Comment créer un design de PCB pour transformateur planaire

Image de bannière : L'inductance et la capacité d'un transformateur planaire peuvent être extraites d'un fichier ECAD en utilisant le logiciel COMSOL. Crédit image : COMSOL.

De loin, le composant à travers le trou le plus volumineux que vous pouvez placer sur votre PCB est un transformateur. Les seuls composants comparativement grands auxquels je peux penser en ce moment sont de gros condensateurs haute tension, des inducteurs bobinés, certains connecteurs et dissipateurs thermiques. Même les petits transformateurs prennent plus de place que la majorité des circuits intégrés, et les concepteurs de systèmes d'alimentation doivent soigneusement considérer la taille de ces composants lors de la création d'un agencement de PCB.

Les transformateurs montables à travers le trou peuvent être très hauts sur le PCB, il est donc utile d'avoir une alternative qui a un profil bas. Un transformateur planaire est une option qui peut être montée à travers le trou sur la carte, ou il peut être intégré directement dans votre PCB. Les deux options vous offrent un transformateur à profil bas qui pourrait gérer une gamme de valeurs de courant. Voici comment vous pouvez créer un agencement de PCB pour transformateur planaire.

Qu'est-ce qu'un Transformateur Planaire ?

Un transformateur planaire utilise des enroulements plats qui peuvent être placés directement sur un PCB. En contraste avec un transformateur toroïdal, un transformateur à noyau laminé, ou d'autres transformateurs communs, où un fil de cuivre est utilisé pour former les enroulements autour du noyau du transformateur. L'utilisation d'un PCB avec des pistes pour former les enroulements crée le facteur de forme planaire. Grâce au facteur de forme et aux matériaux utilisés dans le transformateur, il présente certains avantages par rapport aux autres transformateurs :

• Profil bas. Ces transformateurs ne sont pas aussi hauts que d'autres transformateurs aux spécifications similaires. Cela peut offrir un design élégant pour des boîtiers fins.
• Haute dissipation de chaleur. Avoir un profil bas étend le transformateur sur une zone plus large. Bien que cela signifie que le transformateur occupe plus d'espace sur le circuit, plus de chaleur peut être dissipée du transformateur pendant le fonctionnement.
• Haute efficacité. Le design compact de ces transformateurs réduit l'inductance de fuite, donc les transformateurs planaires ont une très haute efficacité. Les valeurs typiques dépassent 99%.
• Faible capacité parasite intra-enroulement. La capacité parasite au sein d'un enroulement peut être rendue assez faible en plaçant les entrées et les sorties loin l'une de l'autre sur le circuit.

Il y a également quelques compromis à considérer si vous concevez un transformateur planaire personnalisé, ou si vous souhaitez intégrer un transformateur planaire dans votre agencement de PCB :

• Capacité de courant limitée. Puisque des traces planaires sont utilisées pour former les enroulements, elles doivent être conçues pour assurer une élévation de température suffisamment basse. Une limite de courant élevée signifie que le transformateur doit être conçu pour occuper plus d'espace sur le circuit imprimé. Consultez les normes IPC-2152 pour plus d'informations.
• Rapport de transformation limité. Les exigences en matière de largeur de trace pour différents classements de courant et toute limite que vous pourriez avoir sur la taille de l'empreinte peuvent limiter le nombre de tours que vous pouvez placer sur le PCB.
• Investissement en outillage plus élevé. Les transformateurs standards utilisent des matériaux facilement disponibles, tandis qu'un transformateur planaire nécessite de soumettre le composant au processus de fabrication standard des PCB.
• Capacité parasite inter-enroulements élevée. La capacité parasite entre les enroulements peut être plutôt élevée en raison de l'arrangement des bobines sur différentes couches du PCB.

Conception d'un Transformateur Planaire dans un Agencement de PCB

Comme mentionné précédemment, il existe deux manières de construire un transformateur planaire : comme son propre composant ou intégré dans une disposition de PCB plus grande. Les deux types de transformateur planaire suivent le même processus. La disposition d'exemple ci-dessous montre comment un transformateur planaire est formé en enroulant le matériau du noyau de transformateur autour de la disposition du PCB à l'aide de découpes. Les deux côtés du noyau peuvent être vissés ensemble ou sécurisés avec un petit clip, comme montré ci-dessus.

Dans le design d'exemple ci-dessous, les pistes de chaque couche sont routées dans la forme souhaitée des bobines, ainsi que les ports d'entrée/sortie pour chaque enroulement. Vous pouvez facilement mettre plusieurs enroulements primaire/secondaire dans la disposition. Bien que cela soit normalement fait sur son propre composant, vous pourriez également le faire sur le même circuit que le reste de vos composants, ce qui vous donne un ensemble entièrement intégré.

En plus des points mentionnés ci-dessus, faites attention à ces deux points lors de la conception d'un transformateur planaire :

• Empilement des couches. Vous devez également sélectionner l'épaisseur de diélectrique appropriée entre dans l'empilement du circuit. L'épaisseur du diélectrique détermine la capacité parasite entre les enroulements, la tension maximale (due à la rupture) et la rapidité avec laquelle la chaleur peut être dissipée.
• Fréquence.Les transformateurs planaires sont normalement utilisés avec des fréquences de l'ordre de ~kHz. Pour prévenir les fuites capacitatives à travers les enroulements, ou entre les plans près des bobines du transformateur, la capacité ne peut pas être trop grande.

Il y a un équilibre délicat à trouver dans la conception de ces composants. Nous ne pouvons pas rendre le courant trop important car cela nécessite des pistes plus larges ; cela augmente ensuite le couplage capacitif, ce qui limite la fréquence utilisable. Nous ne pouvons pas non plus avoir de grandes valeurs de réduction ; les transformateurs planaires commerciaux peuvent avoir un rapport de transformation d'environ 6:1, bien que l'inductance puisse être assez élevée et atteindre jusqu'à ~1 mH.

Le routage des bobines de trace avec une forme courbée ou une autre géométrie nécessite un routage en arc ou un routage à tout angle pour placer les pistes de PCB avec précision. Ensuite, il y a la question de la dissipation de la chaleur du transformateur qui retourne dans le substrat. Il y a beaucoup à considérer lors de la conception de ces composants, mais vous pouvez accomplir le travail avec les bons outils de conception de PCB.

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