Wie man ein planares Transformator-PCB-Design erstellt

Bannerbild: Die Induktivität und Kapazität eines planaren Transformators können aus einer ECAD-Datei mit der COMSOL-Software extrahiert werden. Bildnachweis: COMSOL.

Bei weitem die sperrigste Durchsteck-Komponente, die Sie auf Ihrer PCB platzieren können, ist ein Transformator. Die einzigen vergleichbar großen Komponenten, die mir im Moment einfallen, sind große Hochspannungskondensatoren, drahtgewickelte Induktoren, einige Steckverbinder und Kühlkörper. Selbst kleine Transformatoren nehmen mehr Platz ein als die Mehrheit der integrierten Schaltkreise, und Entwickler von Stromversorgungssystemen müssen die Größe dieser Komponenten sorgfältig berücksichtigen, wenn sie ein PCB-Layout erstellen.

Durchsteckbare Transformatoren können sehr hoch auf der PCB sitzen, daher ist es hilfreich, eine Alternative mit einem niedrigen Profil zu haben. Ein planarer Transformator ist eine Option, die durchgesteckt auf der Platine montiert werden kann, oder er kann direkt in Ihre PCB integriert werden. Beide Optionen bieten Ihnen einen Transformator mit niedrigem Profil, der eine Reihe von Stromwerten bewältigen könnte. Hier erfahren Sie, wie Sie ein PCB-Layout für einen planaren Transformator erstellen können.

Was ist ein planarer Transformator?

Ein planarer Transformator verwendet flache Wicklungen, die direkt auf einer Leiterplatte (PCB) platziert werden können. Im Gegensatz dazu werden bei einem toroidalen Transformator, einem laminierten Kerntransformator oder anderen gängigen Transformatoren Kupferdrähte verwendet, um die Wicklungen um den Transformator-Kern zu formen. Die Verwendung einer PCB mit Leiterbahnen, um die Wicklungen zu bilden, schafft den planaren Formfaktor. Dank des Formfaktors und der verwendeten Materialien im Transformator hat er einige Vorteile im Vergleich zu anderen Transformatoren:

• Niedriges Profil. Diese Transformatoren sind nicht so hoch wie andere Transformatoren mit ähnlichen Spezifikationen. Dies kann ein schlankes Design für dünne Gehäuse ermöglichen.
• Hohe Wärmeableitung. Ein niedriges Profil verteilt den Transformator über eine größere Fläche. Obwohl dies bedeutet, dass der Transformator mehr Platz auf der Platine einnimmt, kann während des Betriebs mehr Wärme vom Transformator abgeleitet werden.
• Hohe Effizienz. Das kompakte Design dieser Transformatoren reduziert die Streuinduktivität, sodass planare Transformatoren eine sehr hohe Effizienz aufweisen. Typische Werte liegen über 99%.
• Niedrige Streu-Intra-Wicklungskapazität. Die Streukapazität innerhalb einer Wicklung kann durch das Platzieren der Ein- und Ausgänge weit voneinander entfernt auf der Platine recht niedrig gehalten werden.

Es gibt auch einige Kompromisse zu berücksichtigen, wenn Sie einen benutzerdefinierten planaren Transformator entwerfen oder einen planaren Transformator in Ihr PCB-Layout integrieren möchten:

• Begrenzte Stromkapazität. Da planare Leiterbahnen verwendet werden, um Wicklungen zu bilden, müssen sie so entworfen werden, dass sie einen ausreichend niedrigen Temperaturanstieg gewährleisten. Eine hohe Stromgrenze bedeutet, dass der Transformator so entworfen werden muss, dass mehr Platz auf der Platine benötigt wird. Schauen Sie sich die IPC-2152-Standards für weitere Informationen an.
• Begrenztes Übersetzungsverhältnis. Die Anforderungen an die Leiterbahnbreite für verschiedene Stromstärken und jede mögliche Begrenzung der Fußabdruckgröße können die Anzahl der Windungen, die Sie auf der PCB platzieren können, begrenzen.
• Höhere Werkzeuginvestition. Standardtransformatoren verwenden leicht verfügbare Materialien, während ein planarer Transformator den standardmäßigen PCB-Herstellungsprozess durchlaufen muss.
• Hohe Streukapazität zwischen den Wicklungen. Die Streukapazität zwischen den Wicklungen kann aufgrund der Anordnung der Spulen auf verschiedenen Schichten der PCB ziemlich hoch sein.

Entwurf eines planaren Transformators in einem PCB-Layout

Wie oben erwähnt, gibt es zwei Möglichkeiten, einen planaren Transformator zu bauen: als eigenes Bauteil oder integriert in ein größeres PCB-Layout. Beide Arten von planaren Transformatoren folgen demselben Prozess. Das unten gezeigte Beispiel-Layout zeigt, wie ein planarer Transformator gebildet wird, indem das Kernmaterial des Transformators um das PCB-Layout gewickelt wird, unter Verwendung von Ausschnitten. Die beiden Seiten des Kerns können zusammengeschraubt oder mit einer kleinen Klammer gesichert werden, wie oben gezeigt.

Im Beispiel-Design unten werden die Leiterbahnen in jeder Schicht in der gewünschten Form der Spulen sowie die Ein-/Ausgangsports für jede Wicklung verlegt. Sie können problemlos mehrere Primär-/Sekundärwicklungen im Layout unterbringen. Obwohl dies normalerweise als eigenes Bauteil erfolgt, könnten Sie dies auch auf derselben Platine wie den Rest Ihrer Komponenten durchführen, was Ihnen ein vollständig integriertes Paket bietet.

Zusätzlich zu den oben genannten Punkten, achten Sie beim Entwerfen eines planaren Transformators auf diese zwei Punkte:

• Schichtenaufbau. Sie müssen auch die richtige Dielektrikum-Dicke zwischen im Schichtenaufbau auswählen. Die Dicke des Dielektrikums bestimmt die Streukapazität zwischen den Wicklungen, die maximale Spannung (aufgrund von Durchbruch) und wie schnell Wärme abgeführt werden kann.
• Frequenz.Planare Transformatoren werden normalerweise mit Frequenzen im kHz-Bereich verwendet. Um kapazitive Leckagen über die Wicklungen oder zwischen den Ebenen in der Nähe der Transformatorspulen zu verhindern, darf die Kapazität nicht zu groß sein.

Es gibt ein heikles Gleichgewicht beim Entwerfen dieser Komponenten. Wir können den Strom nicht zu groß machen, da dies breitere Leiterbahnen erfordert; dies erhöht dann die kapazitive Kopplung, was die nutzbare Frequenz begrenzt. Wir können auch keine großen Untersetzungsverhältnisse haben; kommerzielle planare Transformatoren können ein Übersetzungsverhältnis von ~6:1 haben, obwohl die Induktivität ziemlich hoch sein kann und bis zu ~1 mH erreichen kann.

Das Verlegen der Spulenbahnen mit gekrümmter Form oder anderer Geometrie erfordert Bogenrouting oder Routing unter beliebigem Winkel, um PCB-Leiterbahnen genau zu platzieren. Dann gibt es noch die Frage der Wärmeabfuhr vom Transformator zurück in das Substrat. Beim Entwerfen dieser Komponenten gibt es viel zu bedenken, aber mit den richtigen PCB-Designwerkzeugen kann man die Arbeit erledigen.

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