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 плат замість 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 розмірів(10 Вт – 20 кВт);
високий ККД пристроїв (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 рівеньелектромагнітних 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 щодо розміру потужності, ваги та типорозміру 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 різних способів монтажу: можливі варіанти як для 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 технологіявідома 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 технологіяВиробництво дроселів дозволяє знизити втрати потужності в 4 рази та зменшити контактний майданчикна 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 показника добротності 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 ефективного методуохолодження планарних електромагнітних компонентів компанії Payton – 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 платипоказують, що тепловий опірцих пристроїв значно (до 50%) нижче в порівнянні зі звичайними трансформаторами з дротяним намотуванням при тому ж ефективному обсязі 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, а також розглядаються приклади пристроїв, розроблених із застосуванням даного методу.
Результати тестування у робочому режимі показують, що виміряне зростання температури добре узгоджується з даними розрахунків.
Мал. 1. Планарний трансформатор у розібраному вигляді
Мал. 2. Варіанти конструкції планарних трансформаторів
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 опору трансформатора з ефективним магнітним обсягом V е використовуваного феритового сердечника . 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:
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 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, що обчислює втрати потужності для довільної форми сигналу за формулою (3) при заданих значеннях параметрів апроксимації . 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 варіантомбуло б перемежувати первинні та вторинні верстви. Це зменшить так званий ефект близькості (див. стор. 4). Однак мала висота обмотки в планарному виконанні та необхідну для конкретного застосування кількість витків не завжди дозволяють 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 мають 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 значеннями струмів 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 та площу поперечного перерізу провідника, а також максимально допустимі струмидля різних заданих значень підвищення температури.
Мал. 5. Зв'язок між струмом, розмірами доріжок друкованої плати та зростанням 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 2d , вклад 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 великими втратами потужності призведуть до занадто великому зростаннютемператури.
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 видається тут зайвим, так що більше елегантним рішеннямбув 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 формихвилі індукції з частотою 530 кГц дає результати 1030 мВт/см3 для фериту 3F3 та 1580 мВт/см3 для фериту 3F4. Очевидно, що найкращим варіантом є 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 повинна 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) за ефективної ширини доріжки 356 мкм (ширина подвоюється в результаті паралельного з'єднаннячастин 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 струмиу вторинній обмотці, що дорівнює 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 додаткова перевага: щільність струмів у доріжках зменшується 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 систем і їх використання в transformer design. Philips Components. 1994.
- Durbaum Th., Albach M. Core losses в transformers with arbitrary shape of magnetizing current. 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 використовуючи integrated planar magnetics. 9398 236 26011. 1996.
Застосування планарних силових трансформаторів та плат на алюмінієвій підкладціу сучасних джерелах харчування В'ячеслав Макаров
Олександр Рушихін
Сучасні вимоги до зниження обсягів і ваги імпульсних джерел живлення змушують розробника шукати компроміс між його ціною і габаритами, домагатися зниження й збільшення ККД. Дуже багато вже зроблено для мініатюризації імпульсних джерелах живлення - створені спеціалізовані мікросхеми управління, потужні ключі з низькими втратами і, здавалося б, до дрібниць відпрацьована конструкція.
У той же час для силових трансформаторів і дроселів доводиться використовувати традиційні складові з дротяним намотуванням, які за рахунок каркасу, що використовується, нарощують масу і габарити джерела живлення.
Інша популярна проблема - це зазвичай високе тепловиділення ІП, потужних ключів і силових плат управління приводами електродвигунів - всіх тих елементів радіоапаратури, які ми називаємо силовою електронікою. До цього необхідно ще додати високі робочі напруги та потенціали подібних пристроїв.
Але сучасні технологіїдрукованих плат, виставлені російському ринку спільної російсько-шведської фірмою «НКАБ-ЭРИКОН» і реалізовані у серійному виробництві російської фірмою ММП «ИРБИС», дозволяють підвищити надійність і технологічність індуктивних елементів будь-якого джерела електроживлення і відвести надмірне тепло.
Вперше розроблені в кінці 80-х років планарні силові трансформатори (рис. 1) не набули широкого поширення через складну технологію виробництва, яка залишається складною і в даний час.
Мал. 1. Планарний трансформатор
Але постійне поліпшення технологічного процесу в Останніми рокамидозволило значно знизити ціна силових трансформаторів та дроселів та зробити їх конкурентоспроможними на сучасному ринку джерел електроживлення.
Їх переваги в порівнянні з класичними дротяними виробами:
- мала вага - 15 г на 100 Вт потужності;
- особливо висока надійність;
- мінімальна індуктивність розсіювання, низькі втрати на високій частоті;
- широкий робочий діапазон частот: від 50 кГц до 1 МГц;
- ККД більше 98% і хороше охолодження конструкції дозволяють передавати потужності від десятків ват до одиниць кв;
- робоча температура від -40 до +130 ° C;
- робочі напруги між обмотками більше 1000;
- відмінна повторюваність характеристик через використовувану технологію виробництва;
- можливість автоматичного збирання;
- низька висота силових трансформаторів, сумісна з SMD-компонентами.
- При необхідності висоту можна зменшити, застосовуючи обмотки на полііміді (рис. 2);
- можливість збільшувати потужність силового трансформатора, використовуючи пакети з обмоток (рис.3).
Мал. 2. Обмотки на полііміді 
Мал. 3. Пакети обмоток силового трансформатора
Зараз використання планарних трансформаторів у поодиноких примірниках залишається недоцільним за їх судженнями найвищої ціни. Але вже в партії ця ціна стає застосовною, а в серійному виробництві — суттєво нижчою від ціни звичайних аналогів. При цьому переваги характеристик незаперечні.
Використовуючи перспективи, ММП «ІРБІС» розробило нову серіюджерел живлення СМП50 ... СМП150 з використанням безкаркасних магнітних компонентів з наступними технічними та енергетичними характеристиками (див. таблицю, рис. 4).
Мал. 4. Графік залежності ККД від вихідної потужності для модуля СМПЕ150С (Uвих = 15 В) при Uвх = 48 В 
Таблиця. Технічні властивості модулів живлення СМП50…СМП150
Частотний перетворювачнапруги даної серії модулів живлення виконаний за двотрансформаторною схемою, представленою на рис. 5.
Мал. 5. Частотний перетворювач напруги
Перевагами такої схеми є:
"м'яке" перемикання силових транзисторів, відсутність викидів напруги на них і як наслідок - можливість використання більш низьковольтних транзисторівз найменшим Rdson;
повний цикл перемагнічування сердечника силового трансформатора (робота в першому та третьому квадрантах B-H площині);
широкий спектр робочих струмів навантаження від холостого ходудо Iнmax;
високий ККД.
Крім того, в комбінованій схемі відсутня вихідний дросель, його роль виконує зворотноходовий транс-дросель Т2, який за параметрами аналогічний прямоходовому силовому трансформатору Т1, що полегшує і уніфікує виробничий процес.
Силові трансформатори Т1 і Т2 виконані на планарних сердечниках ELP22 (матеріал N87), обмоткою служить багатошарова інтегральна схема. Необхідними перевагамипланарних магнітних компонентів є:
- малі розміри;
- мала індуктивність розсіювання;
- гарна повторюваність характеристик;
- найкращі характеристики тепловтрати.
Вимірювання робочих параметрів планарних трансформаторів з обмотками, виконаними на основі мультишарової друкованої плати, показують, що тепловий опір цих пристроїв значно нижче в порівнянні з звичайними силовими трансформаторами з дротяною намоткою при тому ж ефективному обсязі сердечника Ve. Це обумовлено найвищим ставленням площі поверхні осердя до його обсягу. Таким чином, маючи підвищену охолоджувальну здатність, планарні трансформатори здатні справлятися з більшою щільністю прохідної потужності, при цьому утримуючи зростання температури в допустимих межах.
За вихідними даними, наданими фахівцями компанії ММП «ІРБІС», проектування та виготовлення мультишарових друкованих плат силових трансформаторів Т1, Т2 виконала російська компанія «НКАБ-ЕРІКОН». Витки первинної та вторинної обмоток розміщуються в кількох шарах друкованої плати, в одному шарі знаходиться один виток. Між первинною та вторинною обмотками забезпечується гальванічна розв'язка 1500 В.
Для таких плоских мідних доріжок втрати в міді на змінному струмі, зумовлені скін-ефектом та ефектом близькості, виявляються меншими, ніж для круглого дроту з тією ж площею поперечного перерізу. Але, по можливості, необхідно виключити попадання витків обмотки в зону зазору, де індукція є найбільшою і орієнтована перпендикулярно поверхні намотування.
Ще одним позитивним моментомбуде те, що при розташуванні обмоток одна над іншою покращується магнітний зв'язок і досяжні значення коефіцієнта зв'язку, близькі до 100%.
Таким чином, практичне застосуванняпланарних трансформаторів з мультишаровими друкованими платами (рис. 6) у поєднанні з ефективною електронною схемою (рис. 5) підтвердили можливість отримання високої питомої потужності 3390 Вт/дм3 при габаритних розмірах модуля живлення 61O58O12,5 мм. Рекомендовані сфери впровадження:
Мал. 6. Приклад використання мультишарової друкованої плати як обмотка силового трансформатора для модуля живлення СМПЕ150С 
Мал. 7. Силові трансформатори загальнопромислового та військового призначення 
Мал. 8. Сигнальні трансформаторителекомунікаційних систем
Застосовуються в силовій електроніці для відведення тепла плати на алюмінієвій підкладці є конструкцією (рис. 9) з тепловідвідної підкладки, діелектрика і шару мідної фольги. Конструкція може бути багатошаровою і мати перехідні отвори. Тепловідвідна підкладка зазвичай алюмінієва. Вона значно дешевша за полікорову або титаланову (Al + Ti2O3) і може використовуватися в масовому виробництві. Крім того, дозволяє в кілька разів збільшити струмове навантаження друкованих провідників плати.
Мал. 9. Плата на алюмінієвій підкладці
Діелектричний шар при товщині 50-150 мкм забезпечує пробивну напругу 6-14 кВ та термічну провідність 1,1-2,2 кВт/(м2°С). Товщина мідної фольги становить 35-350 мкм. Технологічний процесВиробництво цих друкованих плат аналогічне техпроцесу для FR4, але має особливості проектування, пов'язані із застосуванням товстої фольги і зазвичай високою напругою в силових ланцюгах.
На рис. 10 наведено приклад конструювання вузла РЕА із застосуванням описаного діелектрика.
Мал. 10. Приклад конструювання вузла РЕД
Планарні трансформатори є відмінною альтернативою стандартним трансформаторам та дроселям з дротяним намотуванням. Підставою для планарних трансформаторів є багатошарові друковані плати.
Сьогодні розробка планарних трансформаторів вимагає застосування компонентів з мінімальними розмірами, адже габарити електроніки постійно зменшуються.
Планарні силові трансформатори
Проектування планарних силових трансформаторів може виконуватися як з навісними компонентами, наприклад, в одношаровій або невеликій багатошаровій платі, або як багатошарова друкована плата.
Переваги планарних трансформаторів:
- мають невеликі розміри;
- мають чудові температурні характеристики;
- мають малу індуктивність витоку;
- мають відмінну повторюваність властивостей.
Завдяки більш високому відношенню площі поверхні сердечника до його об'єму, тепловий опір таких пристроїв може бути в 2 рази нижчим, ніж у звичайних трансформаторів із дротяним намотуванням.
Рис 1. Конструкція планарних трансформаторів
Тому завдяки підвищеній охолоджувальній здатності планарні трансформатори справляються з більшою щільністю прохідної потужності, і при цьому вони утримують зростання температури в допустимих межах.
Планарні трансформатори на основі багатошарових друкованих плат
Коли мова заходить про напівпровідникові компоненти, у тому числі пасивні, до яких належать конденсатори та резистори, вибір надається досить великий.
Проте, йтиметься сьогодні про планарні трансформатори.
Як правило, у багатьох випадках розробники використовують стандартні трансформатори та дроселі, які мають дротяну намотування. Але ми опишемо планарні трансформатори (ПТ) на основі багатошарових плат.
Так як вартість багатошарових плат має тенденцію до зниження, то планарні трансформатори поступово замінюють звичайні. Особливо у випадках, коли потрібно малорозмірний магнітний компонент.
У технології виробництва планарних трансформаторів у ролі обмоток виступають доріжки на друкованій платі або ділянках міді, які наносяться друкованим способом і розділяються різними шарами ізоляційного матеріалу.
Також обмотки можуть виконуватись із багатошарових плат. Їх мають між малорозмірними феритовими сердечниками.
Щодо конструкції планарних трансформаторів, їх можна поділити на кілька типів.
- Навісні планарні компоненти – вони стоять найближче до звичайних індуктивних компонентів. Ними можна замінити звичайні деталі на одну або багатошарову друковану плату. Висота навісного планарного компонента може бути зменшена за рахунок занурення сердечника у виріз друкованої плати. При цьому обмотка має лягти на поверхню плати.
- Гібридний тип планарних трансформаторів. Такий тип передбачає вбудовування частини обмоток у материнську плату. У той же час інша частина обмоток знаходиться на багатошаровій друкованій платі, яка з'єднується з материнською. Але в такому разі материнська плата повинна мати отвори для феритового осердя.
- Обмотка повністю інтегрована у багатошарову друковану плату. Половинки сердечників з'єднуються внаслідок склеювання чи затискання. Все залежить від переваг замовника та виробника.
Переваги планарної технології
Якщо порівнювати із звичайним дротяним намотуванням, то планарна технологія виготовлення магнітних компонентів має ряд переваг.
Найперше своє застосування планарні трансформатори знайшли у перетворенні потужності. Для цього в планарних трансформаторах використовувалися середньо- та високочастотні ферити. Придбати планарний трансформатор можна було у виробника.
Якщо вас цікавить розробка планарних трансформаторів на замовлення, то можна збільшити індуктивність дроселя мережевого фільтра, якщо замінити потужний ферит матеріалів з високою магнітною проникністю.
В імпульсній передачі сигналів широкосмуговий трансформатор, що знаходиться між імпульсною генераторною ІВ та кабелем, забезпечує розв'язку та узгодження імпедансів. У випадку S- або T-інтерфейсу це також має бути ферит з високою магнітною проникністю.
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 являють собою привабливу альтернативу звичайним трансформатораму разі, 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 потрібний каркас, менший розмірсердечника.
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 (мережі 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 ISDN-лінія).
- T1/T2-інтерфейси ( магістральна лініяміж 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 із 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 базовій версії для склеювання поперечний переріз завжди є однорідним, що дозволяє оптимально використовувати обсяг 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 розміру виготовляються також із фериту 3C85 (робоча частота до 200 кГц), так як великі сердечники часто використовуються у потужних низькочастотних пристроях. Є також сердечники найменшого розміру, які виготовляються з високопроникного фериту 3E6 (μ i = 12000), для використання в дроселях мережевих фільтрівта 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
- Повітряний зазор
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.
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 більше ширинизазору, 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
- Опір на змінному струмі
- Індуктивність витоку
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.
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.
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:
- 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.
- 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 випромінюванням з використанням стандартних матеріалів хороша теплопровідність планарного компонента може призвести до занадто низької температури паяльної пасти, а при підвищенні потужності випромінювання - занадто високій температурі друкованої 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).
В останній набір входить також затискач (CLM).
У наступній статті буде наведено методику розрахунку планарних силових трансформаторів для імпульсних джерел живлення.
