Планарные трансформаторы. Проектирование планарных силовых трансформаторов

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может быть использовано при изготовлении планарного трансформатора, предназначенного для портативных электрорадиотехнических устройств. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности межслойных электрических соединений обмоток трансформатора за счет пайки контактных площадок обмоток, возможность изготовления витков обмоток с большим поперечным сечением и соответственно с большим значением допустимого тока, достижение оптимального значения коэффициента трансформации и соответственно выходного напряжения трансформатора, возможность интегрирования обмоток трансформатора в многослойную печатную плату в процессе их совместного изготовления. Достигается тем, что на поверхности гальванопластической металлической матрице изготавливают многослойную обмотку путем последовательного изготовления в начале односторонних обмоток с внутренними и внешними контактными площадками, затем на их основе двусторонних печатных обмоток, из которых составляют многослойную обмотку. Внутренние и внешние контактные площадки изготавливают одновременно с витками односторонних обмоток путем электролитического осаждения меди на пробельные места фоторезистивной маски, нанесенной на поверхность матрицы. Внутренние контактные площадки смежных обмоток соединяют пайкой, при изготовлении двусторонних обмоток, а внешние контактные площадки соединяют пайкой после укладки двусторонних обмоток в пакет многослойной обмотки. Таким образом изготавливают первичную и вторичную обмотки трансформатора, их склеивают между собой. Затем вырубают отверстия в обмотках, в которые устанавливают ферритовый сердечник, и получают планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы. Способ позволяет изготавливать планарные трансформаторы на основе многослойной печатной платы с применением как миниатюрного ферритового сердечника типа ЕН/3,5/5 в системе Е-Е, так и с большим сердечником типа Ш 68/21/50, на котором можно получить выходные характеристики трансформатора 100 В и 100 А, при напряжении питания 12 В. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может быть использовано в портативных электрорадиотехнических устройствах.

Способ изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы может найти широкое практическое применение, если он будет позволять изготовление материнской многослойной печатной платы с надежными межслойными переходами, с витками большой толщины, при которой поперечное сечение витка будет соответствовать оптимальным величинам допустимого тока.

Способ должен быть пригоден для массового производства планарных трансформаторов.

Известен способ формирования планарных индуктивностей, заключающийся в том, что поверхность тонкой, фольгированной с двух сторон основной ленты, разделяют на прямоугольные участки и методом фотолитографии на каждый участок наносят рисунок витков катушек, а на дополнительной ленте наносят рисунок контактных площадок. Контактные площадки с двух сторон ленты электрически соединяют путем химической и гальванической металлизации сквозных отверстий. Затем методом химического травления удаляют медь с участков поверхности фольгированной ленты, которые не защищены фоторезистивной маской. Одновременно получают линии разграничения между участками, затем сворачивают элементы пленки по линиям их раздела в гармошку с одновременным сжатием, при этом элементы располагаются один над другим с образованием синфазных намоток. В начале сворачивают дополнительные ленты с контактными площадками, а затем сворачивают основную ленту. Изоляцию между элементами соседних участков в процессе сворачивания лент в гармошку осуществляют нанесением клеевого покрытия или дополнительных прокладок и получают планарную индуктивность .

К недостаткам известного способа относятся низкая надежность межслойных переходов многослойной катушки, ограничение толщины витков катушки толщиной фольги на фольгированном диэлектрике, расположение контактных площадок на дополнительных лентах, что затрудняет укладку элементов катушки и увеличивает ее объем.

Известен способ изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы, в соответствии с которым изготавливают печатные обмотки трансформатора на фольгированном диэлектрике путем травления фольги в местах, незащищенных фоторезистивной маской. Затем печатные обмотки собирают в пакет. Их разделяют клеящими прокладками. После чего прессуют пакет при температуре отверждения клея. Изготавливают межслойные электрические соединения между смежными обмотками в многослойной печатной обмотке путем химико-гальванической металлизации сквозных отверстий. Таким образом, изготавливают как первичную, так и вторичную обмотки трансформатора. Их соединяют между собой склеиванием. Затем в обмотке трансформатора создают отверстия для установки ферритового сердечника. Устанавливают и закрепляют ферритовый сердечник в обмотке трансформатора и получают планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы. Толщина многослойной обмотки ограничена свободным пространством в ферритовом сердечнике. Приведены типы ферритовых сердечников от миниатюрного типа Е14/35/5 до максимального 64/10/50 . Способ принят за прототип.

К недостаткам способа прототипа следует отнести низкую надежность межслойных электрических соединений, полученных химико-гальванической металлизацией сквозных отверстий, малую толщину витков обмоток, которая ограничена толщиной фольги на фольгированном диэлектрике. Это затрудняет получение витков с большим поперечным сечением, необходимым в мощных планарных трансформаторах с допустимым током, например, 100А и более.

Задачей изобретения является создание способа изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы с надежными межслойными переходами, а также получение витков обмотки большой толщины, позволяющей получить необходимое поперечное сечение витка, при котором допустимая величина тока равна, например, 100А и более.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы изготавливают медные витки обмоток с контактными площадками в соответствии с фоторезистивным печатным рисунком, на котором обмотки расположены на раздельных прямоугольных участках. Затем обмотки укладывают в пакет с включением между обмотками клеящих прокладок. Проводят прессование пакета при температуре отверждения клея. Создают межслойные электрические соединения обмоток. Изготавливают первичную и вторичную многослойные обмотки и склеивают их между собой. Создают отверстия в обмотках, в которые устанавливают ферритовый сердечник, отличающийся тем, что витки обмоток с внутренними и внешними контактными площадками изготавливают путем электролитического осаждения меди на поверхность металлической гальванопластической матрицы, которую предварительно покрывают фоторезистивной маской с позитивным рисунком витков обмоток и контактных площадок, обмотки располагают в двух рядах, при этом общее число обмоток равно числу слоев многослойной обмотки, на пробельные места фоторезистивной маски осаждают электролитически медь до заданной толщины, затем создают на ее поверхности микрошероховатости, удаляют фоторезистивную маску и на поверхность медных витков укладывают клеящую прокладку с окнами в местах расположения внутренних и внешних контактных площадок, запрессовывают прокладку в витки при температуре отверждения клея и получают односторонние печатные обмотки, на поверхность внутренних контактных площадок наносят паяльную пасту и проводят ее оплавление, затем матрицу разделяют на две части, на каждой из которых расположен один ряд односторонних обмоток, после чего обе части совмещают, укладывая их в пакет, при этом предварительно наносят клей на поверхности прокладок, односторонние обмотки склеивают между собой и получают двусторонние печатные обмотки, после чего отделяют матрицу с одной стороны пакета, проводят пайку внутренних контактных площадок, паянные контакты защищают электроизоляционным лаком, затем на матрице оставляют только одну двустороннюю обмотку, а остальные отделяют от матрицы, их последовательно укладывают в пакет на обмотку, оставшуюся на матрице, предварительно наносят клей на поверхность обмоток, внешние контактные площадки располагают в ряд на матрице и попарно соединяют их пайкой, начиная со второго и заканчивая предпоследним, при этом первая и последняя контактные площадки являются началом и концом многослойной обмотки, после чего на внешние контактные площадки укладывают клеящие прокладки и проводят прессование пакета, получают многослойную печатную обмотку, изготовленные таким образом первичную и вторичную обмотки трансформатора склеивают между собой, после чего с двух сторон обмотки отделяют матрицы и после создания в обмотках отверстий и установления ферритового сердечника получают планарный трансформатор на основе многослойной платы.

Способ поясняется чертежами, фиг.1-7.

На фиг.1 показана алюминиевая матрица, на которой изготовлены витки обмоток с контактными площадками и электроизоляционная прокладка с окнами. Прокладка предназначена для переноса на нее медных витков с образованием односторонних обмоток.

На фиг.2 показаны двусторонние обмотки, которые получены после склеивания односторонних обмоток

На фиг.3 представлена многослойная вторичная обмотка, образованная путем склеивания двусторонних обмоток.

На фиг.4 представлена первичная обмотка.

На фиг.5 представлена обмотка трансформатора, полученная после склеивания первичной и вторичной обмотки с отверстием для установки сердечника.

На фиг.6 показан планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы.

На фиг.7 показан планарный трансформатор, интегрированный в многослойную печатную плату.

Способ реализуется следующим образом

Медные витки обмотки с контактными площадками изготавливают электролитическим осаждением меди на поверхность металлической гальванопластической матрицы. Из большого ассортимента металлических гальванопластических матриц наиболее эффективной для решения поставленной задачи является алюминиевая матрица. Так как с алюминиевой матрицы возможен перенос медных печатных проводников с матрицы на тонкое диэлектрическое основание . А также с алюминиевой матрицы возможен сброс печатных медных изделий . Поэтому с алюминиевой матрицы можно одновременно осуществлять перенос медных печатных витков обмоток на диэлектрическую прокладку и отделять от матрицы контактные площадки. В качестве алюминиевой матрицы 1 (фиг.1) применяют прокат алюминиевого сплава, например, марки Д16Т, толщиной 0,1-0,3 мм. Матрицу подготавливают к металлопокрытию путем анодирования в 4Н серной кислоте при плотности тока 1А/дм 2 . Материал фоторезистивной маски применяют в зависимости от толщины изготавливаемых витков обмоток. При тонких витках до 50 мкм можно применять пленочный фоторезист, например, марки СПФ-ВЩ-2-50. При витках, превышающих толщину 50 мкм, применяют гальваностойкую краску, например, марки, СТЗ.13, которую наносят методом трафаретной печати . На поверхность матрицы 1 (фиг.1) наносят фоторезистивную маску 2 с позитивным рисунком витков обмоток 3 с внутренними контактными площадками 4 и внешними 5. Фоторезистивный рисунок маски 2 состоит из двух рядов обмоток 3. Число обмоток 3 в двух рядах соответствует числу слоев в многослойной обмотке. На пробельные места фоторезистивного рисунка электролитически осаждают медь из кислого сульфатного электролита меднения состава в г/л: сернокислая медь - 250, серная кислота - 70, плотность тока 4 А/дм 2 , температура 20±2°С. После достижения заданной толщины медного осадка на его поверхность осаждают шероховатый осадок меди, предназначенный для увеличения прочности сцепления между витками обмоток и диэлектрической прокладкой 6. Шероховатый осадок осаждают в импульсном режиме из раствора состава в г/л: сернокислая медь 35-45, серная кислота 180-200, температура 22-26°С, время осаждения 0,5 мин, время паузы 0,025 мин, плотность тока 6 А/дм 2 . Продолжительность осаждения для достижения шероховатой поверхности до значения Ra, равного 2 мкм . Затем с матрицы 1 удаляют фоторезистивную маску путем растворения в соответствующих растворителях: пленочный фоторезист в 5% растворе щелочи, а гальваностойкую краску в органическом растворителе, например, в хлористом этилене. После чего на медные витки укладывают электроизоляционную стеклотекстолитовую прокладку 6, пропитанную недополимеризованным клеевым связующим, с температурой отверждения 155±5°С, например, марки СП-1-01 . В прокладке 6 вырезают окна 7 в местах расположения контактных площадок 4 и 5 (фиг.1). Суммарная толщина прокладки 6 должна быть больше толщины витков 3 не менее чем в два раза, так как при запрессовке прокладок 6 в медные витки 3 последние на всю толщину витка размещаются в прокладке 6. Проводят запрессовку прокладок 6 в витки 3 при температуре отверждения клеевого связующего. При этом образуются односторонние обмотки 8. На поверхность внутренних контактных площадок наносят паяльную пасту 9, например, марки ПП1, на основе припоя ПОС-61 с температурой плавления 190-230°С и проводят оплавление паяльной пасты при температуре 90-100°С. Смежные обмотки 3 в каждом ряду имеют такое расположение внутренних контактных площадок 4, что в случае укладки смежных обмоток друг на друга контактные площадки 4 совпадают и возможно их соединение пайкой. При этом внешние контактные площадки 5 смежных обмоток расположатся на расстоянии, равном шагу между смежными витками в обмотке. Для совмещения смежных обмоток, расположенных в двух рядах, и образования двусторонних печатных обмоток, матрицу 1 разделяют на две части, на каждой из которых расположен один ряд односторонних обмоток 8. Затем разделенные части матрицы 1 укладывают в пакет в соответствии с расположением реперных знаков 10 на каждой части матрицы. Проводят склеивание пакета, при этом используют прокладку 6 (фиг.2), имеющую окна 7 в местах расположения контактных площадок 5. С одной стороны пакета отделяют матрицу 1, затем проводят пайку внутренних контактов 4 смежных обмоток. После чего спаянные контакты 4 покрывают электроизоляционным лаком 11, например, марки КО-926 , и получают двусторонние печатные обмотки 12. На двусторонние обмотки 12 укладывают клеящую прокладку 6" фиг.2 толщиной 0,06-0,1 мм с окнами 7 в местах расположения внешних контактных площадок 5 и приклеивают ее под прессом при температуре отверждения клея. Для получения многослойной печатной обмотки из двусторонних обмоток 12 на матрице оставляют только одну двустороннюю обмотку 12, а остальные отделяют от матрицы и последовательно укладывают в пакет над оставшейся на матрице обмотке 12. При этом внешние контактные площадки 5 располагают в один ряд 13 на матрице 1 (фиг.3). Соединят контактные площадки 5 попарно путем пайки припоем с температурой плавления выше, чем температура отверждения клеевого связующего, например, припоя марки ПОС-61. Попарные соединения контактных площадок начинают со второго контакта и заканчивают предпоследним. При этом первая и последняя контактные площадки 5 являются началом и концом многослойной обмотки 14 (фиг.3). Весь ряд контактных площадок 13 прижимают к поверхности матрицы 1 клеящими прокладками до достижения толщины пакета многослойной обмотки 14. После чего проводят прессование пакета при температуре отверждения клея и получают вторичную многослойную обмотку 14 (фиг.3). Аналогично изготавливают первичную обмотку 15 (фиг.4). Затем обмотки 14 и 15 склеивают между собой под прессом. Отделяют матрицу 1 с двух сторон печатной обмотки трансформатора. Затем вырубают отверстия 16 в обмотке трансформатора, необходимые для установки ферритового сердечника (фиг.5), устанавливают в обмотку ферритовый сердечник 17 (фиг.6), закрепляют его пластиной 18 и получают планарный трансформатор с многослойной печатной платой 19.

Возможность интеграции планарного трансформатора 19 в многослойную печатную плату основана на том, что в технологии изготовления планарного трансформатора и многослойной печатной платы имеются аналогичные технологические операции. Так, при изготовлении планарного трансформатора проводят склеивание первичной и вторичной обмоток, а при изготовлении многослойной печатной платы склеивают заготовки из односторонних или двусторонних печатных плат. Поэтому предложено проводить одновременное склеивание обмоток трансформатора и заготовок многослойной печатной платы. Отличительной особенностью такого склеивания является то, что его проводят до отделения обмоток от матрицы (фиг.3 и фиг.4). Поэтому поверхность обмоток защищена от воздействия агрессивных растворов, которые применяют после склеивания заготовок многослойной печатной платы в процессе изготовления межслойных переходов химико-гальванической металлизации, а также при создании топологии медных печатных проводников на внешних слоях путем химического травления фольгированного диэлектрика . После завершения изготовления многослойной печатной платы матрицы отделяют от поверхности обмоток. В обмотках создают отверстия, в которые устанавливают ферритовый сердечник 17 (фиг.7). На фиг.7 показана многослойная печатная плата, в которую интегрирован планарный трансформатор. Как видно, обмотки трансформатора 14 и 15, а также заготовки многослойной печатной платы 21 и 22 склеены единой прокладкой 20. В результате планарный трансформатор 19 на основе многослойной печатной платы 14 и 15 интегрирован в многослойную печатную плату 23.

Таким образом, разработанный способ позволяет изготавливать планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы с высокой эксплуатационной надежностью, так как межслойные электрические соединения осуществляют пайкой контактных площадок смежных обмоток. Кроме того, способ позволяет изготавливать витки с большой толщиной. Способ не ограничивает число двусторонних обмоток, укладываемых в пакет при образовании многослойной обмотки, поэтому возможно достижение оптимального коэффициента трансформации. Способ пригоден для массового производства, так как основные технологические операции способа можно осуществлять на высокопроизводительном оборудовании, освоенном промышленными предприятиями, а именно: нанесение на матрицу фоторезистивного рисунка методом фотолитографии, электролитического осаждения меди на пробельные места фоторезистивного рисунка с образованием медных витков и контактных площадок, образование односторонних печатных плат путем переноса медной печатной схемы на электроизоляционное основание, образование многослойной печатной платы на основе односторонних и двусторонних печатных плат. Кроме того, разработан способ интеграции планарного трансформатора в многослойную печатную плату в процессе их совместного изготовления.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Изготавливают планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы с миниатюрным ферритовым сердечником типа Е 14/3,5/5, у которого свободное пространство для размещения многослойной обмотки равно 4×2 мм, где 4 мм - ширина свободного пространства, а 2 мм - высота. Первичная обмотка трансформатора питается от источника тока с напряжением 3 В. Допустимый ток в витке вторичной обмотки равен 0,25А. Определяем необходимое поперечное сечение витков вторичной обмотки исходя из значения допустимого тока через печатный медный проводник, который изготовлен гальваническим осаждением меди и равен 20 А/мм 2 . Поперечное сечение медного витка вторичной обмотки при допустимом токе, равном 0,25 А, соответственно равно 0,0125 мм 2 . Тогда при ширине витка вторичной обмотки, равной 0,25 мм 2 , толщина витка равна 0,05 мм.

Определяем число слоев обмоток, которые можно расположить по высоте свободного пространства сердечника, равного 2 мм. В свободном пространстве сердечника необходимо разместить первичную и вторичную обмотки трансформатора, которые соединены между собой клеящей прокладкой. При этом возможно распределение свободного пространства сердечника: первичная обмотка - 0,6 мм, вторичная - 1,2 мм, клеящая прокладка - 0,2 мм.

Медные витки 3, осажденные на матрицу 1, запрессовывают в электроизоляционную прокладку 6 на всю толщину витка 3. Поэтому толщина прокладки 6 должна иметь толщину не менее двух толщин витка 3. При толщине одного витка вторичной обмотки, равной 0,05 мм, толщина прокладки должна быть равна 0,2 мм. Следовательно, толщина одного слоя обмотки равна 0,2 мм. Поэтому число слоев во вторичной обмотке толщиной 1,2 мм равно шести. При шести слоях во вторичной обмотке и шести витках в одном слое обмотки, число витков во вторичной обмотке равно тридцати шести. При числе витков первичной обмотки, равном 4, коэффициент трансформации равен 9. При напряжении на входе первичной обмотки, равном 3 В, напряжение на выходе вторичной обмотки при работе трансформатора на холостом ходу равно 27 В.

Для изготовления вторичной обмотки на поверхности алюминиевой матрицы изготавливают шесть слоев обмоток с контактными площадками. Их располагают в двух рядах по три обмотки в каждом ряду (фиг.1). Каждая обмотка состоит из витков 3, внутренних контактных площадок 4 и внешних контактных площадок 5. Поверхность матрицы, необходимая для изготовления шести обмоток, определяется из размера поверхности, необходимой для одной обмотки, равной 14×18 мм, и расстояния между обмотками, равного 30 мм. Поверхность на матрице, предназначенная для изготовления вторичной обмотки, равна 58×145 мм. На поверхность матрицы наносят позитивный фоторезистивный рисунок шести обмоток с контактными площадками методом фотолитографии с помощью пленочного фоторезиста марки СПФ-ВЩ-2-50. В пробельные места фоторезистивного рисунка электролитически осаждают медь из кислого сульфатного электролита меднения толщиной 0,05 мм, затем электролитически осаждают шероховатый осадок меди из обедненного по содержанию меди сульфатного электролита меднения в импульсном режиме. После чего удаляют пленочный фоторезист в слабом щелочном растворе. На медные витки обмоток укладывают стеклотекстолитовую прокладку 6 толщиной 0,2 мм, пропитанную термореактивным клеевым связующим. Предварительно в прокладке вырезают окна 7 в местах расположения контактных площадок 4 и 5. В прокладку запрессовывают витки 3 обмоток и получают шесть односторонних обмоток 8. На контактные площадки 4 наносят паяльную пасту 9 и проводят оплавление пасты при температуре 90-100°С.

Матрицу 1 разделяют на два участка, на каждом из которых расположен один ряд обмоток. Затем в соответствии с реперными знаками 10, разделенные участки матриц укладывают в пакет (фиг.2) таким образом, что внутренние контактные площадки 4 смежных обмоток совпадают для дальнейшего соединения их пайкой, а внешние контактные площадки 5 располагаются рядом на расстоянии, соответствующем шагу между витками (фиг.2). Склеивают обе половины матрицы 1 под прессом при температуре отверждения клея. Затем отделяют матрицу только с одной стороны пакета. После чего проводят пайку внутренних контактных площадок 4 смежных обмоток. Спаянные контакты 4 защищают электроизоляционным лаком 11 и получают на матрице 1 три двусторонние обмотки 12. На поверхность всех обмоток 12 приклеивают под прессом прокладку 6" толщиной 0,1 мм с окнами 7 в местах расположения контактных площадок 5 (фиг.2).

После чего на матрице 1 оставляют одну двустороннюю обмотку 12, а две двусторонние обмотки отделяют от матрицы. Их укладывают последовательно в пакет с промежуточным клеевым слоем над оставшейся на матрице обмотке 12. При этом внешние контактные площадки 5 каждой обмотки 12 укладывают в один ряд 13 на матрице 1 (фиг.3). Соединяют контактные площадки 5 попарно путем пайки припоем с температурой плавления выше температуры отверждения клеевого связующего. Попарные соединения пайкой начинают со второго контакта 5 и заканчивают предпоследним контактом 5 в ряду 13. При этом первая и последняя контактные площадки являются началом и концом вторичной многослойной обмотки 14. Затем контактные площадки 13 прижимают к матрице 1 клеящей прокладкой. На нее укладывают выравнивающую прокладку до достижения толщины пакета 14. После чего пакет прессуют при температуре отверждения клея и получают вторичную многослойную обмотку планарного трансформатора, которая расположена на матрице 1, фиг.3.

Аналогично изготавливают первичную обмотку планарного трансформатора. Общая толщина первичной обмотки равна 0,6 мм. Первичная обмотка состоит из двух слоев. Толщина слоя обмотки равна 0,3 мм. Это позволяет изготавливать витки первичной обмотки толщиной 0,1 мм и более. Ширина свободного пространства в сердечнике равна 4 мм, и в ней нужно разместить два витка первичной обмотки, поэтому ширина витка может быть равна 1 мм с учетом расстояния между витками, равного также 1 мм. Поперечное сечение витков первичной обмотки равно 0,1 мм 2 , что соответствует допустимому току в витках первичной обмотки, равному 2,5 А. Поверхность каждой обмотки равна 14×18 мм. Для изготовления двух односторонних обмоток применяют алюминиевую матрицу 1 размером 110×60 мм. В качестве фоторезистивной маски применяют гальваностойкую краску, которую наносят методом трафаретной печати. Затем электролитически наращивают медные витки обмоток толщиной 0,1 мм. Контактные площадки 4 смежных обмоток соединяют пайкой. Два внешних контакта 5 служат началом и концом первичной обмотки (фиг.4). Затем обмотки вторичную 14 и первичную 15 укладывают в пакет с промежуточной прокладкой толщиной 0,2 мм. Проводят склеивание обмоток под прессом при температуре отверждения клея. Отделяют матрицы 1 с двух сторон обмотки трансформатора. Вырубают отверстия 16 (фиг.5) для сердечника 17 (фиг.6). Устанавливают сердечник 17 типа Е 14/3,5/5. Его закрепляют пластиной 18 и получают планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы 19 с входным напряжением 3 В и выходным напряжением 27 В.

Пример 2. Определяют параметры ферритового сердечника, пригодного для планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы с рабочим напряжением, равным 100 В, и током при кратковременной нагрузке 100 А. Трансформатор питается от источника тока с напряжением 12 В. Планарный трансформатор изготавливают по способу примера 1.

Необходимо определить размер свободного пространства в ферритовом сердечнике, в котором могут разместиться первичная и вторичная обмотки трансформатора и клеящая прокладка между ними.

Определяем размер вторичной и первичной обмотки трансформатора. Зная значение выходного напряжения трансформатора и величину напряжения питания, определяем коэффициент трансформации, равный 8. Принимаем, что число витков первичной обмотки равно четырем, тогда число витков во вторичной обмотке равно тридцати двум. Поперечное сечение вторичной обмотки должно соответствовать величине кратковременно протекающего тока в 100 А. При токе, равном 100 А, поперечное сечение витка должно быть 2,5 мм 2 . Поэтому при ширине витка 3 мм его толщина равна 0,83 мм. Зазор между витками также равен 3 мм, поэтому для каждого витка необходимо пространство шириной 6 мм. При четырех витках в одном слое обмотки необходима ширина свободного пространства в сердечнике, равная 24 мм.

Поскольку во вторичной обмотке тридцать два витка, то их можно расположить в восьми слоях обмоток, по четыре витка в каждой обмотке.

Необходимая высота свободного пространства в сердечнике определяется суммой толщин первичной и вторичной обмоток и толщиной клеящей прокладки. Толщина вторичной обмотки определяется суммой восьми толщин прокладок, в которые запрессованы медные витки обмоток. При толщине медного витка 0,83 мм, толщина прокладки равна 2 мм. Тогда толщина вторичной обмотки равна 16 мм.

Определяем толщину первичной обмотки. Ширина свободного пространства в сердечнике для вторичной и первичной обмотки одинаковы и равны 24 мм. Первичная обмотка содержит четыре витка в двух слоях. Поэтому в одном слое обмотки расположено два витка с шириной витка, равной 6 мм, с расстоянием между витками также 6 мм. При толщине витка, равной 0,5 мм, толщина прокладки равна 2 мм. Тогда толщина первичной обмотки равна 4 мм. Если толщина клеящей прокладки равна 0,2 мм, то общая высота свободного пространства в сердечнике для размещения обмотки трансформатора должна быть равна 20,2 мм. Таким образом, ферритовый сердечник со свободным пространством 24×20,2 мм пригоден для мощного планарного трансформатора.

Определяем габариты ферритового сердечника Ш-образной формы (фиг.6). Длина Ш-образного ферритового сердечника состоит из двух участков для размещения многослойной печатной обмотки трансформатора, расположенных с двух сторон центрального стержня, фиг.6. При ширине центрального стержня, равной 10 мм, и боковых стержней шириной 5 мм, общая длина планарного трансформатора равна (24×2)+10+(5×2)=68 мм. Высота ферритового сердечника состоит из высоты свободного пространства сердечника и толщины основной части сердечника, от которой отходят центральный и боковые стержни. При высоте свободного пространства сердечника, равной 20,2 мм, толщине основной части сердечника, равной 6 мм, высота ферритового сердечника равна 26,2 мм.

Таким образом, ферритовый сердечник Ш-образной формы для мощного планарного трансформатора с выходным напряжением 100 В и током 100 А питающегося от источника тока напряжением 12 В имеет размеры 68/26,2/50 мм. При использовании сердечника Е-типа для системы Е-Е, сердечник будет относиться к типу Е68/13,1/50.

Пример 3. Изготавливают многослойную печатную плату с интегрированным в нее планарным трансформатором.

Многослойную печатную плату изготавливают методом попарного прессования . Для чего берут две заготовки фольгированного с двух сторон диэлектрика. На внутренней стороне каждой заготовки создают топологию медной печатной схемы путем травления фольги в местах, незащищенных фоторезистивной маской. Затем в каждой заготовке сверлят сквозные отверстия и осуществляют их металлизацию путем химико-гальванического осаждения меди. После этого заготовке склеивают между собой.

По технологии примера 1 изготавливают первичную обмотку 15 и вторичную обмотку 14 на матрице 1 (фиг.3 и фиг.4), которые также подлежат склеиванию. Берут пропитанную клеем стеклотекстолитовую прокладку 20 (фиг.7), с двух сторон которой укладывают заготовки многослойной печатной платы 21 и 22, а также обмотки 14 и 15. Прессуют пакет при температуре отверждения клея. Затем завершают изготовление многослойной печатной платы 23, для чего просверливают отверстия для создания межслойных переходов, проводят их химико-гальваническую металлизацию. Затем создают топологию медной печатной схемы на внешних слоях платы путем травления фольги в местах, не защищенных фоторезистивной маской. В процессе завершения изготовления многослойной печатной платы, обмотки 14 и 15 планарного трансформатора защищены от воздействия агрессивных растворов матрицей 1. После завершения изготовления многослойной платы 23, отделяют матрицы от обмоток 14 и 15, создают отверстия для установки ферритового сердечника 17. Устанавливают ферритовый сердечник 17, к нему присоединяют ферритовую пластину 18. Получают планарный трансформатор 19, интегрированный в многослойную печатную плату 23.

Технический результат

Предложенный способ позволяет изготавливать планарный трансформатор с высокой эксплуатационной надежностью, т.к. межслойные соединения многослойной печатной обмотки получают путем пайки контактных площадок с помощью тугоплавкого припоя. Способ позволяет изготавливать витки обмоток большой толщины, а следовательно, с большим поперечным значением витка и поэтому с большим допустимым током в витке.

Отсутствие ограничения в числе двусторонних обмоток, из которых изготавливают многослойные обмотки, позволяет полное заполнение свободного пространства сердечника и достижение оптимального числа витков в многослойной обмотке.

Способ позволяет интегрировать планарный трансформатор в многослойную печатную плату в процессе их совместного изготовления. На основе предложенного способа возможно осуществление массового производства планарных трансформаторов на основе многослойной печатной платы.

Источники информации

1. Способ формирования планарных индуктивностей. Реферат изобретения России, заявка 93006715/07 от 1993.02.03, опубликовано 1995.04.20.

2. Планарный трансформатор на основе многослойных печатных плат. Компоненты и технологии. 2003, №6", с.106-112. Прототип.

3. Гальванотехника. М.: Металлургия, 1987, с.572-573.

6. Технология многослойных печатных плат. М.: Радио и связь, 1990, с.63, 74.

7. Технология многослойных печатных плат. М.: Радио и связь, 1990, с.46.

8. Технология многослойных печатных плат. М.: Радио и связь, 1990, с.38.

9. Монтаж на поверхности. М.: Издательство стандартов, 1991, с.28.

10. Справочник по электротехническим материалам. М.: Энергия, 1974, с.253.

11. Федулова А.А. и др. Многослойные печатные платы. М.: Советское радио, 1977, с.183-193.

12. Аренков А.Б. Печатные и пленочные элементы радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1971, с.19.

1. Способ изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы, включающий изготовление медных витков обмоток с контактными площадками в соответствии с фоторезистивным печатным рисунком, на котором обмотки расположены на раздельных прямоугольных участках, затем обмотки укладывают в пакет с включением между обмотками клеящих прокладок, проводят прессование пакета при температуре отверждения клея, создают межслойные электрические соединения обмоток, изготавливают первичную и вторичную многослойные обмотки и склеивают их между собой, создают отверстия в обмотках, в которые устанавливают ферритовый сердечник, отличающийся тем, что витки обмоток с внутренними и внешними контактными площадками изготавливают путем электролитического осаждения меди на поверхность металлической гальванопластической матрицы, которую предварительно покрывают фоторезистивной маской с позитивным рисунком витков обмоток и контактных площадок, обмотки располагают в двух рядах, при этом общее число обмоток равно числу слоев многослойной обмотки, на пробельные места фоторезистивной маски осаждают электролитически медь до заданной толщины, затем создают на ее поверхности микрошероховатость, удаляют фоторезистивную маску и на поверхность медных витков укладывают клеящую прокладку с окнами в местах расположения внутренних и внешних контактных площадок, запрессовывают прокладку в витки при температуре отверждения клея и получают односторонние печатные обмотки, на поверхность внутренних контактных площадок наносят паяльную пасту и проводят ее оплавление, затем матрицу разделяют на две части, на каждой из которых расположен один ряд односторонних обмоток, после чего обе части совмещают, укладывая их в пакет, при этом предварительно наносят клей на поверхности прокладок, односторонние обмотки склеивают между собой и получают двусторонние печатные обмотки, после чего отделяют матрицу с одной стороны пакета, проводят пайку внутренних контактных площадок, паянные контакты защищают электроизоляционным лаком, затем на матрице оставляют только одну двустороннюю обмотку, а остальные отделяют от матрицы, их последовательно укладывают в пакет на обмотку, оставшуюся на матрице, предварительно наносят клей на поверхность обмоток, внешние контактные площадки располагают в ряд на матрице и попарно соединяют их пайкой, начиная со второго и заканчивая предпоследним, при этом первая и последняя контактные площадки являются началом и концом многослойной обмотки, после чего на внешние контактные площадки укладывают клеящие прокладки и проводят прессование пакета, получают многослойную печатную обмотку, изготавливают таким образом первичную и вторичную обмотки трансформатора, склеивают между собой, после чего с двух сторон обмотки отделяют матрицы и после создания в обмотках отверстий и установления ферритового сердечника получают планарный трансформатор на основе многослойной платы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что склеивание первичной и вторичной обмоток планарного трансформатора проводят одновременно со склеиванием заготовок слоев многослойной печатной платы с помощью общей прокладки, затем проводят дальнейшее изготовление многослойной печатной платы путем формирования топологии медной схемы травлением фольгированного диэлектрика и созданием межслойных электрических соединений путем химико-гальванической металлизации, при этих операциях обмотки трансформатора защищены от действия агрессивных растворов матрицей, после изготовления многослойной печатной платы матрицы отделяют от поверхности обмоток, создают отверстия в них, устанавливают ферритовый сердечник и получают планарный трансформатор, интегрированный в многослойную печатную плату.

Похожие патенты:

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может быть использовано при изготовлении планарного трансформатора, предназначенного для портативных электрорадиотехнических устройств

Постоянное уменьшение габаритов изделий электроники, особенно мобильных устройств, приводит к тому, что разработчикам приходится применять компоненты с минимальными размерами. Для полупроводниковых компонентов, а также пассивных, таких, как резисторы и конденсаторы, выбор достаточно велик и разнообразен. Мы же рассмотрим малогабаритную замену еще одним пассивным элементам - трансформаторам и дросселям. В большинстве случаев разработчики используют стандартные трансформаторы и дроссели с проволочной намоткой. Мы же рассмотрим преимущества планарных трансформаторов (ПТ) на основе многослойных печатных плат. Стоимость многослойных печатных плат постоянно снижается, поэтому планарные трансформаторы станут хорошей заменой обычным.

Планарные трансформаторы являют собой привлекательную альтернативу обычным трансформаторам в случаях, когда требуются малоразмерные магнитные компоненты. При планарной технологии изготовления индуктивных компонентов роль обмоток могут выполнять дорожки на печатной плате или участки меди, нанесенные печатным способом и разделенные слоями изоляционного материала, а кроме того, обмотки могут конструироваться из многослойных печатных плат. Эти обмотки помещаются между малоразмерными ферритовыми сердечниками. По своей конструкции планарные компоненты делятся на несколько типов. Ближе всего к обычным индуктивным компонентам стоят навесные планарные компоненты, которые можно использовать вместо обычных деталей на одно- и многослойных печатных платах. Высоту навесного компонента можно уменьшить, погрузив сердечник в вырез печатной платы так, чтобы обмотка легла на поверхность платы. Шаг вперед представляет собой гибридный тип, где часть обмоток встроена в материнскую плату, а часть находится на отдельной многослойной печатной плате, которая соединена с материнской. Материнская плата должна иметь отверстия для ферритового сердечника. Наконец, у последнего типа планарных компонентов обмотка полностью интегрирована в многослойную печатную плату.

Как и в случае обычных компонентов с проволочной обмоткой, половинки сердечников можно соединять путем склеивания или с помощью зажима, в зависимости от возможностей и предпочтений производителя. Компания FERROXCUBE предлагает широкий ассортимент планарных Ш-образных сердечников для различных применений.

Преимущества планарной технологии

Планарная технология изготовления магнитных компонентов имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной проволочной намоткой. Первым очевидным преимуществом является весьма малая высота, которая делает планарные компоненты перспективными для применения в стоечном и портативном оборудовании с высокой плотностью монтажа.

Планарные магнитные компоненты хорошо подходят для разработки высокоэффективных импульсных преобразователей мощности. Малая величина потерь меди на переменном токе и высокий коэффициент связи обеспечивают более эффективное преобразование. Благодаря малой индуктивности рассеяния уменьшаются скачки и колебания напряжения, являющиеся причиной выхода из строя МОП-компонентов и дополнительным источником помех.

Планарная технология проста и надежна в производстве. В таблицах 1–3 описываются преимущества и ограничения этой технологии.

Таблица 1. Преимущества при разработке

Таблица 2. Преимущества при производстве

Таблица 3. Ограничения

(1) Стоимость многослойных печатных плат снижается. Общие затраты: не нужен каркас, меньший размер сердечника.

Интегрированные компоненты в сравнении с навесными

Интегрированные планарные компоненты применяются в тех случаях, когда сложность окружающих цепей вынуждает использовать многослойную печатную плату. Типичные области применения - маломощные преобразователи и устройства обработки сигналов. В них используется в основном комбинация Ш-образного сердечника и пластины малых размеров. Основными конструктивными требованиями здесь являются малая высота и хорошие высокочастотные характеристики.

• Навесные компоненты используются иначе. Типичные области применения - мощные преобразователи; в них в основном используется комбинация из двух Ш-образных сердечников большого размера. Основными конструктивными требованиями здесь являются тепловые характеристики. Конструкция обмотки зависит, в частности, от величины тока.

Погружение навесных компонентов в плату позволяет уменьшить высоту сборки, не меняя расположения компонентов.

Гибридные компоненты уменьшают количество навесных обмоток за счет дорожек на печатной плате, а в интегрированном варианте навесные обмотки вообще отсутствуют. Возможны также комбинации этих двух типов. Например, преобразователь мощности может иметь первичную обмотку трансформатора и дроссель сетевого фильтра, встроенные в материнскую плату, а вторичную обмотку и выходной дроссель - на отдельных печатных платах (рис. 3).

Склеивание в сравнении с зажимным соединением

Выбор между склеиванием и зажимным соединением зависит в основном от возможностей и предпочтений производителя, но есть также требования конкретного приложения, которые могут определить тот или иной способ как более желательный.

Первой областью применения планарных трансформаторов было преобразование мощности. Соответственно, при этом использовались средне- и высокочастотные мощные ферриты. Индуктивность дросселя сетевого фильтра можно увеличить, заменив мощный феррит материалом с высокой магнитной проницаемостью. В импульсной передаче сигналов широкополосный трансформатор, находящийся между импульсной генераторной ИС и кабелем, обеспечивает развязку и согласование импедансов. В случае S- или T-интерфейса это также должен быть феррит с высокой магнитной проницаемостью. В ассортимент продукции компании FERROXCUBE были добавлены сердечники из высокопроницаемого феррита 3E6. Список приложений, в которых использование планарной технологии может дать преимущества, приведен ниже.

Преобразование мощности

• Компоненты
  • Силовые трансформаторы, выходные или резонансные дроссели, дроссели сетевого фильтра.
• Выпрямители (сетевые источники питания)
  • Импульсные источники питания.
  • Зарядные устройства (мобильные телефоны, портативные компьютеры).
  • Контрольно-измерительная аппаратура.
• Преобразователи постоянного тока
  • Модули преобразования мощности.
  • Сетевые коммутаторы.
  • Мобильные телефоны (основной источник питания).
  • Портативные компьютеры (основной источник питания).
  • Электромобили (преобразователь тягового напряжения в напряжение 12 В).
• Преобразователи переменного тока (сетевые источники питания)
  • Компактные преобразователи для флуоресцентных ламп.
  • Индукционный нагрев, сварка.
• Инверторы (батарейные источники питания)
  • Мобильные телефоны (подсветка ЖК-дисплея).
  • Портативные компьютеры (подсветка ЖК-дисплея).
  • Газоразрядные автомобильные фары (балласт).
  • Подогрев заднего стекла автомобиля (повышающий преобразователь).

Импульсная передача

• Компоненты
  • Широкополосные трансформаторы.
  • S 0 -интерфейсы (абонентская телефонная линия).
  • U-интерфейсы (абонентская ISDN-линия).
  • T1/T2-интерфейсы (магистральная линия между сетевыми переключателями).
  • ADSL-интерфейсы.
  • HDSL-интерфейсы.

Таблица 4. Характеристики материалов

Таблица 5. Сердечники для склеивания (без выемок)

Таблица 6. Материалы сердечников для склеивания

(*) - половины сердечников для использования в комбинации с Ш-образным сердечником без зазора или пластиной.

(**) - половины сердечников с высокой магнитной проницаемостью.

E160 – E - половина сердечника с симметричным зазором. A L = 160 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника с симметричным зазором).

A25 – E - половина сердечника с асимметричным зазором. A L = 25 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника без зазора).

A25 – P - половина сердечника с асимметричным зазором. A L = 25 нГн (измерено в комбинации с пластиной).

1100/1300 - половина сердечника без зазора. AL = 1100/1300 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника без зазора/пластиной).

Значение AL (нГн) измерялось при B≤0,1 мТл, f≤10 кГц, T = 25 °C.

Допуск A L:

Таблица 7. Зависимость характеристик от мощности (сердечники для склеивания)

Таблица 8. Сердечники с зажимным соединением

Номенклатура изделий

Компания FERROXCUBE предлагает широкий ассортимент планарных Ш-образных сердечников в диапазоне размеров 14–64 мм. В базовой версии для склеивания поперечное сечение всегда является однородным, что позволяет оптимальным образом использовать объем феррита. Для каждого размера имеется Ш-образный сердечник (обозначается буквой E) и соответствующая ему пластина (обозначается буквами PLT). Набор может состоять из Ш-образного сердечника и пластины или двух Ш-образных сердечников. В последнем случае высота окна намотки удваивается. Для самых маленьких размеров имеется также набор из Ш-образного сердечника и пластины в варианте с зажимным соединением. В нем используется Ш-образный сердечник с выемками (обозначается E/R) и пластина с канавкой (обозначается PLT/S). Зажим (обозначается CLM) защелкивается в выемки сердечника и обеспечивает прочное соединение, прижимая пластину в двух точках. Канавка предотвращает смещение пластины даже при сильных ударах или вибрации, а также обеспечивает выравнивание. Для комбинации из двух Ш-образных сердечников зажимное соединение не предусмотрено.

Таблица 9. Материалы сердечников с зажимным соединением

(1) - половины сердечников для использования в комбинации с пластиной.

A63 – P - половина сердечника с асимметричным зазором. A L = 63 нГн (измерено в комбинации с пластиной).

1280 - половина сердечника без зазора.

A L = 1280 нГн (измерено в комбинации с пластиной).

Значение A L (нГн) измерялось при B≤0,1 мТл, f≤10 кГц, T = 25 °C.

Допуск A L:

Таблица 10. Зависимость характеристик от мощности (сердечники с зажимным соединением)

Сердечники из мощных ферритов 3F3 (рабочая частота до 500 кГц) и 3F4 (500 кГц - 3 МГц) имеются во всех размерах. Сердечники наибольшего размера изготавливаются также из феррита 3C85 (рабочая частота до 200 кГц), так как большие сердечники часто используются в мощных низкочастотных устройствах. Имеются также сердечники наименьшего размера, изготавливаемые из высокопроницаемого феррита 3E6 (μ i = 12000), для использования в дросселях сетевых фильтров и широкополосных трансформаторах.

Упаковка

В качестве стандартной упаковки для планарных Ш-образных сердечников и пластин используется пластиковая пленка.

Таблица 11. Упаковка

Таблица 12. Коробка с сердечниками

Таблица 13. Коробка с зажимами

Таблица 14. Ленточная упаковка

Для сердечников E14/3.5/5 и E18/4/10 был разработан прототип ленточной упаковки для использования с аппаратурой автоматического монтажа SMD-компонентов. Метод упаковки соответствует стандарту IEC-286, часть 3. Пластины имеют ту же упаковку, что и соответствующие Ш-образные сердечники.

Разработка

Чтобы по максимуму использовать преимущества планарной технологии, необходимо следовать иной концепции разработки, чем при проволочной намотке. Ниже приведен ряд соображений, которыми следует руководствоваться в этой связи.

Выбор сердечника

• Магнитная индукция

Улучшенные тепловые характеристики допускают в два раза большие потери мощности по сравнению с обычной конструкцией при том же объеме магнитного поля, поэтому значение оптимальной магнитной индукции будет выше обычного.

• Воздушный зазор

Большие зазоры нежелательны в планарных конструкциях, поскольку они создают поток рассеяния. Краевой поток зависит от отношения высоты окна намотки к ширине воздушного зазора, которая меньше для плоских сердечников. Если высота окна всего в несколько раз больше ширины зазора, а ширина в несколько раз больше ширины центральной части сердечника, то между верхом и низом сердечника возникнет поток значительной величины. Большие величины краевых и пересекающихся потоков приводят к большим потерям на вихревые токи в обмотке.

Конструкция обмотки

• Сопротивление на постоянном токе

Чаще всего используются медные дорожки толщиной 35, 70, 100 и 200 мкм. Если площадь поперечного сечения дорожки недостаточна для того, чтобы получить приемлемое сопротивление на постоянном токе, можно параллельно соединить дорожки для всех или части витков.

• Сопротивление на переменном токе

Потери меди на переменном токе, обусловленные скин-эффектом и эффектом близости, оказываются меньше для плоских медных дорожек, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения. Вихревые токи, индуцируемые в окрестности воздушного зазора, можно снизить, удалив несколько витков в том месте, где индукция является максимальной и направлена перпендикулярно плоскости намотки. Комбинация Ш-образного сердечника и пластины характеризуется несколько меньшим потоком рассеяния, чем комбинация двух Ш-образных сердечников, из-за местоположения воздушного зазора.

• Индуктивность утечки

При расположении обмоток одна над другой магнитная связь является очень сильной, и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100% (рис. 13, a).

Предыдущая конструкция ведет к более высокой межобмоточной емкости. Эту емкость можно уменьшить, расположив дорожки соседних обмоток в промежутках друг между другом (рис. 13, b).

Более того, повторяемость значения емкости позволяет скомпенсировать ее в оставшейся части цепи, а также использовать в резонансных конструкциях. В последнем случае можно целенаправленно создать большую емкость, расположив дорожки соседних обмоток друг напротив друга (рис. 13, c).

Производство

Сборка

При использовании зажимов необходимо сначала защелкнуть зажим в углубления сердечника, а затем выровнять пластину в поперечном направлении.

Для интегрированных компонентов сборка комбинируется с монтажом.

Монтаж

При применении навесных компонентов можно использовать платы со сквозными отверстиями или SMD-монтаж. Существенных отличий от обычного процесса не имеется

Плоская поверхность сердечника хорошо подходит для автоматического монтажа.

В случае интегрированных компонентов монтаж лучше всего выполнять в два этапа:

1. Приклеить одну половину сердечника к печатной плате. Для этого можно использовать тот же клей, что и для монтажа SMD-компонентов, и этот этап логичным образом объединяется с монтажом SMD-компонентов на данной стороне печатной платы.
2. Приклеить вторую половину сердечника к первой. Сюда относятся те же замечания, которые были сделаны по поводу сборки навесных компонентов.

Пайка

Относится только к навесным трансформаторам.

В случае пайки оплавлением предпочтительным способом нагрева является горячая конвекция, а не инфракрасное излучение, поскольку первый способ обеспечивает выравнивание температур спаиваемых поверхностей. При нагреве инфракрасным излучением с использованием стандартных материалов хорошая теплопроводность планарного компонента может привести к слишком низкой температуре паяльной пасты, а при повышении мощности излучения - к слишком высокой температуре печатной платы. Если используется инфракрасный нагрев, рекомендуется подобрать другую паяльную пасту и/или материал печатной платы.

Обозначение типоразмеров

Все указанные числа относятся к половинам сердечников. Необходимо заказывать две половины сердечника в правильном сочетании. Имеется четыре типа половин сердечников, из которых составляются наборы трех видов:

• два Ш-образных сердечника (E+E);
• Ш-образный сердечник и пластина (E+PLT);
• Ш-образный сердечник с выемками и пластина с канавкой (E/R + PLT/S).

В последний набор входит также зажим (CLM).

В следующей статье будет приведена методика расчета планарных силовых трансформаторов для импульсных источников питания.

Планарные трансформаторы впервые были разработаны в конце 80-х, однако из-за сложной технологии изготовления они не получили широкого распространения. Современную технологию производства планарных трансформаторов тоже нельзя назвать простой, однако благодаря постоянному совершенствованию технологического процесса, стоимость планарных трансформаторов снизилась и это позволило им конкурировать на рынке источников электропитания.

Планарные трансформаторы являются отличной альтернативой обычным трансформаторам, когда возникает необходимость в малоразмерных магнитных компонентах.

Планарные трансформаторы могут выступать в виде навесных компонентов, в виде однослойных печатных плат или в качестве небольшой многослойной платы.

Преимущества планарных магнитных компонентов

Основные преимущества можно описать так:

Рис 1. Типы планарных трансформаторов

Особенности технологии

Планарная технология производства предусматривает, что в процессе изготовления индуктивных компонентов в качестве обмоток выступают дорожки на печатной плате или участки меди, которые наносятся печатным способом и разделяются слоями изоляционного материала. Также обмотки можно сконструировать из многослойных печатных плат.

В любом случае обмотки помещаются между малоразмерными ферритовыми сердечниками. Навесные планарные компоненты расположены ближе всего к обычным индуктивным компонентам и их можно использовать вместо обычных деталей на одно- или многослойных печатных платах.

Чтобы уменьшить высоту навесного компонента, необходимо поместить сердечник в вырез печатной платы так, чтобы обмотка легла на поверхность платы.

Шаг вперед показывает гибридный тип, в котором часть обмоток встраивается в материнскую плату, а остальные находятся на многослойной плате, которая соединяется с материнской.

В то же время, материнская плата должна иметь отверстия для ферритового сердечника.

Последний тип планарных компонентов имеет обмотку, полностью интегрированную в многослойную печатную плату.

Рис 2. Планарные трансформаторы на печатной плате

Отличия планарных трансформаторов от традиционных катушечных

1. Планарные трансформаторы имеют относительно большую эффективную площадь охлаждения и их гораздо легче охлаждать. Для этого можно использовать естественное, принудительное, жидкостное охлаждение, односторонний или двусторонний радиатор.
2. Малый разброс электрических параметров от устройства к устройству.
3. Погрешности параметров планарного трансформатора в сотни раз меньше погрешностей традиционного трансформатора.

Где используются планарные трансформаторы

Планарные трансформаторы нашли свое применение в телекоммуникационных системах, авиационных бортовых системах, компьютерах, силовых источниках питания, сварочных аппаратах и в системах индукционного нагрева. В целом, планарные трансформаторы могут применяться везде, где возникает необходимость в силовых трансформаторах, которые бы имели высокий КПД, и в то же время обладали малыми габаритами.

Применение планарных силовых трансформаторов и плат на дюралевой подложке в современных источниках питания Вячеслав Макаров
Александр Рушихин

Современные требования к понижению размеров и веса импульсных источников питания вынуждают разработчика находить компромисс меж его ценой и габаритами, добиваться понижения массы и увеличения КПД. Очень почти все уже изготовлено для миниатюризации импульсных источниках питания - сделаны спец микросхемы управления, массивные ключи с низкими потерями и, казалось бы, до мелочей отработана конструкция.

В то же время для силовых трансформаторов и дросселей приходится использовать традиционные составляющие с проволочной намоткой, которые за счет используемого каркаса наращивают массу и габариты источника питания.

Другая популярная неувязка — это обычно высочайшее тепловыделение ИП, массивных ключей и силовых плат управления приводами электродвигателей — всех тех частей радиоаппаратуры, которые мы называем силовой электроникой. К этому нужно еще добавить высочайшие рабочие напряжения и потенциалы схожих устройств.

Но современные технологии печатных плат, выставленные на русском рынке совместной российско-шведской компанией «НКАБ-ЭРИКОН» и реализованные в серийном производстве русской компанией ММП «ИРБИС», позволяют повысить надежность и технологичность индуктивных частей хоть какого источника электропитания и отвести лишнее тепло.

В первый раз разработанные в конце 80-х годов планарные силовые трансформаторы (рис. 1) не получили широкого распространения из-за сложной технологии производства, которая остается сложный и в текущее время.

Рис. 1. Планарный трансформатор

Но неизменное улучшение технологического процесса в последние годы позволило значительно понизить цена силовых трансформаторов и дросселей и сделать их конкурентоспособными на современном рынке источников электропитания.

Их достоинства по сопоставлению с классическими проволочными изделиями:

• малый вес — 15 г на 100 Вт мощности;
• особо высочайшая надежность;
• малая индуктивность рассеяния, низкие утраты на высочайшей частоте;
• широкий рабочий спектр частот: от 50 кГц до 1 МГц;
• КПД более 98% и не плохое остывание конструкции позволяют передавать мощности от 10-ов ватт до единиц кв;
• рабочая температура от -40 до +130 °C;
• рабочие напряжения меж обмотками более 1000 В;
• отменная повторяемость характеристик из-за используемой технологии производства;
• возможность автоматической сборки;
• низкая высота силовых трансформатора, совместимая с SMD-компонентами.
• По мере надобности высоту можно уменьшить, применяя обмотки на полиимиде (рис. 2);
• возможность наращивать мощность силового трансформатора, используя пакеты из обмоток (рис.3).

Рис. 2. Обмотки на полиимиде

Рис. 3. Пакеты обмоток силового трансформатора

Сейчас внедрение планарных трансформаторов в единичных экземплярах остается нецелесообразным по суждениям их высочайшей цены. Но уже в партии эта цена становится применимой, а в серийном производстве — существенно ниже цены обычных аналогов. При всем этом достоинства черт неопровержимы.

Используя открывшиеся перспективы, ММП «ИРБИС» разработало новейшую серию источников питания СМП50…СМП150 с внедрением бескаркасных магнитных компонент со последующими техническими и энергетическими чертами (см. таблицу, рис. 4).

Рис. 4. График зависимости КПД от выходной мощности для модуля СМПЕ150С (Uвых = 15 В) при Uвх = 48 В

Таблица. Технические свойства модулей питания СМП50…СМП150

Частотный преобразователь напряжения данной серии модулей питания выполнен по двухтрансформаторной схеме, представленной на рис. 5.

Рис. 5. Частотный преобразователь напряжения
Преимуществами таковой схемы являются:

«мягкое» переключение силовых транзисторов, отсутствие выбросов напряжения на их и как следствие — возможность использования более низковольтных транзисторов с наименьшим Rdson;

полный цикл перемагничивания сердечника силового трансформатора (работа в первом и 3-ем квадрантах B-H плоскости);

широкий спектр рабочих токов нагрузки от холостого хода до Iнmax;

высочайший КПД.

Не считая того, в комбинированной схеме отсутствует выходной дроссель, его роль делает обратноходовой транс-дроссель Т2, который по характеристикам аналогичен прямоходовому силовому трансформатору Т1, что упрощает и унифицирует производственный процесс.

Силовые трансформаторы Т1 и Т2 выполнены на планарных сердечниках ELP22 (материал N87), обмоткой служит мультислойная интегральная схема. Необходимыми преимуществами планарных магнитных компонент являются:

• малые размеры;
• малая индуктивность рассеяния;
• хорошая повторяемость характеристик;
• лучшие характеристики теплопотери.

Измерения рабочих характеристик планарных трансформаторов с обмотками, выполненными на базе мультислойной печатной платы, демонстрируют, что термическое сопротивление этих устройств существенно ниже по сопоставлению с обыкновенными силовыми трансформаторами с проволочной намоткой при том же действенном объеме сердечника Ve. Это обосновано более высочайшим отношением площади поверхности сердечника к его объему. Таким макаром, имея завышенную охлаждающую способность, планарные трансформаторы способны управляться с большей плотностью проходной мощности, при всем этом удерживая рост температуры в допустимых границах.

По начальным данным, предоставленным спецами компании ММП «ИРБИС», проектирование и изготовка мультислойных печатных плат силовых трансформаторов Т1, Т2 выполнила русская компания «НКАБ-ЭРИКОН». Витки первичной и вторичной обмоток размещаются в несколькихслоях печатной платы, в одном слое находится один виток. Меж первичной и вторичной обмотками обеспечивается гальваническая развязка 1500 В.

Для таких плоских медных дорожек утраты в меди на переменном токе, обусловленные скин-эффектом и эффектом близости, оказываются меньше, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения. Но, по способности, нужно исключить попадание витков обмотки в зону зазора, где индукция является наибольшей и ориентирована перпендикулярно плоскости намотки.

Еще одним положительным моментом будет то, что при расположении обмоток одна над другой улучшается магнитная связь и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100%.

Таким макаром, практическое применение планарных трансформаторов с мультислойными печатными платами (рис. 6) в купе с действенной электронной схемой (рис. 5) подтвердили возможность получения высочайшей удельной мощности 3390 Вт/дм3 при габаритных размерах модуля питания 61O58O12,5 мм. Рекомендуемые области внедрения:

Рис. 6. Пример использования мультислойной печатной платы в качестве обмотки силового трансформатора для модуля питания СМПЕ150С

Рис. 7. Силовые трансформаторы общепромышленного и военного предназначения

Рис. 8. Сигнальные трансформаторы телекоммуникационных систем

Применяющиеся в силовой электронике для отвода тепла платы на дюралевой подложке представляют собой конструкцию (рис. 9) из теплоотводящей подложки, диэлектрика и слоя медной фольги. Конструкция может быть мультислойной и иметь переходные отверстия. Теплоотводящая подложка обычно дюралевая. Она значительно дешевле поликоровой либо титалановой (Al +Ti2O3) и может употребляться в массовом производстве. Не считая того, позволяет в пару раз прирастить токовую нагрузку печатных проводников платы.

Рис. 9. Плата на дюралевой подложке

Диэлектрический слой при толщине 50-150 мкм обеспечивает пробивное напряжение 6-14 кВ и термическую проводимость 1,1-2,2 кВт/(м2°С). Толщина медной фольги составляет 35-350 мкм. Технологический процесс производства этих печатных плат аналогичен техпроцессу для FR4, но имеет особенности проектирования, связанные с применением толстой фольги и обычно высочайшим напряжением в силовых цепях.

На рис. 10 приведен пример конструирования узла РЭА с применением описанного диэлектрика.

Рис. 10. Пример конструирования узла РЭД

Не так давно ко мне обратилась одна компания, которой необходимо было разработать линейку LED-драйверов. Название компании и ТТХ драйверов называть не буду, NDA не подписывал, но этика есть этика. Вроде бы обычный заказ на драйвер, каких десяток за год набирается, но было два взаимоисключающих требования: стоимость и габариты .

Задача с точки зрения схемотехники простая, но вот с точки зрения производства и конструирования оказалась очень интересной. И так - требовалось изготовить сетевой драйвер для LED с корректором коэффициента мощности (мощность около 100 Вт), который стоил был в пределах 3$ на серии и имел габариты по высоте не более 11 мм ! Многие скажут: «А в чем проблема сделать дешманский драйвер?», вот только дешманский не прокатит, т.к. еще одно требование - возможно давать без опасений 5 лет гарантии . И вот тут начинается самое интересное.

Был сделан выбор топологии, схемотехника, все влезало в габариты и стоимость, но столь замечательную картину портил «классический» трансформатор. Он огромный, он дорогой, он технологически сложный в изготовление. Оставалось решить последнюю задачу и после двух дней в раздумьях и расчетах оно было найдено - планарный трансформатор .

Если вам интересно между чем и чем делался выбор, на каких аргументах он основывался и как удалось получить стоимость трансформатора меньше 0.5$, то приглашаю вас в подкат. Ну и для улучшения «аппетита» прилагаю вам фото готового трансформатора:

Основные недостатки «классических» трансформаторов

Я думаю не для кого не секрет как выглядит обычный трансформатор, но вдруг кто пропустил последние 150 лет промышленной революции, поэтому напомню:

Так выглядит обычный трансформатор, намотанный на каркасе от сердечника RM12. Чем же он так плох? Причин тут несколько, конечно часть из них теряет актуальность в определенных задачах, но рассказ будет вестись в контексте вставшей перед мной задачей. И вот основные из них:

• Высота. Даже человек с плохим глазомером может примерно оценить размеры трансформатора по фотографии и сказать с уверенностью: «Он точно больше 11 мм». И действительно, высота трансформатора на RM12 составляет около 24 мм, что более чем в 2 раза превышает необходимое значение
• Технологичность. Когда вам нужно намотать 1–2 трансформатора, то вы берете каркас, провод и мотаете. Когда вам надо намотать 100–200 штук, то можно заказать намотку у себя в стране, цена еще не кусается. Когда вам надо намотать 10 000 штук, а потом еще 50 000, то тут возникает куча нюансов: цена, качество, выбор еще одного подрядчика в Азии. Все это увеличивает конечную стоимость продукта, когда мне надо просто супер дешево и очень качественно.
• Повторяемость. Намотать и собрать два одинаковых трансформатора - очень сложно, сделать 10 000 одинаковых трансформаторов - невозможно. Это я испытал на своей шкуре уже не единожды, особенно если речь идет о производстве в ЮА. А теперь представьте,
  что вам придется «дорабатывать напильником» эти 10 000 трансформаторов при финальной сборке. Представили? Вам стало грустно от количества трудозатрат, а значит и стоимости? Думаю стало.
• Себестоимость. Это вообще очень сложный пункт, но давайте посмотрим на фото выше и увидим, что для сборки классического трансформатора нам нужен каркас, сердечник, скобы, медный провод, изоляция и все это руками или на полуавтоматическом станке. Допустим все это стоит «Х долларов». Для изготовления планарного трансформатора нужен только сердечник. Думаю тут очевидно, что 1 деталь стоит явно дешевле, чем 1 такая же деталь + еще 4 компонента?

В этот момент вас наверняка одолевают терзания: «Если все так плохо, то почему обычные трансформаторы настолько распространены?» Немного раньше я говорил, что часть этих минусов в определенных задач не является минусом. Например, если вы откроете UPS on-line, то увидите, что трансформатор там не самый габаритный элемент. Да и если вы собираете небольшие партии до 100–200 устройств в месяц, то наверняка и себестоимость выравняется, т.к. 100–200 штук уже можно сделать и в России или нанять намотчика, купить китайский станок или сделать самим за 100–200 тыс. руб. и радоваться жизни.
И пожалуй главное место, где планарные трансформаторы не вытеснят обычные - преобразователи с номинальной мощностью больше 2000 Вт .

Устройство планарного трансформатора

На самой первой картинке вы видите данный тип трансформатора уже в собранном состоянии, вид весьма необычный, не правда ли? Хотя люди, которые вскрывали современные телевизоры, зарядки ноутбуков (не дешевых) уже наверняка видели такие трансформаторы или подобные.

Планарные трансформаторы могут быть выполнены в разных конструктивных исполнениях, четкой классификации не существует насколько мне известно, но я делю их на 2 типа:

Какой бы тип планарного трансформатора не рассматривали, общее у них одно - все обмотки выполнены в виде медных дорожек на печатной плате .

Если вы решите более подробно ознакомиться с данной технологией и направитесь в гугл, то наверняка во многих статьях встретите фразу:»… и вот наконец-то в последние годы планарные трансформаторы стали доступны по цене. Связано это с тем, что многослойные платы подешевели». Когда я проектировал свой первый планарный трансформатор, году так в 2010–11, данная фраза сбила меня с толку. Я наивно подумал, что планарники делают исключительно на многослойных печатных платах. На тот момент я еще учился в ВУЗе, и хотя работал и получал неплохую стипендию - данный тип плат для меня был финансово не очень доступен. Подумал и решил сделать свой фейсбук!!! удешевить данную технологию, как оказалось потом - придумал велосипед.

Суть удешевления заключалась в использовании «пирога» из нескольких двухслойных печатных плат небольшой толщины (0.8 или 1 мм). Для меня это казалось гениальным и простым решениям. Вот только проблема была в том, что я как всегда смотрел на решениях топовых компаний, занимающихся силовой электроникой, таких как Texas Instruments, Linear, Infineon, Murata, а они использовали печатные платы в 6–8 слоев и в 2010 году они даже стандартного 4 класса (0.15/0.15 мм) стоили очень дорого. Потом получилось так, что на летнюю практику меня позвали в одну хорошую компанию и там мне рассказали и показали, что они такие «пироги» для планарных трансформаторов уже лет 10 как делают. Так же делали и другие компании рангом пониже, чем TI и Infineon. Главное одно - идея была верная и такое решение не просто правильное, а еще и проверенное временем .

Все элементы «пирога» обычные двухслойные платы стандартного класса точности, а значит они оооочень дешевые и изготовить их может любой производитель печатных плат. Выглядят элементы «пирога» планарного трансформатора вот так:

Как видите в моем трансформаторе всего 3 элемента, хотя могло бы быть и больше. Почему 3? Согласно мои расчетам, чтобы набрать нужную индуктивность в первичной обмотке, мне потребуется 6 слоев. 2 слоя мне дает основная плата + 2 слоя «кусок пирога» + 2 слоя «кусок пирога». Вторичная обмотка уместилась всего на 2 слоя, от сюда еще один «кусок пирога». В итоге имеет стек из 4-х двухслойных печатных плат. Дальше арифметика еще проще: я использую сердечник ELP18/4/10, а значит расстояние под «обмотки» у меня составляет 4 мм. Это расстояние мы делим на количество плат: 4 мм / 4 платы = 1 мм - толщина каждой печатной платы. Все просто!

Если вам вдруг не понятно откуда взялся зазор в 4 мм, то можете посмотреть даташит на сердечник тут. А для тех, кому не удобно ходить по ссылкам или трафик не хочется тратить на большую pdf-ку, небольшая вырезка:

Как видим размер окна сердечника на одной половине составляет 2 мм, на второй половине он так же 2 мм. Получаем общий размер окна по высоте - 4 мм.

Теперь можно разобрать из чего состоит себестоимость планарного трансформатора. По сути тут всего 2 составляющие: сердечник и 3 печатные платы. Сердечник оптом стоит 0,14$, печатные платы 3 штуки по 0,11$ за каждую так же на серии. Получаем 0,47$ стоит сам трансформатор. Я не включил сюда компаунд для склейки сердечников, т.к. если раскидать его стоимость на всю партию, то там даже 1 цента не получается и не посчитал работу по сборке. Работа не считается по одной простой причине - трансформатор собирается на этапе ручного монтажа, а стоит он в Азии копейки. Для сравнений - напаять 2 транзистора в корпусе ТО-220 стоит столько же, сколько и монтаж планарного трансформатора, то есть опять же выходит мизер. Вот так мы и получаем цифру 0.5$ за 1 трансформатор до 100 Вт .

Немного о моих результатах… Мне удалось уместиться в габарит по высоте и даже сделать лучше - вместо предельных 11 мм у меня получилось 9.6 мм. С одной стороны мало заметно, а на практике это уменьшение габаритов примерно на 13%. При чем, основной габарит по высоте задавал уже не трансформатор, а электролитические SMD конденсаторы на входе и выходе.
По себестоимости - точной цифры я вам назвать не могу, но уложиться получилось в требование. Тут стоит отметить усилия самого заказчика, он умудрился найти поставщиков, которые на большой серии смогли дать цены на уровне, а иногда и чуть ниже, чем на digikey. Лично моя заслуга - я решил техническую задачу и сделал дешево, а заказчик сам уже сделал супер-дешево без потери качества.

Технические возможности, открываемые планарным трансформатором

Дальше моя статья принимает больше технический характер, чем повествовательный и если вам не интересна силовая электроника, сухие расчеты и прочие гадости, то дальше можете не читать и переходить к обсуждениям в комментарии. Красивых картинок больше не будет. Если же вы планируете взять данную технологию для себя на вооружение, то тогда для вас все только начинается.

Чтобы вы могли более наглядно оценить весь потенциал данного типа трансформаторов, могу сказать, что в данном проекте, на одной паре сердечников ELP18/4/10 мне удалось построить резонансный преобразователь мощностью 65 Вт. А теперь посмотрите на его габаритные размеры, не плохо же для такой мелочи?

Метод расчета планарного трансформатора

Методик, которые позволяют рассчитать данный тип трансформаторов, достаточно много. Правда основная литература, в том числе и научная, в основном на английском, немецком и китайском языках. Я на практике опробовал несколько, все они были взяты из англоязычных источников и все показали приемлемый результат. В процессе работы за несколько лет мною были сделаны небольшие правки, которые позволили несколько повысить точность расчетов и именно эту методику я вам и продемонстрирую.

У меня нет каких либо амбиций на ее уникальность, а так же я не гарантирую, что ее результаты достаточно точны во всех диапазонах частот и мощностей. Поэтому если вы планируете использовать в работе, то будьте аккуратны и всегда следите за адекватностью результатов.

Расчет планарного трансформатора

При расчете любого трансформатора первым делом необходимо найти максимальное значение магнитной индукции. Потери в сердечнике и в медных проводниках приводят к нагреву трансформатора, поэтому расчеты необходимо вести относительно максимального допустимого перегрева трансформатора. Последний выбирается исходя из условий эксплуатации и требований, предъявляемых к устройству.

Делам эмпирическое допущение в котором предполагаем, что половина от общих потерь на трансформаторе - это потери в сердечнике. Исходя из этого допущения посчитаем максимальную плотность потерь в сердечнике по эмпирической формуле:

Где значение эффективного магнитного объема VE берется из документации на сердечник в [см 3 ] , значение максимального перегрева ΔT выбирается исходя из расчетов (например, я обычно беру в расчет 50–60 градусов ). Размерность же получаемой величины - [мВт/см 3 ] .

Прошу обратить внимание, что многие формулы, которые я описываю, получены эмпирическим путем. Другие же записаны в их конечном виде без расписывания их математического вывода. Тем, кому интересно происхождение последних советую просто ознакомить с зарубежной литературой по магнитным материалам, например, есть стать и книги у Epcos и Ferroxcube.

Теперь, зная максимальную плотность потерь в сердечнике, мы можем посчитать максимальное значение индуктивности при котором не будет превышена температура перегрева выше расчетной.


Где СM , СT , x , y - параметры полученные эмпирическим путем методом аппроксимации кривой потерь, а f - частота преобразования. Получить их можно двумя путями: обработав данные (графики) из документации на свой сердечник или же построив эти графики самостоятельно. Последний способ позволит вам получить более точные данные, но потребуется наличие полноценного тепловизора.

В качестве примера я поделюсь с вами данными значениями для сердечников из материала Epcos N49 , его аналог от Ferrocube является так же популярный и доступный материал 3F3 . Оба материала позволяют без проблем строить преобразователи с резонансной частотой до 1 МГц включительно. Так же стоит отметить, что данные параметры зависят от частоты, данные цифры для частот 400–600 кГц . Это наиболее популярный диапазон частот и материал, который я использую.

• СM = 4,1×10–5
• СT = 1,08×10–2
• x = 1,96
• y = 2,27

Далее стоит вспомнить о второй составляющей потерь в трансформаторе - потери в медной обмотке . Считаются они легко, по нашему любимому закону Ома в котором дополнительно учли вполне логичные моменты: ток у нас импульсный и протекает он не 100% времени, то есть коэффициент заполнения. Рассказывать как посчитать сопротивление обмотки меди по ее геометрии я не буду, слишком банально, а общую формулу наверное напомню:

Потери в меди считаются для каждой обмотки отдельно, а потом складываются. Теперь мы знаем потери в каждом слое «пирога» и в сердечнике. Желающие могут промоделировать перегрев трансформатора, например, в Comsol или Solidworks Flow Simulation.

Продолжая тему медных проводников, давайте вспомним о таком явление, как скин-эффект . Если объяснять «на пальцах», то это эффект, когда с ростом частоты протекающего в проводнике тока, происходит «выдавливание» тока из проводника (от центра к поверхности) другим током - вихревым .
Если же говорить более по научному, то в результате протекания в проводнике переменного тока, наводится переменная индукция, которая в свою очередь вызывает вихревые токи. Это вихревые токи имеют направление противоположное нашему основному току и получается, что они взаимовычитаются и в центре проводника суммарный ток равен нулю.
Логика простая - чем выше частота протекаемого тока, тем больше сказывается скин-эффект и тем ниже эффективное сечение проводника . Уменьшить его влияние можно путем оптимизации геометрии обмоток, их распараллеливания и прочими методами, которые наверное заслуживают если не целой книги, то большой отдельной статьи.
Для наших же расчетов достаточно примерно оценить влияние скин-эффекта с помощью еще одной эмпирической формулы:

Где ∆δ - толщина зоны с нулевым током, f - частота преобразователя. Как видите данный эффект целиком привязан к частоте коммутации.

А теперь давайте посчитаем сколько витков и прочего нам потребуется для изготовление трансформатора прямого хода. Первым делом считаем сколько же нам потребуется витков в первичной обмотки:

Где Umin - минимальное входное напряжение, D - рабочий цикл, f - частота работы, Ae - эффективное сечение сердечника. Теперь считаем количество витков для вторично обмотки:

Где N1 - количество витков в первичной обмотке, D - рабочий цикл, Uout - номинальное выходное напряжение, Umin - минимальное входное напряжение.

Следующим шагом является расчет индуктивности первичной обмотки. Так как ток в обмотке у нас носит импульсную характеристику, то зависеть он будет и от индуктивности. Рассчитываем мы ее по следующей формуле:

Где μ0 - эффективная магнитная проницаемость, μa - амплитудная магнитная проницаемость, Ae - эффективное сечение сердечника, N1 - количество витков в первичной обмотке, Ie - эффективная длина пути. Недостающие параметры, типа проницаемости и длины магнитной линии вы можете взять в документации на конкретный сердечник.

Теперь финальный шаг, который нам необходимо сделать - рассчитать действующий в первичной обмотке ток. Это позволит в дальнейшем посчитать сечение для первичной обмотки и соответственно ширину проводника. Значение тока складывается из двух составляющих и выглядит следующим образом:


Тут вроде уже все составляющие формулы знакомы и посчитаны, единственное отмечу параметр Pmax. Это не просто значение номинальной выходной мощности, это полная мощность преобразователя с учетом КПД хотя бы примерно (я обычно закладываю 95–97% для резонансных преобразователей) и тем запасом, который вы закладываете в устройство. В моих устройства обычно 10% запас по мощности, в особо ответственных устройствах и узлах иногда приходится закладывать 20–25% запас, но это вызывает удорожание.

Вот мы и получили все параметры, которые необходимы для расчета и проектирования планарного трансформатора. Конечно вам придется самим посчитать сечение для обмоток, но это элементарная арифметика, которой я не хочу загромождать статью. Все же остальное уже посчитано и остается только спроектировать платы в каком либо САПР.

Итог

Надеюсь моя статья поможет начать вам использовать планарные трансформаторы как в своих домашних проектах, так и в коммерческих. Данную технологию необходимо использовать аккуратно, ведь в зависимости от задачи она может оказаться дороже «классических» трансформаторов.

Так же несомненно применение планарных трансформаторов открывает новые технические возможности, а современные Mosfet-ы и новые GaN транзисторы лишь способствуют этому, позволяя создавать преобразователи с частотами от 400 кГц и выше. Однако и стоимость этих «возможностей» не всегда достаточно низкая, да и для проектирование резонансных преобразователей на таких частотах требует большого набора знаний и опыта.

Но не стоит расстраиваться! Любому из вас, даже начинающему электронщику, под силам собрать топологии по проще, например, ZVS мост (Full bridge). Данная топология позволяет получит очень высокий КПД и не требует каких-то супер-секретных знаний. Необходимо лишь сделать прототип или макет и хорошенько поэксперементировать. Удачи в освоение новых горизонтов!

прочитано 14146 раз