Tutto sui trasformatori per montaggio su PCB

La conversione dell'alimentazione da CA a CC inizia con un dispositivo apparentemente semplice: il trasformatore PCB. Questi componenti utilizzano l'induzione magnetica per trasferire l'energia tra due bobine. Ciò avviene senza richiedere una connessione meccanica diretta, ma variando la corrente in una delle bobine. Esistono molti tipi di trasformatori che possono essere montati sull'involucro/chassis o direttamente sul circuito stampato. In questo articolo, esamineremo alcune delle opzioni di trasformatori per PCB che troverai disponibili e che possono offrirti un isolamento elevato se utilizzati per la conversione di potenza nel tuo PCB.

Un altro punto importante da considerare è come selezionare dei trasformatori per il montaggio su PCB (PCB mount transformer) da utilizzare nel tuo nuovo progetto. I trasformatori per il montaggio su PCB sono disponibili in diverse dimensioni e possono essere confezionati come piccoli componenti SMD per le basse potenze o come grandi componenti con fori passanti montati meccanicamente per le alte potenze. Esamineremo alcune delle specifiche importanti da considerare quando si utilizzano questi componenti in diversi tipi di sistemi di regolazione della potenza.

Panoramica dei trasformatori per montaggio su PCB

I trasformatori sono generalmente costituiti da due bobine fisicamente separate e accoppiate induttivamente tramite il campo magnetico, che è incidente tra le bobine primarie e secondarie. Un trasformatore per montaggio su PCB è progettato per essere integrato nella scheda insieme ad altri componenti (sezione digitale, condizionamento dell'alimentazione, ecc.) al fine di fornire il trasferimento di potenza tra due circuiti. Il punto importante è che in questo caso il trasferimento di potenza avviene tra le bobine mantenendo isolati i due lati del trasformatore per circuiti stampati. Il lato di ingresso della scheda, che potrebbe rappresentare un pericolo per la sicurezza dell'utente, è isolato dal lato di uscita. Questa necessità di isolamento è una specifica importante di cui parleremo di seguito.

I trasformatori reali non sempre utilizzano il tipo di struttura semplice mostrata in alcuni diagrammi, dove un nucleo magnetico quadrato è avvolto con bobine per fornire un accoppiamento magnetico. La progettazione della bobina e del nucleo potrebbe anzi essere alquanto complessa e coinvolgere topologie laminate, core-shell o impilate. Se sei un progettista di schede, normalmente ti preoccuperai solo della forza di accoppiamento induttivo attraverso il nucleo e dell'isolamento, poiché queste specifiche determineranno l'efficienza della conversione di potenza e il livello di isolamento tra le bobine.

Specifiche principali dei trasformatori per montaggio su PCB

La sfida principale nell'utilizzo di un trasformatore PCB in un circuito è la scelta del trasformatore giusto che garantisca una conversione di potenza altamente efficiente pur soddisfacendo alcune specifiche minime di gestione della potenza. Per quanto riguarda il montaggio su un PCB, dobbiamo considerare anche elementi quali lo stile di montaggio, le dimensioni del trasformatore e l'asse z per la scelta del trasformatore per PCB. Di seguito sono riportate alcune delle specifiche principali:

Valori primari e secondari: come suggerisce il nome, ciò specifica i limiti di tensione e corrente alle bobine primarie e secondarie. Inizierai scegliendo un trasformatore in base alla tensione richiesta, quindi dovrai progettare in modo da assicurarti di rimanere al di sotto del limite di corrente del trasformatore, definito sulle bobine di ingresso e di uscita.

Potenza nominale ed efficienza: si riferisce alla potenza che un trasformatore è in grado di gestire. Il tuo trasformatore potrebbe specificare solo una potenza nominale CC; si tratta di una potenza nominale resistiva, quindi tienilo a mente quando osservi una scheda tecnica, poiché la potenza reattiva potrebbe essere diversa e sarà definita con una frequenza specifica. L'efficienza viene spesso specificata anche come valore CC e in determinate condizioni (ad es. piena corrente).

Fattore di forma: questo può essere un aspetto decisivo nella scelta del trasformatore per circuiti stampati, poiché lo spazio potrebbe essere limitato. La scelta del PCB mount transformer è spesso determinata dalle dimensioni della scheda o dai vincoli dell'involucro. Questi trasformatori possono essere posizionati in alto sulla scheda, il che li rende soggetti a vibrazioni.

Stile di montaggio (SMT e foro passante): i trasformatori SMT avranno una superficie inferiore piatta con pin sul corpo esterno per permettere di saldare il componente su un PCB. I trasformatori a foro passante sono dotati di pin lunghi in modo da essere collegati solidamente alla scheda e resistere così alle vibrazioni e agli shock termici.

Meccanismo di raffreddamento: poiché questi componenti sono pensati per essere montati su PCB, di solito non vengono forniti con alcun tipo di meccanismo di raffreddamento, cosa importante nella conversione ad alta potenza e nella gestione della potenza in generale. Piuttosto, il produttore fornirà una potenza nominale massima di ingresso/uscita tale che la temperatura richiesta rimanga al di sotto di un valore di sicurezza. Il principale meccanismo di raffreddamento avviene attraverso la conduzione nell'imballaggio e infine nei PCB. Probabilmente l'unica eccezione sono i trasformatori planari montati su PCB, che hanno una superficie piatta sull'imballaggio per il montaggio o l'integrazione di un dissipatore di calore.

Induttanza: questo è un aspetto più importante nelle applicazioni di conversione CC-CC, ad esempio in un convertitore flyback o in un convertitore risonante LLC. Per le applicazioni CA-CC, l'induttanza determinerà la forza di accoppiamento al componente secondario, ma normalmente si osserverebbero semplicemente i valori di gestione della potenza e l'efficienza di conversione.

Dovresti progettare tu il tuo trasformatore o induttore?

A volte mi capita di sentire questa domanda quando i progettisti desiderano costruire un componente di conversione di potenza personalizzato che possa scendere a una tensione non standard. La risposta semplice è “sì”, ma non è un'operazione da eseguire da soli. A causa dei requisiti normativi e di sicurezza imposti sui magneti di potenza, ti consigliamo di rivolgerti a un produttore di trasformatori per montaggio su PCB per progettare e ottenere componenti personalizzati. La soluzione migliore è scegliere un trasformatore standard che soddisfi le tue specifiche e quindi utilizzare un regolatore sull'uscita in modo da poter raggiungere la tensione di uscita desiderata.

Anche collaborando con un produttore di trasformatori, non potrai specificare i materiali o i processi utilizzati per produrre il trasformatore del circuito stampato. Ogni produttore ha un processo specifico e un set di materiali da utilizzare per produrre un componente che possa superare le approvazioni di sicurezza UL. La capacità di superare queste approvazioni è molto importante per garantire che il tuo progetto sia sufficientemente sicuro da poter funzionare senza rischio di incendio o shock, nonché per poter poi essere eventualmente venduto sul mercato.

Ogni volta che ti trovi a dover selezionare trasformatori e sistemi di alimentazione per PCB, la sicurezza dovrebbe essere una priorità in ogni fase della progettazione. Anche dopo aver reperito un trasformatore personalizzato che utilizza un sistema di isolamento approvato UL, ti consigliamo di collaborare con il tuo produttore o un laboratorio di prova per assicurarti che anche il tuo PCBA finito superi i test UL. Se riuscirai a selezionare correttamente i trasformatori per circuiti stampati e a implementare alcune best practice per i sistemi di alimentazione, è più probabile che potrai creare correttamente un sistema di alimentazione sicuro e ad alta efficienza.

Quando si progetta un alimentatore isolato compatto, è necessario selezionare un PCB mount transformer da utilizzare nel software di progettazione PCB. Una volta trovato il trasformatore per montaggio su scheda che funziona meglio nel tuo progetto, utilizza gli strumenti di progettazione PCB in CircuitMaker per preparare gli schematici e il layout PCB. Tutti gli utenti di CircuitMaker possono creare gli schematici, i layout PCB e la documentazione di fabbricazione necessari per concretizzare l'idea di un progetto ai fini della produzione. Gli utenti hanno inoltre accesso a un'area di lavoro personale sulla piattaforma Altium 365™, dove possono caricare e archiviare i dati di progettazione nel cloud e visualizzare facilmente i progetti tramite un browser web in una piattaforma sicura.

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