Les transformateurs montés sur circuit imprimé : guide complet

La conversion de courant alternatif en courant continu commence par un dispositif d'une simplicité déconcertante : le transformateur pour circuit imprimé.

Ce composant utilise l’induction magnétique pour transférer de la puissance entre deux bobines sans nécessiter de connexion mécanique directe. Pour ce faire, il fait varier le courant dans l’une des bobines. Il existe de nombreux types de transformateurs qui peuvent être montés sur votre boîtier/châssis ou directement sur votre carte.

Dans cet article, nous examinerons quelques-unes des options disponibles qui peuvent vous offrir une isolation élevée lors de la conversion de puissance dans votre circuit imprimé.

Autre point important à prendre en compte : vous devez choisir des transformateurs montés sur PCB adaptés à votre nouvelle conception. De nombreuses tailles sont disponibles. Ils existent sous forme de petits composants CMS pour les faibles puissances ou de grands composants traversants montés mécaniquement pour les puissances élevées.

Nous examinerons certaines des spécifications importantes à prendre en compte lors de l'utilisation de ces composants dans différents types de systèmes de régulation de l'alimentation.

Présentation des transformateurs montés sur circuit imprimé

Les transformateurs sont généralement constitués de deux bobines physiquement séparées. Elles sont couplées par induction dans le champ magnétique qui se produit entre les bobines primaires et secondaires.

Un transformateur monté sur circuit imprimé est conçu pour être intégré dans votre carte aux côtés d'autres composants (section numérique, conditionnement de puissance, etc.) afin d'assurer le transfert de puissance entre deux circuits.

Notez que le transfert de puissance se produit entre les bobines tout en maintenant les deux côtés du transformateur isolés. Le côté d'entrée de la carte, qui pourrait présenter un risque pour la sécurité de l'utilisateur, est isolé du côté sortie. Ce besoin d'isolation est une spécification importante que nous allons aborder ci-dessous.

Les vrais transformateurs n'utilisent pas toujours le type de structure simple présenté dans certains schémas, où un noyau magnétique carré est enveloppé de bobines pour assurer le couplage magnétique. Au lieu de cela, la conception des bobines et du noyau peut se révéler assez complexe.

En effet, elle peut impliquer des topologies stratifiées, core-shell ou empilées. Si vous concevez des cartes, en théorie, vous vous souciez uniquement de la force du couplage inductif à travers le noyau et de l'isolation, car ces spécifications détermineront le rendement de la conversion de puissance ainsi que le niveau d'isolation entre les bobines.

Caractéristiques principales des transformateurs montés sur circuit imprimé

La principale difficulté liée à l'utilisation d'un transformateur dans un circuit imprimé réside dans la sélection du transformateur adéquat. En effet, ce dernier doit garantir une conversion de puissance très efficace tout en respectant certaines spécifications minimales en matière de gestion de puissance.

En ce qui concerne le montage sur un PCB, nous devons également tenir compte du style de montage, de la taille du transformateur et de la portée de l’axe z.

Voici les principales caractéristiques :

Valeurs nominales primaires et secondaires : comme son nom l'indique, ce paramètre indique les limites de tension et de courant au niveau des bobines primaires et secondaires. Vous commencerez par choisir un transformateur en fonction de la tension requise, puis vous devrez le concevoir pour vous assurer que vous restez en dessous de la limite de courant du transformateur telle que définie au niveau des bobines d'entrée et de sortie ;

Puissance nominale et de rendement : il s'agit de la puissance qu’un transformateur peut supporter. Votre transformateur peut spécifier uniquement une puissance nominale en courant continu. Il s'agit d'une puissance nominale résistive. Gardez cet élément à l'esprit lorsque vous consultez une fiche technique, car la puissance nominale réactive peut être différente et sera définie à une fréquence spécifique. Le rendement est également souvent spécifié en tant que valeur de courant continu et dans certaines conditions (c'est-à-dire à plein courant) ;

Facteur de forme : il peut s'agir d'un facteur décisif dans le choix du transformateur car l'espace peut être limité. Le choix d'un transformateur monté sur circuit imprimé dépend souvent de la taille de la carte ou des contraintes du boîtier. Ces transformateurs peuvent être placés en hauteur sur la carte, ce qui les rend sujets aux vibrations ;

Style de montage (SMT ou traversant) : les transformateurs SMT ont une surface inférieure plane avec des broches sur le corps extérieur afin que le composant puisse être soudé sur un circuit imprimé dans les transformateurs. Les transformateurs traversants ont de longues broches afin de fournir une connexion solide à la carte capable de résister aux vibrations et aux chocs thermiques ;

Mécanisme de refroidissement : comme ces composants sont destinés à être montés sur des circuits imprimés, ils ne sont généralement pas livrés avec un mécanisme de refroidissement. Or, ce point est essentiel pour la conversion de puissance élevée et la gestion de la puissance en général. Au lieu de cela, le fabricant indiquera une puissance maximale d'entrée/sortie afin que la température nécessaire reste inférieure à une valeur de sécurité. Le principal mécanisme de refroidissement est la conduction dans l'emballage et finalement dans le circuit imprimé. La seule exception à cette règle est probablement les transformateurs planaires montés sur circuit imprimé, car ils disposent d'une surface plane sur l'emballage pour le montage ou l'intégration d'un radiateur ;

Inductance : ce critère est plus important dans les applications de conversion CC-CC à commutation, comme dans un convertisseur flyback ou un convertisseur résonant LLC. Pour les applications CA-CC, l'inductance détermine la force de couplage avec le composant secondaire, mais il suffit généralement de regarder la puissance nominale et le rendement de conversion.

Devriez-vous concevoir votre propre transformateur ou inducteur ?

Cette question m'est parfois posée, car les concepteurs veulent parfois créer un composant de conversion de puissance personnalisé afin d'abaisser la tension à un niveau non standard. En théorie, la réponse est « oui », mais vous ne devez pas le faire vous-même.

En raison des exigences réglementaires et de sécurité imposées aux magnétiques de puissance, nous vous recommandons de travailler avec un fabricant de transformateurs montés sur PCB pour concevoir des composants personnalisés.

La meilleure solution consiste à choisir un transformateur standard qui correspond à vos spécifications, puis à utiliser un régulateur sur la sortie afin d'obtenir la tension de sortie souhaitée.

Même si vous travaillez avec un fabricant de transformateurs, vous ne pourrez pas spécifier les matériaux ou les processus utilisés pour produire le transformateur de la carte. Chaque fabricant dispose d'un processus et de matériaux qu'il utilisera pour produire un composant qui passera les tests de sécurité UL.

La capacité à réussir ces tests est primordiale pour s’assurer que votre conception sera suffisamment sûre pour fonctionner sans risque d’incendie ou de choc, ainsi que pour être commercialisée.

Chaque fois que vous travaillez sur des systèmes d'identification et d'alimentation des transformateurs de circuits imprimés, la sécurité doit être votre priorité. Même après avoir obtenu un transformateur personnalisé qui utilise un système d’isolation approuvé par les tests UL, vous devrez travailler avec votre fabricant ou un laboratoire afin de vous assurer que votre circuit imprimé fini passera également ces tests.

Si vous parvenez à sélectionner correctement les transformateurs de circuits imprimés et à mettre en œuvre certaines bonnes pratiques pour les systèmes d'alimentation, vous aurez plus de chances de réussir à concevoir un système d'alimentation sûr et à haut rendement.

Lorsque vous concevez une alimentation isolée compacte, vous devez sélectionner un transformateur monté sur circuit imprimé que vous pouvez utiliser dans votre logiciel de conception.

Lorsque vous avez trouvé le transformateur le plus adapté, utilisez les outils de conception de circuits imprimés de CircuitMaker pour préparer vos schémas et votre routage. Tous les utilisateurs de CircuitMaker peuvent créer des schémas, des routages et la documentation de fabrication nécessaires pour passer de la conception à la production.

Ils disposent également d'un espace de travail personnel sur la plateforme Altium 365™, où ils peuvent télécharger et enregistrer des données de conception dans le cloud. Enfin, ils peuvent consulter facilement les projets via un navigateur Web, sur une plateforme sécurisée.

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