Cómo crear un diseño de PCB para un transformador planar

Imagen de banner: La inductancia y la capacitancia de un transformador planar pueden extraerse de un archivo ECAD utilizando el software COMSOL. Crédito de imagen: COMSOL.

Por mucho, el componente through-hole más voluminoso que puedes colocar en tu PCB es un transformador. Los únicos componentes comparativamente grandes en los que puedo pensar en este momento son los grandes capacitores de alta tensión, inductores enrollados en alambre, algunos conectores y disipadores de calor. Incluso los transformadores pequeños ocupan más espacio que la mayoría de los circuitos integrados, y los diseñadores de sistemas de potencia necesitan considerar cuidadosamente el tamaño de estos componentes al crear un diseño de PCB.

Los transformadores montables through-hole pueden situarse muy altos en el PCB, por lo que ayuda tener una alternativa que tenga un perfil bajo. Un transformador planar es una opción que puede montarse through-hole en la placa, o puede integrarse directamente en tu PCB. Ambas opciones te brindan un transformador de bajo perfil que podría manejar una gama de valores de corriente. Aquí te mostramos cómo puedes crear un diseño de PCB para un transformador planar.

¿Qué es un Transformador Planar?

Un transformador planar utiliza bobinados planos que pueden colocarse directamente en un PCB. Esto contrasta con un transformador toroidal, transformador de núcleo laminado u otros transformadores comunes, donde se utiliza alambre de cobre para formar los bobinados alrededor del núcleo del transformador. El uso de un PCB con pistas para formar los bobinados crea el factor de forma planar. Gracias al factor de forma y los materiales utilizados en el transformador, este tiene algunas ventajas en comparación con otros transformadores:

• Perfil bajo. Estos transformadores no son tan altos como otros transformadores con especificaciones similares. Esto puede proporcionar un diseño elegante para carcasas delgadas.
• Alta disipación de calor. Tener un perfil bajo extiende el transformador sobre una área más amplia. Aunque esto significa que el transformador ocupa más espacio en la placa, se puede disipar más calor del transformador durante su funcionamiento.
• Alta eficiencia. El diseño compacto de estos transformadores reduce la inductancia de fuga, por lo que los transformadores planares tienen una eficiencia muy alta. Los valores típicos superan el 99%.
• Baja capacitancia parásita intra-bobinado. La capacitancia parásita dentro de un bobinado puede ser bastante baja colocando las entradas y salidas lejos una de la otra en la placa.

También hay algunos compromisos a considerar si estás diseñando un transformador planar personalizado, o si quieres integrar un transformador planar en tu diseño de PCB:

• Capacidad de corriente limitada. Dado que se utilizan trazas planares para formar bobinados, necesitan ser diseñadas para asegurar un aumento de temperatura suficientemente bajo. Un límite de corriente alto significa que el transformador necesita ser diseñado para tener más espacio en la placa. Echa un vistazo a las normas IPC-2152 para más información.
• Relación de vueltas limitada. Los requisitos de ancho de traza para diferentes calificaciones de corriente y cualquier límite que puedas necesitar en el tamaño de la huella pueden limitar el número de vueltas que puedes colocar en el PCB.
• Mayor inversión en herramientas. Los transformadores estándar utilizan materiales fácilmente disponibles, mientras que un transformador planar requiere someter el componente al proceso de fabricación estándar de PCB.
• Alta capacitancia parásita entre bobinados. La capacitancia parásita entre bobinados puede ser bastante alta debido a la disposición de las bobinas en diferentes capas del PCB.

Diseñando un Transformador Planar en un Diseño de PCB

Como se mencionó anteriormente, hay dos maneras de construir un transformador planar: como su propio componente o integrado en un diseño de PCB más grande. Ambos tipos de transformador planar siguen el mismo proceso. El diseño de ejemplo a continuación muestra cómo se forma un transformador planar envolviendo el material del núcleo del transformador alrededor del diseño del PCB utilizando recortes. Los dos lados del núcleo pueden atornillarse juntos o asegurarse con un pequeño clip, como se muestra arriba.

En el diseño de ejemplo a continuación, las pistas en cada capa se enrutan en la forma deseada de las bobinas, así como los puertos de entrada/salida para cada bobinado. Puedes colocar fácilmente múltiples bobinados primarios/secundarios en el diseño. Aunque esto normalmente se hace en su propio componente, también podrías hacerlo en la misma placa que el resto de tus componentes, lo que te da un paquete completamente integrado.

Además de los puntos mencionados anteriormente, presta atención a estos dos puntos al diseñar un transformador planar:

• Apilamiento de capas. También necesitas seleccionar el grosor del dieléctrico adecuado entre en el apilamiento de la placa. El grosor del dieléctrico determina la capacitancia parásita entre los bobinados, el voltaje máximo (debido a la ruptura) y qué tan rápido se puede disipar el calor.
• Frecuencia.Los transformadores planares se utilizan normalmente con frecuencias de ~kHz. Para prevenir la fuga capacitiva a través de los bobinados, o entre planos cerca de las bobinas del transformador, la capacitancia no puede ser demasiado grande.

Hay un equilibrio delicado involucrado en el diseño de estos componentes. No podemos hacer la corriente demasiado grande ya que esto requiere trazas más anchas; esto luego aumenta el acoplamiento capacitivo, lo que limita la frecuencia utilizable. Tampoco podemos tener valores de reducción grandes; los transformadores planares comerciales pueden tener una relación de vueltas de ~6:1, aunque la inductancia puede ser bastante alta y alcanzar niveles de hasta ~1 mH.

El trazado de las bobinas de traza con forma curva u otra geometría requiere enrutamiento de arco o enrutamiento en cualquier ángulo para colocar las trazas de PCB con precisión. Luego está el asunto de la disipación de calor del transformador que regresa al sustrato. Hay mucho que considerar al diseñar estos componentes, pero puedes hacer el trabajo con las herramientas de diseño de PCB adecuadas.

Si quieres colocar un transformador planar en un diseño de PCB, intenta usar el conjunto completo de herramientas CAD en Altium Designer. Las herramientas de diseño, enrutamiento y fabricación son ideales para producir diseños complejos, incluidos los diseños con transformadores planares. Cuando hayas terminado tu diseño y quieras compartir tu proyecto, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración con otros diseñadores.

Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para una descripción de características más profunda o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.