрібній кількості витків доступна велика ширина обмотки, найкращим рішеннямз погляду магнетизму буде розділити їх на паралельні доріжки.

У реальних ситуаціях у провідниках будуть присутні вихрові струми, викликані не тільки мінливим магнітним полем власного струму (скін-ефект), а й полями інших провідників, розташованих поблизу. Цей ефект має назву ефекту близькості. Якщо первинні та вторинні шари чергуються, вплив цього ефекту виявляється набагато меншим. Справа в тому, що струми в первинній та вторинній обмотках течуть у протилежних напрямках, тому їх магнітні поля взаємно знищуються. Тим не менш, сусідні провідники одного шару все ж таки будуть вносити деякий внесок в ефект близькості.

Емпіричні результати

Вимірювання температури в кількох типах конструкцій друкованих плат при протіканні в обмотках змінних струмів показують з прийнятною точністю, що на частотах до 1 МГц кожне збільшення частоти на 100 кГц дає підвищення температури друкованої плати на 2 °C більше порівняно зі значеннями, визначеними для випадку постійних струмів.

Ціль полягає в тому, щоб спроектувати малий трансформатор з параметрами, наведеними в таблиці.

Як перший крок робиться припущення, що при даній частоті можна взяти велике значенняпікової магнітної індукції – 160 мТл. Пізніше ми перевіримо, чи можливо це при заданих значеннях втрат у сердечнику та підвищення температури.

Приклад 1. Трансформатор зворотного ходу

У таблиці 2 вказано розраховану кількість витків для шести найменш розмірних стандартних комбінацій планарних Ш-подібних сердечників і пластин фірми Ferroxcube. Крім того, наведено значення власної індуктивності первинної обмотки, ширини повітряного зазору та струмів, розраховані за формулами з врізання 1.

Таблиця 2. Розрахунок конструктивних параметрів кількох малих трансформаторів

Сердечник	Ae, мм 2	Ve, мм 3	N1	N2	NIC	G, мкм	Інші розраховані параметри
E-PLT14	14,5	240	63	7,4	7,2	113	L prim = 638 мкГн
E-E14	14,3	300	63	7,4	7,2	113	I p (еф.) = 186 мА
E-PLT18	39,5	800	23	2,7	2,6	41	I o (еф.) = 1593 мА
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

З таблиці 2 можна бачити, що необхідне число витків первинної обмотки для комплектів сердечників E-E14 і E-PLT14 виявляється занадто великим, щоб можна було обмотку виконати на базі багатошарової друкованої плати. Тому оптимальним варіантом виглядають комбінації сердечників E-E18 та E-PLT18. Округлення результатів розрахунку N1, N2 та NIC дає числа 24, 3 та 3 відповідно.

Для визначення втрат у разі однополярної трикутної хвилі індукції з частотою 120 кГц, пікової індукцією 160 мТл та робочою температурою 95 °C використовувалася програма, що ґрунтується на виразі (3). Для потужних феритів 3C30 і 3C90 очікувані втрати в осерді рівні відповідно 385 мВт/см 3 і 430 мВт/см 3 .

Допустима щільність втрат при DT = 35°C становить 470 мВт/см3 для E-PLT18 і 429 мВт/см 3 для E-E18 (з виразу (1)).

Висновок полягає в тому, що ферити 3C30 та 3C30 можна використовувати в обох комбінаціях сердечників. Менш якісні ферити з більшими втратами потужності призведуть до занадто великого зростання температури.

24 витка первинної обмотки можна розподілити симетрично по 2 або 4 шарах. Доступна ширина обмотки для сердечників E-18 становить 4,6 мм. Звідси видно, що варіант із двома шарами по 12 витків у кожному буде складний у виконанні, а тому й дорогий. Для цього потрібно використовувати дуже тонкі доріжки з дуже малим кроком. Тому вибирається варіант із чотирма шарами, по 6 витків у кожному. Найменша кількість шарів у багатошаровій друкованій платі призведе до меншої собівартості. Тому ми передбачимо ще 3 витки первинної обмотки (для напруги IC) і 3 витки вторинної обмотки, і на кожну з них - один шар. Таким чином, можна побудувати конструкцію із шістьма шарами, як показано в таблиці 3.

Таблиця 3. Приклад конструкції трансформатора із шістьма шарами

Шар	Число витків	35 мкм	70 мкм
трафарет		50 мкм	50 мкм
первинна	6	35 мкм	70 мкм
ізоляція		200 мкм	200 мкм
первинна	6	35 мкм	70 мкм
ізоляція		200 мкм	200 мкм
первинна IC	3	35 мкм	70 мкм
ізоляція		400 мкм	400 мкм
вторинна	3	35 мкм	70 мкм
ізоляція		400 мкм	400 мкм
первинна	6	35 мкм	70 мкм
ізоляція		200 мкм	200 мкм
первинна	6	35 мкм	70 мкм
трафарет		50 мкм	50 мкм
РАЗОМ		1710 мкм	1920 мкм

Залежно від кількості тепла, що генерується струмами, що протікають, можна вибрати товщину мідних доріжок 35 мкм або 70 мкм. Між шарами первинної та вторинної обмотки потрібна відстань 400 мкм для забезпечення розв'язки від мережі. Комбінація E-PLT18 має мінімальне вікно намотування 1,8 мм. Це достатньо при товщині доріжок 35 мкм, що дає сумарну товщину друкованої плати близько 1710 мкм.

Для здешевлення конструкції ми вибрали відстань між доріжками 300 мкм. Обчислення ширини доріжки вторинної обмотки формулою (5) дає результат 1,06 мм, включаючи розв'язку від мережі.

Скориставшись діаграмою на рис. 5 та розрахованим (див. табл. 2) ефективним значенням струму у вторинній обмотці, рівним 1,6 А, отримуємо зростання температури 25 °C для доріжок товщиною 35 мкм і близько 7 °C для доріжок товщиною 70 мкм.

Ми прийняли, що зростання температури, викликане втратами в обмотці, становить близько половини сумарного зростання температури, у цьому випадку 17,5 °C. Очевидно, що при товщині доріжок 35 мкм зростання температури, що викликається ефективним струмом 1,6 А, буде занадто велике, тому доведеться використовувати доріжки товщиною 70 мкм.

Ширину доріжок витків первинної обмотки можна визначити за формулою (5). Вона виявиться рівною приблизно 416 мкм. При такій ширині доріжок ефективний струм величиною 0,24 А в первинній обмотці навряд чи призведе до підвищення температури.

Оскільки частота дорівнює 120 кГц, очікується додаткове зростання температури друкованої плати величиною близько 2 °C порівняно із ситуацією, коли протікають лише постійні струми. Сумарне зростання температури друкованої плати, викликане тільки струмами, що протікають, буде залишатися на рівні нижче 10 °C.

Шестишарова друкована плата з доріжками товщиною 70 мкм повинна функціонувати відповідно до розрахованих параметрів. Номінальна товщина друкованої плати становитиме близько 1920 мкм, що означає, що стандартна комбінація E-PLT18 із Ш-подібного сердечника та пластини в даному випадку не підійде. Можна використовувати стандартну комбінацію E-E18 із двох Ш-подібних сердечників з вікном намотування 3,6 мм. Однак настільки велике вікно намотування представляється тут зайвим, так що більш елегантним рішенням був би нестандартний осердя, що має вікно розміром близько 2 мм.

Вимірювання, проведені на порівняній конструкції із сердечником із двох Ш-подібних половин з фериту 3C90, зафіксували сумарне зростання температури 28 °C. Це узгоджується з нашими розрахунками, які дали зростання температури 17,5 ° C за рахунок втрат у сердечнику та 10 ° C за рахунок втрат в обмотці.

Зв'язок між первинною та вторинною обмотками є гарним, оскільки індуктивність витоку становить лише 0,6 % від індуктивності первинної обмотки.

Приклад 2. Трансформатор прямого ходу

Тут ціль полягає в тому, щоб розробити прямий трансформатор з можливістю вибору одного з чотирьох коефіцієнтів трансформації, які часто використовуються в малопотужних перетворювачах постійного струму. Бажані характеристики наведені вище у таблиці.

Спочатку необхідно перевірити, чи підходять для даного випадкукомбінації сердечників найменшого розміру із стандартної номенклатури - E-PLT14 та E-E14. Обчислюючи максимально допустиму щільність втрат у сердечнику при зростанні температури 50 °C, отримуємо 1095 мВт/см3 для комбінації E-E14 із двох Ш-подібних сердечників та 1225 мВт/см3 для комбінації E-PLT14 із Ш-подібного сердечника та пластини. Далі обчислюємо щільність втрат у сердечнику за формулою (3) у разі трикутної однополярної хвилі індукції з частотою 500 кГц для декількох значень пікової індукції.

Отримані результати показують, що при пікової магнітної індукції близько 100 мТл втрати виявляються меншими за максимально допустимі, обчислені за формулою (2). Розрахунок кількості витків та ефективних струмів здійснюється за формулами, наведеними у врізанні 1. При пікової магнітної індукції 100 мТл і заданих вище параметрах виявляється, що на частоті 530 кГц комбінації E-E14 та E-PLT14 придатні для використання, і число витків є прийнятним. Результати обчислень наведено у таблиці 4.

Таблиця 4. Розрахунок конструктивних параметрів кількох прямих трансформаторів

Сердечник	V in ,	V out ,	N1	N2	L prim, мкГн	I o (еф.), мА	I mag, ма	I p (еф.), ма
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

Остаточне визначення щільності втрат у сердечнику при робочої температури 100 °C для зазначеної форми хвилі індукції з частотою 530 кГц дає результати 1030 мВт/см3 для фериту 3F3 та 1580 мВт/см3 для фериту 3F4. Очевидно, що найкращим варіантомє 3F3. Зростання температури в осерді E-PLT14 становить:

(Розрахована щільність втрат в 3F3/допустима щільність втрат) X 1/2DT = (1030/1225) X 25 °С = 21 °С

Для комбінації E-E14 зростання температури дорівнює 23,5 °C. Для первинної обмотки в залежності від вхідної напруги потрібно 7 або 14 витків. У випадку звичайного прямого трансформатора така ж кількість витків потрібна для обмотки, що розмагнічує (відновлює). Щоб можна було використовувати 7 або 14 витків і те ж кількість витків для обмотки, що розмагнічує, обрана конструкція з 4 шарами по 7 витків в кожному. Коли потрібні 7 витків первинної і обмоток, що розмагнічує, витки двох шарів з'єднуються паралельно. Це дасть додатковий ефект- Зменшення вдвічі щільності струму в доріжках обмотки.

Коли потрібні 14 витків первинної і обмоток, що розмагнічує, витки двох шарів з'єднуються послідовно, так що ефективна кількістьвитків стає рівним 14.

Доступна ширина обмотки для осердя E-14 становить 3,65 мм. Для економічної конструкції з відстанню між доріжками 300 мкм ширина доріжки при 7 витках на шар дорівнює 178 мкм.

Товщина доріжок має бути 70 мкм, оскільки при напрузі на вході 24 В ефективний струм у первинній обмотці складе близько 1,09 А. Це дає (див. табл. 2) при ефективній ширині доріжки 356 мкм (ширина подвоюється в результаті паралельного з'єднання частин обмотки при використанні 7 витків) зростання температури 15 °C. Вхідна напруга 48 створить ефективний струм приблизно 0,54 А.

У цьому випадку внесок втрат в обмотці в загальне зростання температури становитиме при ширині доріжки 178 мкм (14 витків, з'єднані послідовно) близько 14 °C.

Ширина доріжок, що дорівнює 178 мкм, з відстанню між ними 300 мкм при товщині доріжок 70 мкм дещо відхиляється від наведеного нами практичного правила (відстань між доріжками та ширина доріжок > 200 мкм). Це може призвести до більших витрат на виготовлення багатошарових друкованих плат. Для вторинної обмотки потрібно 3 або 2 витки. Коли кожен з витків виділяється один шар, ширина доріжки становить відповідно 810 і 1370 мкм. Ефективні струми у вторинній обмотці, рівні 2,44 і 3,70 А, викликають зростання температури в обмотках величиною приблизно 25 °C, що з урахуванням зростання температури в первинних обмотках виявляється занадто багато. В цьому випадку найкращим рішенням буде використовувати по 2 шари для обох обмоток. Коли ці шари, у кожному з яких по 3 витки, з'єднуються паралельно, щільність струму зменшується вдвічі. З рис. 5 можна визначити, що внесок втрат в обмотці у сумарне зростання температури у цій ситуації становитиме близько 6 °C. Сумарне зростання температури в друкованій платі дорівнюватиме приблизно 21 °C плюс додаткове зростання, викликане втратами на змінному струмі. Оскільки частота дорівнює 500 кГц, необхідно додати приблизно 10 °C, тобто в результаті температура друкованої плати підвищиться на 31 °C.

Кількість витків і ширина кожного шару даної конструкції наведені у таблиці 5. Щонайменше один шар, позначений у таблиці як додатковий, необхідний виконання з'єднань. Однак це дасть нам у сумі 9 шарів, що з точки зору виробництва рівносильно 10 шарам (наступне парне число). Тому верхній і нижній шари друкованої плати використовуються як додаткові - також і тому, що це дає додаткову перевагу: щільності струмів у доріжках зменшуються вдвічі. Доріжки на цих шарах з'єднуються з доріжками у внутрішньому шарі через обіднені отвори та «підводять» входи та виходи первинної та вторинної обмоток до двох сторін друкованої плати. Залежно від того, як з'єднані входи та виходи на первинній та вторинній сторонах, можна отримати 4 різні значення коефіцієнта трансформації.

Таблиця 5. Приклад конструкції з 10 шарами

Шар	Число витків	70 мкм
трафарет		50 мкм
додатковий шар		70 мкм
ізоляція		200 мкм
первинна розмагнічує	7	70 мкм
ізоляція		200 мкм
первинна	7	70 мкм
ізоляція		200 мкм
вторинна	3	70 мкм
ізоляція		200 мкм
вторинна	2	70 мкм
ізоляція		200 мкм
вторинна	2	70 мкм
ізоляція		200 мкм
вторинна	3	70 мкм
ізоляція		200 мкм
первинна	7	70 мкм
ізоляція		200 мкм
первинна розмагнічує	7	70 мкм
ізоляція		200 мкм
додатковий шар		70 мкм
трафарет		50 мкм
РАЗОМ:		2600 мкм

Сукупна номінальна товщина друкованої плати становитиме близько 2,6 мм, що перевищує розмір доступного вікна намотування комбінації сердечників E-PLT14, що дорівнює 1,8 мм. Можна використовувати комбінацію E-E14, проте вона має мінімальне вікно намотування 3,6 мм – набагато більше, ніж насправді потрібно. Більш вдалим рішенням був би нестандартний сердечник із зменшеною величиною вікна.

Вимірювання температури даної друкованої плати проводилися за допомогою термопар при різних умовах. Для перевірки використовувався варіант з перетворенням 24/5, що дає найвищі щільності струмів. Спочатку в первинну та вторинну обмотку були окремо подані постійні струми, рівні розрахованим. Постійний струм у первинній обмотці, що дорівнює 1079 мА, дав зростання температури 12,5 °C, а струм у вторинній обмотці, що дорівнює 2441 мА, дав зростання температури 7,5 °C. Як і можна було очікувати, коли обидва струми були подані на друковану плату одночасно, зростання температури дорівнювало 20 °C.

Описана вище процедура була повторена змінних струмів декількох частот з ефективними значеннями, рівними розрахованим. На частоті 500 кГц сумарне зростання температури в друкованій платі становило 32 °C. Найбільше додаткове зростання температури (7 °C), спричинене втратами на змінному струмі, спостерігалося у вторинних обмотках. Це логічно, оскільки вплив скін-ефекту позначається більше у широких доріжках вторинних обмоток, ніж у вузьких доріжках первинних обмоток.

Нарешті, були проведені температурні вимірювання при встановлених на друкованій платі стандартних сердечниках (комбінація E-E14) в умовах, що відповідають робочим умовам прямого трансформатора. Зростання температури друкованої плати склало 49 °C; точка максимального нагріву сердечника знаходилася на його верхньому боці і температура в ній дорівнювала 53 °C. У центральній частині сердечника та його зовнішньої частини спостерігалося зростання температури 49 °C та 51 °C відповідно.

Як і передбачали обчислення, дана конструкція є певною мірою критичною для набору з двох Ш-подібних сердечників, оскільки в точці максимального нагріву була зафіксована температура 53 °C, що вище 50 °C. Однак при використанні більш плоских (нестандартних) Ш-подібних сердечників температура виявляється усередині допустимих меж.

У наступній статті ми розглянемо приклад розрахунку 25-ватного DC/DC-конвертера на основі планарного трансформатора.

Література

Mulder S. A. Application note on the design of low profile high frequency transformers. Ferroxcube Components. 1990.Mulder S. A. Loss формули для енергетичних проектів і їх використання в transformer design. Philips Components. 1994.Durbaum Th., Albach M. Core losses в transformers with arbitrary shape of magnetizingcurrent. EPE Sevilla. 1995. Brockmeyer A. Experimental evaluation of influence of DC premagnetization on the properties of power electronic ferrites. Aachen University of Technology. 1995. Ferroxcube Components technical note. 25 Watt DC/DC converter using integrated planar magnetics.9398 236 26011. 1996.

Постійне зменшення габаритів виробів електроніки, особливо мобільних пристроїв, призводить до того, що розробникам доводиться застосовувати компоненти з мінімальними розмірами. Для напівпровідникових компонентів, а також пасивних, таких як резистори і конденсатори, вибір досить великий і різноманітний. Ми ж розглянемо малогабаритну заміну ще одним пасивним елементам – трансформаторам та дроселям. У більшості випадків розробники використовують стандартні трансформатори та дроселі з дротяним намотуванням. Ми розглянемо переваги планарних трансформаторів (ПТ) на основі багатошарових друкованих плат. Вартість багатошарових друкованих плат постійно знижується, тому планарні трансформатори стануть гарною заміною на звичайне.

Планарні трансформатори є привабливою альтернативою звичайним трансформаторам у випадках, коли потрібні малорозмірні магнітні компоненти. При планарній технології виготовлення індуктивних компонентів роль обмоток можуть виконувати доріжки на друкованій платі або ділянки міді, нанесені друкованим способом і розділені шарами ізоляційного матеріалу, а також обмотки можуть конструюватися з багатошарових друкованих плат. Ці обмотки містяться між малорозмірними феритовими сердечниками. За своєю конструкцією планарні компоненти діляться на кілька типів. Найближче до звичайних індуктивних компонентів стоять навісні планарні компоненти, які можна використовувати замість звичайних деталей на одно- та багатошарових друкованих платах. Висоту навісного компонента можна зменшити, зануривши осердя у виріз друкованої плати так, щоб обмотка лягла на поверхню плати. Крок вперед є гібридним типом, де частина обмоток вбудована в материнську плату, а частина знаходиться на окремій багатошаровій друкованій платі, яка з'єднана з материнською. Материнська плата повинна мати отвори для феритового осердя. Нарешті, у останнього типу планарних компонентів обмотка повністю інтегрована багатошарову друковану плату.

Як і у випадку звичайних компонентів із дротяною обмоткою, половинки сердечників можна з'єднувати шляхом склеювання або за допомогою затиску, залежно від можливостей та переваг виробника. Компанія FERROXCUBE пропонує широкий асортимент планарних Ш-подібних сердечників для різноманітних застосувань.

Переваги планарної технології

Планарна технологія виготовлення магнітних компонентів має ряд переваг у порівнянні зі звичайним дротяним намотуванням. Першою очевидною перевагою є дуже мала висота, яка робить планарні компоненти перспективними для застосування у стійковому та портативному обладнанні з високою щільністюмонтажу.

Планарні магнітні компоненти добре підходять розробки високоефективних імпульсних перетворювачів потужності. Мінімальна величина втрат міді на змінному струмі і високий коефіцієнт зв'язку забезпечують ефективніше перетворення. Завдяки малій індуктивності розсіювання зменшуються стрибки та коливання напруги, що є причиною виходу з ладу МОП-компонентів та додатковим джереломперешкод.

Планарна технологія проста та надійна у виробництві. У таблицях 1–3 описуються переваги та обмеження цієї технології.

Таблиця 1. Переваги розробки

Таблиця 2. Переваги під час виробництва

Таблиця 3. Обмеження

(1) Вартість багатошарових друкованих плат знижується. Загальні витрати: не потрібен каркас, менший розмір осердя.

Інтегровані компоненти порівняно з навісними

Інтегровані планарні компоненти застосовуються у випадках, коли складність оточуючих ланцюгів змушує використовувати багатошарову друковану плату. Типові області застосування - малопотужні перетворювачі та пристрої обробки сигналів. Вони використовується переважно комбінація Ш-образного сердечника і пластини малих розмірів. Основними конструктивними вимогами тут є мала висота та хороші високочастотні характеристики.

• Начіпні компоненти використовуються інакше. Типові сфери застосування - потужні перетворювачі; в них в основному використовується комбінація із двох Ш-подібних сердечників великого розміру. Основними конструктивними вимогами є теплові характеристики. Конструкція обмотки залежить, зокрема, від величини струму.

Занурення навісних компонентів у плату дозволяє зменшити висоту складання, не змінюючи розташування компонентів.

Гібридні компоненти зменшують кількість навісних обмоток за рахунок доріжок на друкованій платі, а в інтегрованому варіанті навісні обмотки взагалі відсутні. Можливі також поєднання цих двох типів. Наприклад, перетворювач потужності може мати первинну обмотку трансформатора та дросель мережевого фільтра, вбудовані в материнську плату, а вторинну обмотку та вихідний дросель - на окремих друкованих платах (рис. 3).

Склеювання в порівнянні з затискним з'єднанням

Вибір між склеюванням і затискним з'єднанням залежить в основному від можливостей та переваг виробника, але є також вимоги конкретної програми, які можуть визначити той чи інший спосіб як бажаний.

Першою сферою застосування планарних трансформаторів було перетворення потужності. Відповідно, при цьому використовувалися середньо- та високочастотні потужні ферити. Індуктивність дроселя фільтра можна збільшити, замінивши потужний ферит матеріалом з високою магнітною проникністю. В імпульсній передачі сигналів широкосмуговий трансформатор, що знаходиться між генераторною імпульсною ІС і кабелем, забезпечує розв'язку і узгодження імпедансів. У випадку S- або T-інтерфейсу це також має бути ферит з високою магнітною проникністю. В асортимент продукції компанії FERROXCUBE були додані осердя з високопроникного фериту 3E6. Список програм, у яких використання планарної технології може дати переваги, наведено нижче.

Перетворення потужності

• Компоненти
  • Силові трансформатори, вихідні чи резонансні дроселі, дроселі мережевого фільтра.
• Випрямлячі (мережні джерела живлення)
  • Імпульсні джерела живлення.
  • Зарядні пристрої ( мобільні телефони, портативні комп'ютери).
  • Контрольно-вимірювальна апаратура.
• Перетворювачі постійного струму
  • Модулі перетворення потужності.
  • Мережеві комутатори.
  • Мобільні телефони (основне джерело живлення).
  • Портативні комп'ютери (основне джерело живлення).
  • Електромобілі (перетворювач тягової напруги на напругу 12 В).
• Перетворювачі змінного струму(Мережеві джерела живлення)
  • Компактні перетворювачі флуоресцентних ламп.
  • Індукційне нагрівання, зварювання.
• Інвертори (батарейні джерела живлення)
  • Мобільні телефони (підсвічування РК-екрана).
  • Портативні комп'ютери (підсвічування РК-екрана).
  • Газорозрядні автомобільні фари(Баласт).
  • Підігрів заднього скла автомобіля (підвищує перетворювач).

Імпульсна передача

• Компоненти
  • Широкосмугові трансформатори.
  • S0-інтерфейси (абонентська телефонна лінія).
  • U-інтерфейси (абонентська лінія ISDN).
  • T1/T2-інтерфейси (магістральна лінія між мережевими перемикачами).
  • ADSL інтерфейси.
  • HDSL інтерфейси.

Таблиця 4. Характеристики матеріалів

Таблиця 5. Сердечники для склеювання (без виїмок)

Таблиця 6. Матеріали сердечників для склеювання

(*) - половини сердечників для використання в комбінації з Ш-подібним осердям без зазору або пластиною.

(**) – половини сердечників з високою магнітною проникністю.

E160 – E – половина осердя з симетричним зазором. A L = 160 нГн (виміряно у комбінації з половиною сердечника із симетричним зазором).

A25 – E - половина осердя з асиметричним зазором. A L = 25 нГн (виміряно у комбінації з половиною осердя без зазору).

A25 – P - половина осердя з асиметричним зазором. A L = 25 нГн (виміряно у комбінації з пластиною).

1100/1300 – половина сердечника без зазору. AL = 1100/1300 нГн (виміряно у комбінації з половиною осердя без зазору/пластиною).

Значення AL (нГн) вимірювалося за B≤0,1 мТл, f≤10 кГц, T = 25 °C.

Допуск A L:

Таблиця 7. Залежність показників від потужності (сердечники для склеювання)

Таблиця 8. Сердечники із затискним з'єднанням

Номенклатура виробів

Компанія FERROXCUBE пропонує широкий асортимент планарних Ш-подібних сердечників у діапазоні розмірів 14-64 мм. У базової версіїдля склеювання поперечний переріз завжди є однорідним, що дозволяє оптимальним чином використати об'єм фериту. Для кожного розміру є Ш-подібний осердя (позначається буквою E) і відповідна пластина (позначається буквами PLT). Набір може складатися з Ш-подібного сердечника та пластини або двох Ш-подібних сердечників. В останньому випадку висота вікна намотування подвоюється. Для найменших розмірів є також набір із Ш-подібного сердечника та пластини у варіанті із затискною сполукою. У ньому використовується Ш-подібний осердя з виїмками (позначається E/R) і пластина з канавкою (позначається PLT/S). Затискач (позначається CLM) засувається у виїмки сердечника і забезпечує міцне з'єднання, притискаючи пластину у двох точках. Канавка запобігає зсуву пластини навіть при сильних ударах або вібрації, а також забезпечує вирівнювання. Для комбінації із двох Ш-подібних сердечників затискне з'єднання не передбачено.

Таблиця 9. Матеріали сердечників із затискним з'єднанням

(1) - половини осердя для використання в комбінації з пластиною.

A63 – P - половина осердя з асиметричним зазором. A L = 63 нГн (виміряно у комбінації з пластиною).

1280 – половина сердечника без зазору.

A L = 1280 нГн (виміряно у комбінації з пластиною).

Значення A L (нГн) вимірювалося за B≤0,1 мТл, f≤10 кГц, T = 25 °C.

Допуск A L:

Таблиця 10. Залежність показників від потужності (сердечники з затискним з'єднанням)

Сердечники з потужних феритів 3F3 (робоча частота до 500 кГц) та 3F4 (500 кГц - 3 МГц) є у всіх розмірах. Сердечники найбільшого розмірувиготовляються також з фериту 3C85 (робоча частота до 200 кГц), так як великі осердя часто використовуються в потужних низькочастотних пристроях. Є також сердечники найменшого розміру, що виготовляються з високопроникного фериту 3E6 (μ i = 12000), для використання в дроселях мережевих фільтрів та широкосмугових трансформаторах.

Упаковка

Як стандартне пакування для планарних Ш-подібних сердечників і пластин використовується пластикова плівка.

Таблиця 11. Упаковка

Таблиця 12. Коробка із сердечниками

Таблиця 13. Коробка із затискачами

Таблиця 14. Стрічкова упаковка

Для сердечників E14/3.5/5 та E18/4/10 було розроблено прототип стрічкової упаковки для використання з апаратурою автоматичного монтажу SMD-компонентів. Метод упаковки відповідає стандарту IEC-286, частина 3. Пластини мають ту саму упаковку, що і відповідні Ш-подібні сердечники.

Розробка

Щоб максимально використовувати переваги планарної технології, необхідно слідувати іншій концепції розробки, ніж при дротяному намотуванні. Нижче наведено низку міркувань, якими слід керуватися у зв'язку з цим.

Вибір сердечника

• Магнітна індукція

Покращені теплові характеристики допускають вдвічі більші втрати потужності в порівнянні зі звичайною конструкцією при тому ж обсязі магнітного поля, тому значення оптимальної магнітної індукції буде вищим від звичайного.

• Повітряний зазор

Великі проміжки небажані в планарних конструкціях, оскільки вони створюють потік розсіювання. Крайовий потік залежить від відношення висоти вікна намотування до ширини повітряного зазору, яка менша для плоских сердечників. Якщо висота вікна всього в кілька разів більша за ширину зазору, а ширина в кілька разів більша за ширину центральної частини сердечника, то між верхом і низом сердечника виникне потік значної величини. Великі величини крайових потоків і перетинаються призводять до великих втрат на вихрові струми в обмотці.

Конструкція обмотки

• Опір на постійному струмі

Найчастіше використовуються мідні доріжки товщиною 35, 70, 100 та 200 мкм. Якщо площа поперечного перерізу доріжки недостатня для отримання прийнятного опору на постійному струмі, можна паралельно з'єднати доріжки для всіх або частини витків.

• Опір на змінному струмі

Втрати міді на змінному струмі, зумовлені скін-ефектом та ефектом близькості, виявляються меншими для плоских мідних доріжок, ніж для круглого дроту з тією самою площею поперечного перерізу. Вихрові струми, що індукуються в околиці повітряного зазору, можна знизити, видаливши кілька витків там, де індукція є максимальною і спрямована перпендикулярно площині намотування. Комбінація Ш-подібного сердечника і пластини характеризується дещо меншим потоком розсіювання, ніж комбінація двох Ш-подібних сердечників через місце розташування повітряного зазору.

• Індуктивність витоку

При розташуванні обмоток одна над іншою магнітний зв'язок є дуже сильним, і досяжні значення коефіцієнта зв'язку, близькі до 100% (рис. 13, a).

Попередня конструкція веде до вищої міжобмотувальної ємності. Цю ємність можна зменшити, розташувавши доріжки сусідніх обмоток у проміжках один між одним (рис. 13, b).

Більш того, повторюваність значення ємності дозволяє компенсувати її в частині ланцюга, що залишилася, а також використовувати в резонансних конструкціях. В останньому випадку можна цілеспрямовано створити велику ємність, розташувавши доріжки сусідніх обмоток один навпроти одного (рис. 13, c).

Виробництво

Складання

При використанні затискачів необхідно спочатку зафіксувати затискач у поглиблення сердечника, а потім вирівняти пластину в поперечному напрямку.

Для інтегрованих компонентів монтаж комбінується з монтажем.

Монтаж

При застосуванні навісних компонентів можна використовувати плати з наскрізними отворами або SMD-монтаж. Істотних відмінностей від звичайного процесу немає

Плоска поверхня осердя добре підходить для автоматичного монтажу.

У разі інтегрованих компонентів монтаж найкраще виконувати у два етапи:

1. Приклеїти одну половину осердя до друкованої плати. Для цього можна використовувати той же клей, що і для монтажу SMD-компонентів, і цей етап логічно об'єднується з монтажем SMD-компонентів на даній стороні друкованої плати.
2. Приклеїти другу половину осердя до першої. Сюди відносяться ті ж зауваження, які були зроблені з приводу збирання навісних компонентів.

Пайка

Належить тільки до навісних трансформаторів.

У разі паяння оплавленням кращим способом нагрівання є гаряча конвекція, а не інфрачервоне випромінювання, оскільки перший спосіб забезпечує вирівнювання температур поверхонь, що спаюються. При нагріванні інфрачервоним випромінюваннямз використанням стандартних матеріалів хороша теплопровідність планарного компонента може призвести до занадто низької температури паяльної пасти, а при підвищенні потужності випромінювання - занадто високій температурідрукованої плати. Якщо використовується інфрачервоне нагрівання, рекомендується підібрати іншу паяльну пасту та/або матеріал друкованої плати.

Позначення типорозмірів

Усі зазначені числа відносяться до половин сердечників. Необхідно замовляти дві половини сердечника у правильному поєднанні. Є чотири типи половин сердечників, з яких складаються набори трьох видів:

• два Ш-подібних осердя (E+E);
• Ш-подібний сердечник та пластина (E+PLT);
• Ш-подібний осердя з виїмками та пластина з канавкою (E/R + PLT/S).

У останній набірвходить також затискач (CLM).

У наступній статті буде наведено методику розрахунку планарних силових трансформаторів для імпульсних джерел живлення.

Винахід відноситься до електрорадіотехніки і може бути використане для виготовлення планарного трансформатора, призначеного для портативних електрорадіотехнічних пристроїв. Технічний результат- Підвищення експлуатаційної надійності міжшарових електричних з'єднаньобмоток трансформатора за рахунок паяння контактних майданчиків обмоток, можливість виготовлення витків обмоток з великим поперечним перерізом і відповідно з великим значенням допустимого струму, досягнення оптимального значення коефіцієнта трансформації та відповідно вихідної напруги трансформатора, можливість інтегрування обмоток трансформатора в багатошарову друковану плату в процесі їхнього спільного виготовлення. Досягається тим, що на поверхні гальванопластичної металевої матриці виготовляють багатошарову обмотку шляхом послідовного виготовлення на початку односторонніх обмоток з внутрішніми та зовнішніми контактними майданчиками, потім на основі двосторонніх друкованих обмоток, з яких складають багатошарову обмотку. Внутрішні та зовнішні контактні майданчики виготовляють одночасно з витками односторонніх обмоток шляхом електролітичного осадження міді на пробільні місця фоторезистивної маски, нанесеної на поверхню матриці. Внутрішні контактні майданчики суміжних обмоток з'єднують пайкою, при виготовленні двосторонніх обмоток, а зовнішні контактні майданчики з'єднують пайкою після укладання двосторонніх обмоток пакет багатошарової обмотки. Таким чином виготовляють первинну та вторинну обмотки трансформатора, їх склеюють між собою. Потім вирубують отвори в обмотках, які встановлюють феритовий сердечник, і отримують планарний трансформатор на основі багатошарової друкованої плати. Спосіб дозволяє виготовляти планарні трансформатори на основі багатошарової друкованої плати із застосуванням як мініатюрного феритового осердя типу ЕН/3,5/5 в системі Е-Е, так і з великим осердям типу Ш 68/21/50, на якому можна отримати вихідні характеристики трансформатора 100 В та 100 А, при напрузі живлення 12 В. 1 з.п. ф-ли, 7 іл.

Винахід відноситься до електрорадіотехніки та може бути використане в портативних електрорадіотехнічних пристроях.

Спосіб виготовлення планарного трансформатора на основі багатошарової друкованої плати може знайти широке практичне застосування, якщо він дозволятиме виготовлення материнської багатошарової друкованої плати з надійними міжшаровими переходами, з витками великої товщини, при якій поперечний переріз витка буде відповідати оптимальним величинам допустимого струму.

Спосіб має бути придатним для масового виробництва планарних трансформаторів.

Відомий спосіб формування планарних індуктивностей, який полягає в тому, що поверхня тонкої, фольгованої з двох сторін основної стрічки, поділяють на прямокутні ділянки і методом фотолітографії на кожну ділянку наносять малюнок витків котушок, а додаткової стрічки наносять малюнок контактних майданчиків. Контактні майданчики з двох сторін стрічки електрично з'єднують шляхом хімічної та гальванічної металізації наскрізних отворів. Потім методом хімічного травлення видаляють мідь із ділянок поверхні фольгованої стрічки, які не захищені фоторезистивною маскою. Одночасно отримують лінії розмежування між ділянками, потім згортають елементи плівки лініями їх розділу в гармошку з одночасним стисненням, при цьому елементи розташовуються один над іншим з утворенням синфазних намотування. Спочатку згортають додаткові стрічки з контактними майданчиками, а потім згортають основну стрічку. Ізоляцію між елементами сусідніх ділянок у процесі згортання стрічок у гармошку здійснюють нанесенням клейового покриття або додаткових прокладок та отримують планарну індуктивність.

До недоліків відомого способу відносяться низька надійність міжшарових переходів багатошарової котушки, обмеження товщини витків котушки товщиною фольги на фольгованому діелектрику, розташування контактних майданчиків на додаткових стрічках, що ускладнює укладання елементів котушки і збільшує її обсяг.

Відомий спосіб виготовлення планарного трансформатора на основі багатошарової друкованої плати, відповідно до якого виготовляють друковані обмотки трансформатора на фольгованому діелектрику шляхом травлення фольги в місцях, незахищених фоторезистивною маскою. Потім друкарські обмотки збирають у пакет. Їх поділяють прокладками, що клеять. Після цього пресують пакет при температурі затвердіння клею. Виготовляють міжшарові електричні з'єднання між суміжними обмотками в багатошаровій друкованій обмотці шляхом хіміко-гальванічної металізації наскрізних отворів. Таким чином виготовляють як первинну, так і вторинну обмотки трансформатора. Їх з'єднують між собою склеюванням. Потім в обмотці трансформатора створюють отвори для встановлення феритового осердя. Встановлюють та закріплюють феритовий сердечник в обмотці трансформатора та отримують планарний трансформатор на основі багатошарової друкованої плати. Товщина багатошарової обмотки обмежена вільним простором у феритовому сердечнику. Наведено типи феритових сердечників від мініатюрного типу Е14/35/5 до максимального 64/10/50. Спосіб прийнято за прототип.

До недоліків способу прототипу слід віднести низьку надійність міжшарових електричних з'єднань, отриманих хіміко-гальванічною металізацією наскрізних отворів, малу товщину витків обмоток, яка обмежена товщиною фольги на діелектрику фольгованому. Це ускладнює отримання витків з великим поперечним перерізом, необхідним потужних планарних трансформаторах з допустимим струмом, наприклад, 100А і більше.

Завданням винаходу є створення способу виготовлення планарного трансформатора на основі багатошарової друкованої плати з надійними міжшаровими переходами, а також отримання витків обмотки великої товщини, що дозволяє отримати необхідний поперечний переріз витка, при якому допустима величина струму дорівнює, наприклад, 100А і більше.

Поставлене завдання вирішується тим, що у відомому способі виготовлення планарного трансформатора на основі багатошарової друкованої плати виготовляють мідні витки обмоток з контактними майданчиками відповідно до фоторезистивного друкованого малюнка, на якому обмотки розташовані на роздільних прямокутних ділянках. Потім обмотки укладають у пакет із включенням між обмотками прокладок, що клеять. Пресування пакету проводять при температурі затвердіння клею. Створюють міжшарові електричні з'єднання обмоток. Виготовляють первинну та вторинну багатошарові обмотки та склеюють їх між собою. Створюють отвори в обмотках, в які встановлюють феритовий сердечник, який відрізняється тим, що витки обмоток з внутрішніми і зовнішніми контактними майданчиками виготовляють шляхом електролітичного осадження міді на поверхню металевої гальванопластичної матриці, яку попередньо покривають фоторезистивною маскою з позитивним малюнком. у двох рядах, при цьому загальна кількість обмоток дорівнює числу шарів багатошарової обмотки, на пробільні місця фоторезистивної маски осаджують електролітично мідь до заданої товщини, потім створюють на її поверхні мікрошорсткості, видаляють фоторезистивну маску і на поверхню мідних витків укладають прокладку, що клеїть, внутрішніх та зовнішніх контактних майданчиків, запресовують прокладку у витки при температурі затвердіння клею та отримують односторонні друковані обмотки, на поверхню внутрішніх контактних майданчиків наносять паяльну пасту та проводять її оплавлення, потім матрицю поділяють на дві частини, на кожній з яких розташований один ряд односторонніх обмоток, після чого обидві частини поєднують, укладаючи їх у пакет, при цьому попередньо наносять клей на поверхні прокладок, односторонні обмотки склеюють між собою і отримують двосторонні друковані обмотки, після чого відокремлюють матрицю з одного боку пакета, проводять пайку внутрішніх контактних майданчиків, паяні контакти захищають електроізоляційним лаком, потім на матриці залишають тільки одну двосторонню обмотку, а інші відокремлюють від матриці, їх послідовно укладають у пакет на обмотку, що залишилася на матриці, попередньо наносять клей на поверхню обмоток, зовнішні контактні майданчики розташовують у ряд на матриці і попарно з'єднують їх пайкою, починаючи з другого і закінчуючи передостаннім, при цьому перший і останній контактні майданчики є початком і кінцем багатошарової обмотки, після чого на зовнішні контактні майданчики укладають прокладки, що клеять, і проводять пресування пакета, отримують багатошарову друковану обмотку, виготовлені таким чином первинну і вторинну обмотки. собою, після чого з двох сторін обмотки відокремлюють матриці і після створення в обмотках отворів та встановлення феритового осердя отримують планарний трансформатор на основі багатошарової плати.

Спосіб пояснюється кресленнями, фіг.1-7.

На фіг.1 зображено алюмінієва матриця, на якій виготовлені витки обмоток з контактними майданчиками та електроізоляційна прокладка з вікнами. Прокладка призначена для перенесення на неї мідних витків із утворенням односторонніх обмоток.

На фіг.2 зображено двосторонні обмотки, які отримані після склеювання односторонніх обмоток

На фіг.3 представлена ​​багатошарова вторинна обмотка, утворена шляхом склеювання двосторонніх обмоток.

На фіг.4 представлена ​​первинна обмотка.

На фіг.5 представлена ​​обмотка трансформатора, отримана після склеювання первинної та вторинної обмотки з отвором для установки сердечника.

На фіг.6 показаний планарний трансформатор на основі багатошарової друкованої плати.

На фіг.7 показаний планарний трансформатор, інтегрований багатошарову друковану плату.

Спосіб реалізується наступним чином

Мідні витки обмотки з контактними майданчиками виготовляють електролітичним осадженням міді поверхню металевої гальванопластичної матриці. З великого асортименту металевих гальванопластичних матриць найбільш ефективною для вирішення поставленої задачі є алюмінієва матриця. Так як з алюмінієвої матриці можливе перенесення мідних друкованих провідників з матриці на тонку діелектричну основу. А також з алюмінієвої матриці можливе скидання друкованих мідних виробів. Тому з алюмінієвої матриці можна одночасно здійснювати перенесення мідних витків витків обмоток на діелектричну прокладку і відокремлювати від матриці контактні майданчики. Як алюмінієва матриця 1 (фіг.1) застосовують прокат алюмінієвого сплаву, наприклад, марки Д16Т, товщиною 0,1-0,3 мм. Матрицю готують до металопокриття шляхом анодування 4Н сірчаної кислоти при щільності струму 1А/дм 2 . Матеріал фоторезистивної маски застосовують залежно від товщини витків обмоток, що виготовляються. При тонких витках до 50 мкм можна використовувати плівковий фоторезист, наприклад, марки СПФ-ВЩ-2-50. При витках, що перевищують товщину 50 мкм, застосовують гальваностійку фарбу, наприклад, марки, СТЗ.13, яку наносять методом трафаретного друку. На поверхню матриці 1 (фіг.1) наносять фоторезистивну маску 2 з позитивним малюнком витків обмоток 3 з внутрішніми контактними майданчиками 4 і зовнішніми 5. Фоторезистивний малюнок маски 2 складається з двох рядів обмоток 3. Число обмоток 3 у двох рядах відповідає числу шарів обмотці. На пробільні місця фоторезистивного малюнка електролітично осаджують мідь з сульфатного сульфатного електроліту міднення складу в г/л: сірчанокисла мідь - 250, сірчана кислота - 70, щільність струму 4 А/дм 2 , температура 20±2°С. Після досягнення заданої товщини мідного осаду на його поверхню осаджують шорсткий осад міді, призначений для збільшення міцності зчеплення між витками обмоток і діелектричною прокладкою 6. Шорсткий осад осаджують імпульсному режиміз розчину складу г/л: сірчанокисла мідь 35-45, сірчана кислота 180-200, температура 22-26°С, час осадження 0,5 хв, час паузи 0,025 хв, щільність струму 6 А/дм 2 . Тривалість осадження для досягнення шорсткої поверхні значення Ra, рівного 2 мкм . Потім з матриці 1 видаляють фоторезистивну маску шляхом розчинення у відповідних розчинниках: плівковий фоторезист в 5% розчині лугу, а гальваностійку фарбу в органічному розчиннику, наприклад, хлористому етилені. Після чого на мідні витки укладають електроізоляційну склотекстолітову прокладку 6, просочену клейовим недополімеризованим сполучним, з температурою затвердіння 155±5°С, наприклад, марки СП-1-01 . У прокладці 6 вирізають вікна 7 у місцях розташування контактних майданчиків 4 та 5 (фіг.1). Сумарна товщина прокладки 6 повинна бути більшою за товщину витків 3 не менше ніж у два рази, так як при запресуванні прокладок 6 в мідні витки 3 останні на всю товщину витка розміщуються в прокладці 6. Проводять запресування прокладок 6 у витки 3 при температурі затвердіння клейового сполучного. При цьому утворюються односторонні обмотки 8. На поверхню внутрішніх контактних майданчиків наносять паяльну пасту 9, наприклад, марки ПП1, на основі припою ПОС-61 з температурою плавлення 190-230°З проводять оплавлення паяльної пасти при температурі 90-100°С. Суміжні обмотки 3 у кожному ряду мають таке розташування внутрішніх контактних майданчиків 4, що у разі укладання суміжних обмоток один на одного контактні майданчики 4 збігаються і можливе їх з'єднання пайкою. При цьому зовнішні контактні майданчики 5 суміжних обмоток розташуються на відстані рівному кроці між суміжними витками в обмотці. Для суміщення суміжних обмоток, розташованих у двох рядах, і утворення двосторонніх друкованих обмоток, матрицю 1 поділяють на дві частини, на кожній з яких розташований один ряд односторонніх обмоток 8. Потім розділені частини матриці 1 укладають у пакет відповідно до розташування реперних знаків 10 кожній частині матриці. Проводять склеювання пакета, при цьому використовують прокладку 6 (фіг.2), що має вікна 7 у місцях розташування контактних майданчиків 5. З одного боку пакета відокремлюють матрицю 1, потім пайку проводять внутрішніх контактів 4 суміжні обмотки. Після чого спаяні контакти 4 покривають електроізоляційним лаком 11, наприклад, марки КО-926 , і отримують двосторонні друковані обмотки 12. На двосторонні обмотки 12 укладають прокладку 6" фіг.2 товщиною 0,06-0,1 мм з вікнами 7 розташування зовнішніх контактних майданчиків 5 і приклеюють її під пресом при температурі затвердіння клею.Для отримання багатошарової друкованої обмотки з двосторонніх обмоток 12 на матриці залишають тільки одну двосторонню обмотку 12, а інші відокремлюють від матриці і послідовно укладають в пакет над матрицею, що залишилася, 2. При цьому зовнішні контактні майданчики 5 розташовують в один ряд 13 на матриці 1. Попарні з'єднання контактних площадок починають з другого контакту і закінчують передостаннім.При цьому перший і останній контактні майданчики 5 є початком і кінцем багатошарової обмотки 14 (фіг.3). Весь ряд контактних майданчиків 13 притискають до поверхні матриці 1 прокладками, що клеять, до досягнення товщини пакета багатошарової обмотки 14. Після чого проводять пресування пакета при температурі затвердіння клею і отримують вторинну багатошарову обмотку 14 (фіг.3). Аналогічно виготовляють первинну обмотку 15 (фіг.4). Потім обмотки 14 та 15 склеюють між собою під пресом. Відокремлюють матрицю 1 із двох сторін друкованої обмотки трансформатора. Потім вирубують отвори 16 в обмотці трансформатора, необхідні для установки феритового сердечника (фіг.5), встановлюють в обмотку феритовий сердечник 17 (фіг.6), закріплюють пластиною 18 і отримують планарний трансформатор з багатошарової друкованої платою 19.

Можливість інтеграції планарного трансформатора 19 багатошарову друковану плату заснована на тому, що в технології виготовлення планарного трансформатора і багатошарової друкованої плати є аналогічні технологічні операції. Так, при виготовленні планарного трансформатора проводять склеювання первинної та вторинної обмоток, а при виготовленні багатошарової друкованої плати склеюють заготовки з односторонніх або двосторонніх друкованих плат. Тому запропоновано проводити одночасне склеювання обмоток трансформатора та заготовок багатошарової друкованої плати. Відмінною особливістютакого склеювання є те, що його проводять до відділення обмоток від матриці (фіг.3 та фіг.4). Тому поверхня обмоток захищена від впливу агресивних розчинів, які застосовують після склеювання заготовок багатошарової друкованої плати в процесі виготовлення міжшарових переходів хіміко-гальванічної металізації, а також при створенні мідних топології провідних провідників на зовнішніх шарах шляхом хімічного травлення фольгованого діелектрика . Після завершення виготовлення багатошарової друкованої плати відокремлюють матриці від поверхні обмоток. В обмотках створюють отвори, які встановлюють феритовий сердечник 17 (фіг.7). На фіг.7 показана багатошарова друкована плата, яку інтегрований планарний трансформатор. Як видно, обмотки трансформатора 14 і 15, а також заготовки багатошарової друкованої плати 21 і 22 склеєні єдиною прокладкою 20. В результаті планарний трансформатор 19 на основі багатошарової друкованої плати 14 і 15 інтегрований багатошарової друкованої плати 23.

Таким чином, розроблений спосіб дозволяє виготовляти планарний трансформатор на основі багатошарової друкованої плати з високою експлуатаційною надійністю, оскільки міжшарові електричні з'єднання здійснюють пайкою контактних майданчиків суміжних обмоток. Крім того, спосіб дозволяє виготовляти витки з великою товщиною. Спосіб не обмежує кількість двосторонніх обмоток, що укладаються в пакет при утворенні багатошарової обмотки, тому можливе досягнення оптимального коефіцієнта трансформації. Спосіб придатний для масового виробництва, так як основні технологічні операції способу можна здійснювати на високопродуктивному обладнанні, освоєному промисловими підприємствами, а саме: нанесення на матрицю фоторезистивного малюнка методом фотолітографії, електролітичного осадження міді на пробільні місця фоторезистивного малюнка з освітою витків мідних і контактних площадок односторонніх друкованих плат шляхом перенесення мідної друкованої схемина електроізоляційну основу, утворення багатошарової друкованої плати на основі односторонніх та двосторонніх друкованих плат. Крім того, розроблено спосіб інтеграції планарного трансформатора в багатошарову друковану плату в процесі їхнього спільного виготовлення.

Спосіб здійснюється наступним чином.

Приклад 1. Виготовляють планарний трансформатор на основі багатошарової друкованої плати з мініатюрним феритовим осердям типу Е 14/3,5/5, у якого вільний простір для розміщення багатошарової обмотки дорівнює 4×2 мм, де 4 мм - ширина вільного простору, а 2 мм – висота. Первинна обмотка трансформатора живиться від джерела струму з напругою 3 В. Допустимий струм у витку вторинної обмотки дорівнює 0,25А. Визначаємо необхідний поперечний переріз витків вторинної обмотки виходячи із значення допустимого струму через мідний друкарський провідник, який виготовлений гальванічним осадженням міді і дорівнює 20 А/мм 2 . Поперечний переріз мідного витка вторинної обмотки при допустимому струмі, що дорівнює 0,25 А, відповідно 0,0125 мм 2 . Тоді при ширині витка вторинної обмотки, що дорівнює 0,25 мм 2 товщина витка дорівнює 0,05 мм.

Визначаємо число шарів обмоток, які можна розташувати по висоті вільного простору осердя, що дорівнює 2 мм. У вільному просторі сердечника необхідно розмістити первинну та вторинну обмотки трансформатора, які з'єднані між собою прокладкою, що клеїть. При цьому можливий розподіл вільного простору сердечника: первинна обмотка - 0,6 мм, вторинна - 1,2 мм, прокладка - 0,2 мм.

Мідні витки 3, осаджені на матрицю 1, запресовують в електроізоляційну прокладку 6 на всю товщину витка 3. Тому товщина прокладки 6 повинна мати товщину не менше двох товщин витка 3. При товщині одного витка вторинної обмотки, що дорівнює 0,05 мм, товщина прокладки повинна дорівнювати 0,2 мм. Отже, товщина одного шару обмотки дорівнює 02 мм. Тому число шарів у вторинній обмотці товщиною 1,2 мм дорівнює шести. При шести шарах у вторинній обмотці і шести витках в одному шарі обмотки число витків у вторинній обмотці дорівнює тридцяти шести. При числі витків первинної обмотки, що дорівнює 4, коефіцієнт трансформації дорівнює 9. При напрузі на вході первинної обмотки, що дорівнює 3 В, напруга на виході вторинної обмотки при роботі трансформатора на холостому ході дорівнює 27 В.

Для виготовлення вторинної обмотки поверхні алюмінієвої матриці виготовляють шість шарів обмоток з контактними майданчиками. Їх розташовують у двох рядах по три обмотки у кожному ряду (фіг.1). Кожна обмотка складається з витків 3, внутрішніх контактних майданчиків 4 і зовнішніх контактних майданчиків 5. Поверхня матриці, необхідна для виготовлення шести обмоток, визначається розміру поверхні, необхідної для однієї обмотки, що дорівнює 14×18 мм, і відстані між обмотками, рівного 30 мм . Поверхня на матриці, призначена виготовлення вторинної обмотки, дорівнює 58×145 мм. На поверхню матриці наносять позитивний фоторезистивний малюнок шести обмоток з контактними майданчиками методом фотолітографії за допомогою плівкового фоторезисту СПФ-ВЩ-2-50. У пробільні місця фоторезистивного малюнка електролітично беруть в облогу мідь з кислого сульфатного електроліту міднення товщиною 0,05 мм, потім електролітично беруть в облогу шорсткий осад міді з збідненого за вмістом міді сульфатного електроліту міднення в імпульсному режимі. Після чого видаляють плівковий фоторезист у слабкому лужному розчині. На мідні витки обмоток укладають склотекстолітову прокладку 6 товщиною 0,2 мм, просочену термореактивним клейовим сполучним. Попередньо в прокладці вирізають вікна 7 в місцях розташування контактних майданчиків 4 і 5. У прокладку запресовують витки 3 обмоток і отримують шість односторонніх обмоток 8. На контактні майданчики 4 наносять паяльну пасту 9 і оплавлення проводять пасти при температурі 90-100°.

Матрицю 1 поділяють на дві ділянки, на кожній з яких розташований один ряд обмоток. Потім відповідно до реперних знаків 10, розділені ділянки матриць укладають у пакет (фіг.2) таким чином, що внутрішні контактні майданчики 4 суміжних обмоток збігаються для подальшого з'єднання їх пайкою, а зовнішні контактні майданчики 5 розташовуються поруч на відстані, відповідному кроку між витками (Фіг.2). Склеюють обидві половини матриці 1 під пресом при температурі затвердіння клею. Потім відокремлюють матрицю лише з одного боку пакета. Після чого проводять паяння внутрішніх контактних майданчиків 4 суміжних обмоток. Спаяні контакти 4 захищають електроізоляційним лаком 11 і отримують на матриці 1 три двосторонні обмотки 12. На поверхню всіх обмоток 12 приклеюють під пресом прокладку 6" товщиною 0,1 мм з вікнами 7 у місцях розташування контактних майданчиків 5 (фіг.2).

Після чого на матриці 1 залишають одну двосторонню обмотку 12, а дві двосторонні обмотки відокремлюють від матриці. Їх укладають послідовно в пакет з проміжним клейовим шаром над обмоткою 12, що залишилася на матриці. При цьому зовнішні контактні майданчики 5 кожної обмотки 12 укладають в один ряд 13 на матриці 1 (фіг.3). З'єднують контактні майданчики 5 попарно шляхом паяння припоєм з температурою плавлення вище температури затвердіння клейового сполучного. Попарні з'єднання пайкою починають з другого контакту 5 і закінчують передостаннім контактом 5 в ряду 13. При цьому перший і останній контактні майданчики є початком і кінцем вторинної багатошарової обмотки 14. Потім контактні майданчики 13 притискають до матриці 1 прокладкою. На неї укладають вирівнюючу прокладку до досягнення товщини пакета 14. Після чого пакет пресують при температурі затвердіння клею і отримують вторинну багатошарову обмотку планарного трансформатора, яка розташована на матриці 1, фіг.3.

Аналогічно виготовляють первинну обмотку планарного трансформатора. Загальна товщина первинної обмотки дорівнює 06 мм. Первинна обмотка складається із двох шарів. Товщина шару обмотки дорівнює 0,3 мм. Це дозволяє виготовляти витки первинної обмотки завтовшки 0,1 мм і більше. Ширина вільного простору в сердечнику дорівнює 4 мм, і в ній потрібно розмістити два витки первинної обмотки, тому ширина витка може дорівнювати 1 мм з урахуванням відстані між витками, рівного також 1 мм. Поперечний переріз витків первинної обмотки дорівнює 0,1 мм 2 що відповідає допустимому струму у витках первинної обмотки, що дорівнює 2,5 А. Поверхня кожної обмотки дорівнює 14×18 мм. Для виготовлення двох односторонніх обмоток застосовують алюмінієву матрицю розміром 110×60 мм. Як фоторезистивну маску застосовують гальваностійку фарбу, яку наносять методом трафаретного друку. Потім електролітично нарощують мідні витки обмоток завтовшки 0,1 мм. Контактні майданчики 4 суміжних обмоток з'єднують пайкою. Два зовнішні контакти 5 служать початком і кінцем первинної обмотки (фіг.4). Потім вторинну обмотки 14 і первинну 15 укладають в пакет з проміжною прокладкою товщиною 0,2 мм. Проводять склеювання обмоток під пресом за температури затвердіння клею. Відокремлюють матриці 1 із двох сторін обмотки трансформатора. Вирубують отвори 16 (фіг.5) для осердя 17 (фіг.6). Встановлюють осердя 17 типу Е 14/3,5/5. Його закріплюють пластиною 18 і отримують планарний трансформатор на основі багатошарової друкованої плати 19 з вхідною напругою 3 і вихідною напругою 27 В.

Приклад 2. Визначають параметри феритового сердечника, придатного для планарного трансформатора на основі багатошарової друкованої плати з робочою напругою, рівним 100 В, і струмом при короткочасному навантаженні 100 А. Трансформатор живиться від джерела струму з напругою 12 В. Планарний трансформатор .

Необхідно визначити розмір вільного простору в феритовому сердечнику, в якому можуть розміститися первинна і вторинна обмотки трансформатора і прокладка, що клеїть між ними.

Визначаємо розмір вторинної та первинної обмотки трансформатора. Знаючи значення вихідної напруги трансформатора і величину напруги живлення, визначаємо коефіцієнт трансформації, що дорівнює 8. Приймаємо, що число витків первинної обмотки дорівнює чотирьом, тоді число витків у вторинній обмотці дорівнює тридцяти двом. Поперечний переріз вторинної обмотки повинен відповідати величині струму, що коротко протікає в 100 А. При струмі, що дорівнює 100 А, поперечний переріз витка має бути 2,5 мм 2 . Тому за ширини витка 3 мм його товщина дорівнює 0,83 мм. Зазор між витками також дорівнює 3 мм, тому для кожного витка необхідний простір шириною 6 мм. При чотирьох витках в одному шарі обмотки необхідна ширина вільного простору в осерді, що дорівнює 24 мм.

Оскільки у вторинній обмотці тридцять два витки, то їх можна розташувати у восьми шарах обмоток, по чотири витки у кожній обмотці.

Необхідна висота вільного простору в сердечнику визначається сумою товщин первинної та вторинної обмоток і товщиною прокладки, що клеїть. Товщина вторинної обмотки визначається сумою восьми товщин прокладок, які запресовані мідні витки обмоток. При товщині мідного витка 0,83 мм товщина прокладки дорівнює 2 мм. Тоді товщина вторинної обмотки дорівнює 16 мм.

Визначаємо товщину первинної обмотки. Ширина вільного простору в осерді для вторинної та первинної обмотки однакові та рівні 24 мм. Первинна обмотка містить чотири витки у двох шарах. Тому в одному шарі обмотки розташовано два витки з шириною витка, що дорівнює 6 мм, з відстанню між витками також 6 мм. При товщині витка, що дорівнює 0,5 мм, товщина прокладки дорівнює 2 мм. Тоді товщина первинної обмотки дорівнює 4 мм. Якщо товщина прокладки клею дорівнює 0,2 мм, то загальна висота вільного простору в сердечнику для розміщення обмотки трансформатора повинна дорівнювати 20,2 мм. Таким чином, феритовий осердя з вільним простором 24×20,2 мм придатний для потужного планарного трансформатора.

Визначаємо габарити феритового осердя Ш-подібної форми (фіг.6). Довжина Ш-подібного феритового осердя складається з двох ділянок для розміщення багатошарової друкованої обмотки трансформатора, розташованих з двох сторін центрального стрижня, фіг.6. При ширині центрального стрижня, що дорівнює 10 мм, та бічних стрижнів шириною 5 мм, загальна довжина планарного трансформатора дорівнює (24×2)+10+(5×2)=68 мм. Висота феритового сердечника складається з висоти вільного простору сердечника та товщини основної частини сердечника, від якої відходять центральні та бічні стрижні. При висоті вільного простору сердечника, що дорівнює 20,2 мм, товщині основної частини сердечника, що дорівнює 6 мм, висота феритового сердечника дорівнює 26,2 мм.

Таким чином, феритовий сердечник Ш-подібної форми для потужного планарного трансформатора з вихідною напругою 100 В і струмом 100 А живиться від джерела струму напругою 12 має розміри 68/26,2/50 мм. При використанні осердя Е-типу для системи Е-Е, осердя ставитиметься до типу Е68/13,1/50.

Приклад 3. Виготовляють багатошарову друковану плату з інтегрованим планарним трансформатором.

Багатошарову друковану плату виготовляють методом попарного пресування. Для чого беруть дві заготівлі фольгованого з обох боків діелектрика. на внутрішній сторонікожної заготівлі створюють топологію мідної друкованої схеми шляхом травлення фольги у місцях, незахищених фоторезистивною маскою. Потім у кожній заготівлі свердлять наскрізні отвори та здійснюють їх металізацію шляхом хіміко-гальванічного осадження міді. Після цього заготівлі склеюють між собою.

За технологією прикладу 1 виготовляють первинну обмотку 15 і вторинну обмотку 14 на матриці 1 (фіг.3 і фіг.4), які також підлягають склеюванню. Беруть просочену клеєм склотекстолітову прокладку 20 (фіг.7), з двох сторін якої укладають заготовки багатошарової друкованої плати 21 і 22, а також обмотки 14 і 15. Пресують пакет при температурі затвердіння клею. Потім завершують виготовлення багатошарової друкованої плати 23, для чого просвердлюють отвори для створення міжшарових переходів, проводять їх хіміко-гальванічну металізацію. Потім створюють топологію мідної друкованої схеми зовнішніх шарах плати шляхом травлення фольги у місцях, не захищених фоторезистивною маскою. В процесі завершення виготовлення багатошарової друкованої плати, обмотки 14 і 15 планарного трансформатора захищені від впливу агресивних розчинів матрицею 1. Після завершення виготовлення багатошарової плати 23, відокремлюють матриці від обмоток 14 і 15, створюють отвори для установки феритового сердечника 1. до нього приєднують феритову пластину 18. Отримують планарний трансформатор 19, інтегрований багатошарову друковану плату 23.

Технічний результат

Запропонований спосіб дозволяє виготовляти планарний трансформатор із високою експлуатаційною надійністю, т.к. міжшарові з'єднання багатошарової друкованої обмотки отримують шляхом паяння контактних майданчиків за допомогою тугоплавкого припою. Спосіб дозволяє виготовляти витки обмоток великої товщини, а отже з великим поперечним значенням витка і тому з великим допустимим струмом у витку.

Відсутність обмеження серед двосторонніх обмоток, з яких виготовляють багатошарові обмотки, дозволяє повне заповнення вільного простору сердечника і досягнення оптимального числавитків у багатошаровій обмотці.

Спосіб дозволяє інтегрувати планарний трансформатор у багатошарову друковану плату у процесі їхнього спільного виготовлення. На основі запропонованого способу можливе здійснення масового виробництва планарних трансформаторів на основі багатошарової друкованої плати.

Джерела інформації

1. Спосіб формування планарних індуктивностей. Реферат винаходу Росії, заявка 93006715/07 від 1993.02.03, опубліковано 1995.04.20.

2. Планарний трансформатор з урахуванням багатошарових друкованих плат. Компоненти та технології. 2003 №6", с.106-112. Прототип.

3. Гальванотехніка. М: Металургія, 1987, с.572-573.

6. Технологія багатошарових друкованих плат. М.: Радіо та зв'язок, 1990, с.63, 74.

7. Технологія багатошарових друкованих плат. М: Радіо і зв'язок, 1990, с.46.

8. Технологія багатошарових друкованих плат. М.: Радіо та зв'язок, 1990, с.38.

9. Монтаж на поверхні. М: Видавництво стандартів, 1991, с.28.

10. Довідник з електротехнічних матеріалів. М: Енергія, 1974, с.253.

11. Федулова А.А. та ін. Багатошарові друковані плати. М: Радянське радіо, 1977, с.183-193.

12. Аренков А.Б. Друкарські та плівкові елементи радіоелектронної апаратури. Л.: Енергія, 1971, с.19.

1. Спосіб виготовлення планарного трансформатора на основі багатошарової друкованої плати, що включає виготовлення мідних витків обмоток з контактними майданчиками відповідно до фоторезистивного друкованого малюнка, на якому обмотки розташовані на окремих прямокутних ділянках, потім обмотки укладають у пакет з включенням між обмотками прокладок, що клеять, проводять пакета при температурі затвердіння клею, створюють міжшарові електричні з'єднання обмоток, виготовляють первинну і вторинну багатошарові обмотки і склеюють їх між собою, створюють отвори в обмотках, в які встановлюють феритовий сердечник, що відрізняється тим, що витки обмоток з внутрішніми і зовнішніми осадження міді на поверхню металевої гальванопластичної матриці, яку попередньо покривають фоторезистивною маскою з позитивним малюнком вітків обмоток , Потім створюють на її поверхні мікрошорсткість, видаляють фоторезистивну маску і на поверхню мідних витків укладають прокладку, що клеїть, з вікнами в місцях розташування внутрішніх і зовнішніх контактних майданчиків, запресовують прокладку у витки при температурі затвердіння клею і отримують односторонні друковані обмотки, на паяльну пасту і проводять її оплавлення, потім матрицю поділяють на дві частини, на кожній з яких розташований один ряд односторонніх обмоток, після чого обидві частини поєднують, укладаючи їх в пакет, попередньо наносять клей на поверхні прокладок, односторонні обмотки склеюють між собою і отримують двосторонні друковані обмотки, після чого відокремлюють матрицю з одного боку пакета, проводять паяння внутрішніх контактних майданчиків, паяні контакти захищають електроізоляційним лаком, потім на матриці залишають тільки одну двосторонню обмотку, а інші відокремлюють від матриці, їх послідовно укладають у пакет на обмотку, що залишилася. на матриці, попередньо наносять клей на поверхню обмоток, зовнішні контактні майданчики розташовують у ряд на матриці і попарно з'єднують їх паянням, починаючи з другого і закінчуючи передостаннім, при цьому перший і останній контактні майданчики є початком і кінцем багатошарової обмотки, після чого зовнішні контактні площадки укладають прокладки, що клеять, і проводять пресування пакета, отримують багатошарову друковану обмотку, виготовляють таким чином первинну і вторинну обмотки трансформатора, склеюють між собою, після чого з двох сторін обмотки відокремлюють матриці і після створення в обмотках отворів і встановлення феритового сердечника отримують планер багатошарової плати.

2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що склеювання первинної та вторинної обмоток планарного трансформатора проводять одночасно зі склеюванням заготовок шарів багатошарової друкованої плати за допомогою загальної прокладки, потім проводять подальше виготовлення багатошарової друкованої плати шляхом формування топології мідної схеми травленням фольгованого міжшарових електричних з'єднань шляхом хіміко-гальванічної металізації, при цих операціях обмотки трансформатора захищені від дії агресивних розчинів матрицею, після виготовлення багатошарової друкованої плати матриці відокремлюють від поверхні обмоток, створюють отвори в них, встановлюють феритовий сердечник і отримують планарний трансформатор .

Схожі патенти:

Винахід відноситься до електрорадіотехніки і може бути використане для виготовлення планарного трансформатора, призначеного для портативних електрорадіотехнічних пристроїв.

Нещодавно до мене звернулася одна компанія, якій необхідно було розробити лінійку LED-драйверів. Назва компанії та ТТХ драйверів називати не буду, NDA не підписував, але етика є етика. Начебто звичайне замовлення на драйвер, яких десяток за рік набирається, але було дві взаємовиключні вимоги: вартістьі габарити.

Завдання з погляду схемотехніки просте, але з погляду виробництва та конструювання виявилося дуже цікавим. І так - потрібно виготовити мережний драйвер для LED з коректором коефіцієнта потужності (потужність близько 100 Вт), який коштував був у межах 3$на серії і мав габарити за висотою не більше 11 мм! Багато хто скаже: "А в чому проблема зробити дешманський драйвер?", Ось тільки дешманський не прокотить, т.к. ще одна вимога - можна давати без побоювань 5 років гарантії. І ось тут починається найцікавіше.

Було зроблено вибір топології, схемотехніка, все влазило в габарити і вартість, але таку чудову картину псував «класичний» трансформатор. Він величезний, він дорогий, він технологічно складний виготовлення. Залишалося вирішити останнє завдання і після двох днів у роздумах та розрахунках воно було знайдено. планарний трансформатор.

Якщо вам цікаво між чим і чим робився вибір, на яких аргументах він ґрунтувався і як удалося отримати вартість трансформатора менше 0.5$, то запрошую вас у підкат. Ну і для покращення «апетиту» додаю вам фото готового трансформатора:

Основні недоліки «класичних» трансформаторів

Я думаю не для кого не секрет як виглядає звичайний трансформатор, але раптом хтось пропустив останні 150 років промислової революції, тому нагадаю:

Так виглядає звичайний трансформатор, намотаний на каркасі від осердя RM12. Чим же він такий поганий? Причин тут кілька, звичайно частина з них втрачає актуальність у певних завданнях, але розповідь буде вестися в контексті завданням, що постало перед мною. І ось основні з них:

• Висота.Навіть людина з поганим окоміром може приблизно оцінити розміри трансформатора по фотографії і сказати з упевненістю: "Він точно більше 11 мм". Висота трансформатора на RM12 становить близько 24 мм, що більш ніж у 2 рази перевищує необхідне значення
• Технологічність.Коли вам потрібно намотати 1-2 трансформатори, то ви берете каркас, провід і мотаєте. Коли вам треба намотати 100-200 штук, то можна замовити намотування у себе в країні, ціна ще не кусається. Коли вам треба намотати 10 000 штук, а потім ще 50 000, тут виникає купа нюансів: ціна, якість, вибір ще одного підрядника в Азії. Все це збільшує кінцеву вартість продукту, коли мені потрібно супер дешево і дуже якісно.
• Повторюваність.Намотати і зібрати два однакові трансформатори - дуже складно, зробити 10 000 однакових трансформаторів - неможливо. Це я випробував на своїй шкурі вже не раз, особливо якщо йдеться про виробництво в ЮА. А тепер уявіть,
  що вам доведеться «доопрацьовувати напилком» ці 10 000 трансформаторів при фінальному збиранні. Уявили? Вам стало сумно від кількості трудовитрат, а отже й вартості? Думаю, стало.
• Собівартість.Це взагалі дуже складний пункт, але давайте подивимося на фото вище і побачимо, що для складання класичного трансформатора нам потрібен каркас, осердя, скоби, мідний провід, ізоляція і все це руками або на напівавтоматичному верстаті. Допустимо все це коштує «Х доларів». Для виготовлення планарного трансформатора потрібен лише сердечник. Думаю тут очевидно, що 1 деталь коштує явно дешевше, ніж 1 така сама деталь + ще 4 компоненти?

У цей момент вас напевно долають муки: «Якщо все так погано, то чому звичайні трансформаторинастільки поширені? Трохи раніше я говорив, що частина цих мінусів у певних задачах не є мінусом. Наприклад, якщо ви відкриєте UPS on-line, то побачите, що трансформатор там не найгабаритніший елемент. Та й якщо ви збираєте невеликі партії до 100-200 пристроїв на місяць, то, напевно, і собівартість вирівняється, т.к. 100-200 штук вже можна зробити і в Росії або найняти намотчика, купити китайський верстат або зробити самим за 100-200 тис. руб. і радіти життю.
І мабуть, головне місце, де планарні трансформатори не витіснять звичайні - перетворювачі з номінальною потужністю більше 2000 Вт.

Пристрій планарного трансформатора

На першій картинці ви бачите даний тип трансформатора вже в зібраному стані, вигляд вельми незвичайний, чи не так? Хоча люди, які розкривали сучасні телевізори, Зарядки ноутбуків (не дешевих) вже напевно бачили такі трансформатори або подібні.

Планарні трансформатори можуть бути виконані в різних конструктивних виконаннях, чіткої класифікації не існує наскільки мені відомо, але я поділяю їх на 2 типи:

Який би тип планарного трансформатора не розглядали, спільне у них одне - всі обмотки виконані у вигляді мідних доріжок на друкованій платі.

Якщо ви вирішите більш детально ознайомитися з цією технологією і попрямуйте в гугл, то напевно в багатьох статтях зустрінете фразу: »… і ось нарешті Останніми рокамипланарні трансформатори стали доступними за ціною. Пов'язано це з тим, що багатошарові платиподешевшали». Коли я проектував свій перший планарний трансформатор, року так у 2010–11, ця фраза збила мене з пантелику. Я наївно подумав, що планарники роблять винятково на багатошарових друкованих платах. На той момент я ще навчався у ВНЗ, і хоч працював і отримував непогану стипендію – цей тип плат для мене був фінансово не дуже доступний. Подумав і вирішив зробити свій фейсбук! здешевити цю технологію, як виявилося потім - вигадав велосипед.

Суть здешевлення полягала у використанні «пирога» з кількох двошарових плат невеликої товщини (0.8 або 1 мм). Для мене це здавалося геніальним та простим рішенням. Ось тільки проблема була в тому, що я як завжди дивився на рішеннях топових компаній, що займаються силовою електронікою, таких як Texas Instruments, Linear, Infineon, Murata, а вони використовували друковані плати в 6-8 шарів і в 2010 вони навіть стандартного 4 класу (0.15/0.15 мм) коштували дуже дорого. Потім вийшло так, що на літню практику мене покликали в одну гарну компанію і там мені розповіли та показали, що вони такі «пироги» для планарних трансформаторів уже 10 років як роблять. Так само робили й інші компанії рангом нижче, ніж TI та Infineon. Головне одне - ідея була вірнаі таке рішення не просто правильне, а ще й перевірене часом.

Всі елементи «пирога» звичайні двошарові плати стандартного класу точності, а значить вони дуже дешеві і виготовити їх може будь-який виробник друкованих плат. Виглядають елементи "пирога" планарного трансформатора ось так:

Як бачите в моєму трансформаторі лише 3 елементи, хоча могло б бути і більше. Чому 3? Відповідно до моїх розрахунків, щоб набрати потрібну індуктивність у первинній обмотці, мені знадобиться 6 шарів. 2 шари мені дає основна плата + 2 шари «шматок пирога» + 2 шари «шматок пирога». Вторинна обмотка вмістилася лише на 2 шари, від сюди ще один «шматок пирога». У результаті має стек із 4-х двошарових друкованих плат. Далі арифметика ще простіше: я використовую сердечник ELP18/4/10, а значить відстань під обмотки у мене становить 4 мм. Цю відстань ми ділимо на кількість плат: 4 мм/4 плати = 1 мм – товщина кожної друкованої плати. Все просто!

Якщо вам раптом не зрозуміло звідки взявся зазор в 4 мм, то можете подивитися даташіт на осердя тут. А для тих, кому не зручно ходити за посиланнями чи трафік не хочеться витрачати на велику pdf-ку, невелика вирізка:

Як бачимо розмір вікна осердя на одній половині становить 2 мм, на другій половині він також 2 мм. Отримуємо загальний розмір вікна за висотою – 4 мм.

Тепер можна розібрати, з чого складається собівартість планарного трансформатора. Насправді тут всього дві складові: сердечник і три друковані плати. Сердечник оптом коштує 0,14 $, друковані плати 3 штуки по 0,11 $ за кожну так само на серії. Отримуємо 0,47 $ коштує сам трансформатор. Не включив сюди компаунд для склеювання сердечників, т.к. якщо розкидати його вартість на всю партію, то там навіть 1 цента не виходить і не порахував роботу зі збирання. Робота не вважається з однієї простої причини - трансформатор збирається на етапі ручного монтажу, а він коштує в Азії копійки. Для порівнянь - напаяти два транзистори в корпусі ТО-220 коштує стільки ж, скільки і монтаж планарного трансформатора, тобто знову ж таки виходить мізер. Ось так ми й одержуємо цифру 0.5$ за 1 трансформатор до 100 Вт.

Небагато про мої результати… Мені вдалося вміститися в габарит по висоті і навіть зробити краще - замість граничних 11 мм у мене вийшло 9.6 мм. З одного боку, мало помітно, а на практиці це зменшення габаритів приблизно на 13%. Причому основний габарит за висотою задавав уже не трансформатор, а електролітичні SMD конденсатори на вході та виході.
За собівартістю - точної цифри я вам назвати не можу, але вкластися вийшло на вимогу. Тут варто відзначити зусилля самого замовника, він примудрився знайти постачальників, які на великій серії змогли дати ціни на рівні, а іноді трохи нижче, ніж на digikey. Особисто моя заслуга – я вирішив технічне завдання та зробив дешево, а замовник сам уже зробив супер-дешево без втрати якості.

Технічні можливості, що відкриваються планарним трансформатором

Далі моя стаття набуває більше технічного характеру, ніж оповідальний і якщо вам не цікава силова електроніка, сухі розрахунки та інші гидоти, то далі можете не читати та переходити до обговорень у коментарі. Гарних картинок більше не буде. Якщо ж ви плануєте взяти цю технологію собі на озброєння, то тоді вам все тільки починається.

Щоб ви могли наочно оцінити весь потенціал даного типу трансформаторів, можу сказати, що в даному проектіНа одній парі сердечників ELP18/4/10 мені вдалося побудувати резонансний перетворювач потужністю 65 Вт. А тепер подивіться на його габаритні розміри, чи не погано для такої дрібниці?

Метод розрахунку планарного трансформатора

Методик, які дозволяють розрахувати цей тип трансформаторів, досить багато. Щоправда основна література, у тому числі й наукова, в основному англійською, німецькою та китайською мовами. Я на практиці випробував кілька, всі вони були взяті з англомовних джерел і показали прийнятний результат. У процесі роботи за кілька років мною були зроблені невеликі правки, які дозволили дещо підвищити точність розрахунків і саме цю методику я вам продемонструю.

У мене немає жодних амбіцій на її унікальність, а також я не гарантую, що її результати досить точні у всіх діапазонах частот і потужностей. Тому якщо ви плануєте використовувати в роботі, будьте обережні і завжди стежте за адекватністю результатів.

Розрахунок планарного трансформатора

При розрахунку будь-якого трансформатора насамперед необхідно визначити максимальне значення магнітної індукції. Втрати в осерді і в мідних провідниках призводять до нагрівання трансформатора, тому розрахунки необхідно вести щодо максимального допустимого перегріву трансформатора. Останній вибирається виходячи з умов експлуатації та вимог, які пред'являються до пристрою.

Справи емпіричне припущення в якому припускаємо, що половина від загальних втрат на трансформаторі - це втрати в сердечнику. Виходячи з цього припущення порахуємо максимальну щільність втрат у сердечнику за емпіричною формулою:

Де значення ефективного магнітного об'єму VEбереться з документації на сердечник у [див 3]значення максимального перегріву ΔTвибирається виходячи з розрахунків (наприклад, я зазвичай беру до уваги 50–60 градусів). Розмірність отримуваної величини - [мВт/см 3 ].

Прошу звернути увагу, що багато формул, які я описую, отримано емпіричним шляхом. Інші ж записані в їхньому кінцевому вигляді без розписування їхнього математичного висновку. Тим, кому цікаве походження останніх раджу просто ознайомити із зарубіжною літературою з магнітних матеріалів, наприклад, є й книги у Epcos і Ferroxcube.

Тепер, знаючи максимальну щільність втрат у сердечнику, ми можемо порахувати максимальне значення індуктивності, при якому не буде перевищена температура перегріву вище за розрахункову.


Де СM, СТ, x, y- параметри отримані емпіричним шляхом методом апроксимації кривої втрат, а f- Частота перетворення. Отримати їх можна двома шляхами: обробивши дані (графіки) із документації на свій сердечник або ж побудувавши ці графіки самостійно. Останній спосіб дозволить вам отримати точніші дані, але знадобиться наявність повноцінного тепловізора.

Як приклад я поділюся з вами даними значеннями для сердечників з матеріалу Epcos N49, його аналог від Ferrocube є так само популярним і доступним матеріалом. 3F3. Обидва матеріали дозволяють без проблем будувати перетворювачі з резонансною частотою до 1 МГц включно. Також варто відзначити, що дані параметри залежать від частоти, дані цифри для частот 400–600 кГц. Це найбільш популярний діапазон частот та матеріал, який я використовую.

• SM = 4,1×10–5
• СТ = 1,08×10–2
• x = 1,96
• y = 2,27

Далі варто згадати про другу складову втрат у трансформаторі. втрати у мідній обмотці. Вважаються вони легко, за нашим улюбленим законом Ома, в якому додатково врахували цілком логічні моменти: струм у нас імпульсний і протікає він не 100% часу, тобто коефіцієнт заповнення. Розповідати як порахувати опір обмотки міді з її геометрії я не буду, надто банально, а загальну формулу напевно нагадаю:

Втрати у міді вважаються кожної обмотки окремо, та був складаються. Тепер ми знаємо втрати в кожному шарі «пирога» та у сердечнику. Бажаючі можуть промоделювати перегрів трансформатора, наприклад, Comsol або Solidworks Flow Simulation.

Продовжуючи тему мідних провідників, давайте згадаємо про таке явище, як скін-ефект. Якщо пояснювати «на пальцях», то це ефект, коли зі зростанням частоти струму, що протікає в провіднику, відбувається «видавлювання» струму з провідника (від центру до поверхні) іншим струмом - вихровим.
Якщо ж говорити більше з наукового, то в результаті протікання в провіднику змінного струму наводиться змінна індукція, яка, своєю чергою, викликає вихрові струми. Це вихрові струми мають протилежний напрямок нашому основному струму і виходить, що вони взаємовіднімаються і в центрі провідника сумарний струм дорівнює нулю.
Логіка проста - чим вище частота струму, тим більше позначається скін-ефект і тим нижчий ефективний переріз провідника. Зменшити його вплив можна шляхом оптимізації геометрії обмоток, їх розпаралелювання та іншими методами, які напевно заслуговують якщо не цілої книги, то великої окремої статті.
Для наших розрахунків досить приблизно оцінити вплив скін-ефекту за допомогою ще однієї емпіричної формули:

Де ∆δ - Товщина зони з нульовим струмом, f- Частота перетворювача. Як бачите цей ефект цілком прив'язаний до частоти комутації.

А тепер давайте порахуємо скільки витків та іншого нам потрібно для виготовлення трансформатора прямого ходу. Насамперед вважаємо скільки ж нам потрібно витків у первинній обмотки:

Де Umin – мінімальна вхідна напруга, D – робочий цикл, f – частота роботи, Ae – ефективний переріз сердечника. Тепер вважаємо кількість витків для повторної обмотки:

Де N1 – кількість витків у первинній обмотці, D – робочий цикл, Uout – номінальне вихідна напруга, Umin - мінімальна вхідна напруга.

Наступним кроком є ​​розрахунок індуктивності первинної обмотки. Так як струм в обмотці у нас носить імпульсну характеристику, то він залежатиме і від індуктивності. Розраховуємо ми її за такою формулою:

Де μ0 – ефективна магнітна проникність, μa – амплітудна магнітна проникність, Ae – ефективний переріз сердечника, N1 – кількість витків у первинній обмотці, Ie – ефективна довжина шляху. Відсутні параметри, типу проникності та довжини магнітної лінії, ви можете взяти в документації на конкретний сердечник.

Тепер фінальний крок, який нам необхідно зробити - розрахувати струм, що діє в первинній обмотці. Це дозволить надалі порахувати перетин для первинної обмотки і відповідно ширину провідника. Значення струму складається з двох складових і виглядає так:


Тут начебто вже всі складові формули знайомі та пораховані, єдине відзначу параметр Pmax. Це не просто значення номінальної вихідної потужності, це повна потужність перетворювача з урахуванням ККД хоча б приблизно (я зазвичай закладаю 95-97% для резонансних перетворювачів) і запасом, який ви закладаєте в пристрій. У моїх пристроїх зазвичай 10% запас за потужністю, в особливо відповідальних пристроях і вузлах іноді доводиться закладати 20–25% запас, але це викликає подорожчання.

Ось ми і отримали всі параметри, які необхідні для розрахунку та проектування планарного трансформатора. Звичайно вам доведеться самим порахувати перетин для обмоток, але це елементарна арифметика, якою я не хочу захаращувати статтю. Все ж решта вже пораховано і залишається тільки спроектувати плати в якомусь САПР.

Підсумок

Сподіваюся моя стаття допоможе почати використовувати планарні трансформатори як у своїх домашніх проектах, так і в комерційних. Цю технологію необхідно використовувати акуратно, адже в залежності від завдання вона може виявитися дорожчою за «класичні» трансформатори.

Також безперечно застосування планарних трансформаторів відкриває нові технічні можливості, а сучасні Mosfet-и і нові GaN транзистори лише сприяють цьому, дозволяючи створювати перетворювачі з частотами від 400 кГц і вище. Однак і вартість цих «можливостей» не завжди досить низька, та й для проектування резонансних перетворювачів на таких частотах потребує великого набору знань та досвіду.

Але не варто засмучуватися! Будь-якому з вас, навіть електронщику-початківцю, під силам зібрати топології по простіше, наприклад, ZVS міст (Full bridge). Ця топологіядозволяє отримати дуже високий ККД і не вимагає якихось супер-секретних знань. Необхідно лише зробити прототип або макет і добре поексперементувати. Успіхів у освоєння нових горизонтів!

прочитано 14146 разів