Come Creare un Design PCB per un Trasformatore Planare

Immagine del banner: L'induttanza e la capacità di un trasformatore planare possono essere estratte da un file ECAD utilizzando il software COMSOL. Credito immagine: COMSOL.

Di gran lunga, il componente through-hole più ingombrante che puoi posizionare sul tuo PCB è un trasformatore. Gli unici componenti comparabilmente grandi a cui riesco a pensare al momento sono grandi condensatori ad alta tensione, induttori avvolti in filo, alcuni connettori e dissipatori di calore. Anche i trasformatori piccoli occupano più spazio della maggior parte dei circuiti integrati, e i progettisti di sistemi di alimentazione devono considerare attentamente la dimensione di questi componenti quando creano un layout di PCB.

I trasformatori montabili through-hole possono essere molto alti sul PCB, quindi è utile avere un'alternativa che abbia un profilo basso. Un trasformatore planare è un'opzione che può essere montata through-hole sulla scheda, o può essere integrata direttamente nel tuo PCB. Entrambe le opzioni ti offrono un trasformatore a basso profilo che potrebbe gestire una gamma di valori di corrente. Ecco come puoi creare un layout di PCB per un trasformatore planare.

Che cos'è un Trasformatore Planare?

Un trasformatore planare utilizza avvolgimenti piatti che possono essere posizionati direttamente su un PCB. A differenza di un trasformatore toroidale, trasformatore a nucleo laminato o altri trasformatori comuni, dove il filo di rame viene utilizzato per formare gli avvolgimenti attorno al nucleo del trasformatore. L'uso di un PCB con tracce per formare gli avvolgimenti crea il fattore di forma planare. Grazie al fattore di forma e ai materiali utilizzati nel trasformatore, esso presenta alcuni vantaggi rispetto ad altri trasformatori:

• Profilo basso. Questi trasformatori non sono alti quanto altri trasformatori con specifiche simili. Questo può offrire un design elegante per involucri sottili.
• Alta dissipazione del calore. Avere un profilo basso distribuisce il trasformatore su un'area più ampia. Anche se ciò significa che il trasformatore occupa più spazio sulla scheda, più calore può essere dissipato dal trasformatore durante il funzionamento.
• Alta efficienza. Il design compatto di questi trasformatori riduce l'induttanza di dispersione, quindi i trasformatori planari hanno un'efficienza molto alta. I valori tipici superano il 99%.
• Bassa capacità parassita intra-avvolgimento. La capacitàparassita all'interno di un avvolgimento può essere resa piuttosto bassa posizionando gli ingressi e le uscite lontani l'uno dall'altro sulla scheda.

Ci sono anche alcuni compromessi da considerare se stai progettando un trasformatore planare personalizzato, o se vuoi integrare un trasformatore planare nel layout del tuo PCB:

• Capacità di corrente limitata. Poiché le tracce planari sono utilizzate per formare avvolgimenti, devono essere progettate per garantire un aumento di temperatura sufficientemente basso. Un limite di corrente elevato significa che il trasformatore deve essere progettato per avere più spazio sulla scheda. Dai un'occhiata alle norme IPC-2152 per maggiori informazioni.
• Rapporto di trasformazione limitato. I requisiti di larghezza della traccia per diverse valutazioni di corrente e qualsiasi limite che potresti avere sulla dimensione dell'impronta possono limitare il numero di spire che puoi posizionare sul PCB.
• Maggiore investimento in attrezzature. I trasformatori standard utilizzano materiali facilmente disponibili, mentre un trasformatore planare richiede di sottoporre il componente al processo di fabbricazione standard del PCB.
• Alta capacità parassita interavvolgimento. La capacità parassita tra gli avvolgimenti può essere piuttosto alta a causa della disposizione delle bobine su diversi strati del PCB.

Progettare un Trasformatore Planare in un Layout PCB

Come è stato menzionato sopra, ci sono due modi per costruire un trasformatore planare: come componente autonomo o integrato in un layout di PCB più grande. Entrambi i tipi di trasformatore planare seguono lo stesso processo. Il layout di esempio sottostante mostra come un trasformatore planare è formato avvolgendo il materiale del nucleo del trasformatore attorno al layout del PCB utilizzando delle incisioni. I due lati del nucleo possono essere avvitati insieme o fissati con una piccola clip, come mostrato sopra.

Nel design di esempio sottostante, le tracce in ogni strato sono instradate nella forma desiderata delle bobine, così come le porte di ingresso/uscita per ogni avvolgimento. È possibile inserire facilmente più avvolgimenti primari/secondari nel layout. Anche se normalmente ciò viene fatto su un componente autonomo, potresti anche farlo sulla stessa scheda degli altri tuoi componenti, il che ti offre un pacchetto completamente integrato.

Oltre ai punti menzionati sopra, presta attenzione a questi due punti quando progetti un trasformatore planare:

• Impilamento dei layer. Devi anche selezionare lo spessore del dielettrico adeguato tra gli strati nel pacchetto della scheda. Lo spessore del dielettrico determina la capacità parassita tra gli avvolgimenti, la tensione massima (a causa del breakdown) e la velocità con cui il calore può essere dissipato.
• Frequenza.I trasformatori planari sono normalmente utilizzati con frequenze nell'ordine dei kHz. Per prevenire perdite capacitive attraverso gli avvolgimenti, o tra piani vicini alle bobine del trasformatore, la capacità non può essere troppo elevata.

C'è un equilibrio delicato nel progettare questi componenti. Non possiamo rendere la corrente troppo elevata poiché ciò richiederebbe tracce più larghe; ciò poi aumenta l'accoppiamento capacitivo, che limita la frequenza utilizzabile. Non possiamo nemmeno avere valori di riduzione troppo elevati; i trasformatori planari commerciali possono avere un rapporto di trasformazione di ~6:1, anche se l'induttanza può essere piuttosto alta e raggiungere livelli fino a ~1 mH.

Tracciare le bobine con forme curve o altre geometrie richiede il routing ad arco o routing ad angolo qualunque per posizionare accuratamente le tracce sul PCB. Poi c'è la questione della dissipazione del calore dal trasformatore che ritorna nel substrato. Ci sono molti aspetti da considerare nella progettazione di questi componenti, ma è possibile portare a termine il lavoro con gli strumenti giusti per la progettazione di PCB.

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