PCB実装用トランスについて知っておくべきすべてのこと

交流から直流への電流変換では、単純な装置と見誤りがちなトランスが必要になります。この装置は、磁気誘導を使用して、一方のコイルの電流を変化させることにより、直接的な機械接続を必要とせずに2つのコイル間で電気を流します。ケース／シャーシに取り付けたり、PCBに直接取り付けたりできるトランスには、さまざまなタイプがあります。この記事では、PCBでの電流変換に使用するときに高い絶縁を実現できる、利用可能なPCBトランスの選択肢をいくつかご紹介します。

考慮すべきもう1つの重要な点は、新しい設計で使用するPCB実装用トランスをどのように選択すべきかということです。PCB実装用トランスにはさまざまなサイズがあり、低電力対応の小型SMDコンポーネントまたは高電力対応の大型機械向けスルーホールコンポーネントのいずれかとしてパッケージ化されています。これらのコンポーネントをさまざまなタイプの電力調整システムで使用する際に考慮すべき重要なトランスの仕様について説明していきます。

PCB実装用トランスの概要

トランスは一般に、一次コイルと二次コイルの間に発生する磁場を介して誘導結合する、物理的に分離された2つのコイルで構成されます。PCB実装用トランスは、2つの回路間の電気を流すため、他のコンポーネント（デジタルセクション、パワーコンディショニングなど）と一緒にPCBに取り付けられるように設計されています。ここで重要な点は、トランスの両側を絶縁したままコイル間で電気を流すことです。ユーザーに危険を及ぼす可能性があるPCBの入力側は、出力側から絶縁されています。重要な仕様であるこの絶縁の必要性については、以下で説明します。

実際のトランスは、いくつかの図に示されているような、正方形の磁気コアをコイルで包んで磁気結合を行うという単純な構造を必ずしもしていません。むしろ、コイルとコアの設計は、積層、コアシェル、またはスタックトポロジーを含み、やや複雑になる可能性があります。PCB設計者であれば通常、電流変換効率とコイル間の絶縁レベルを決める、コアを通る誘導結合の強度と絶縁性だけを気にします。

PCB実装用トランスの主な仕様

あらゆる回路でPCBトランスを使用する際に直面する主な課題は、最小限の電力処理仕様で、高効率の電流変換を確実に行う適切なトランスを選択することです。PCBに実装する際には、PCBトランス選択を決める要素として、実装方法、トランスのサイズ、Z軸スパンも考慮する必要があります。これらの主な仕様の一部について以下で説明します。

一次および二次定格 - その名が示すように、これは一次および二次コイルの電圧および電流の制限を指定しています。まず、必要な電圧に基づいてトランスを選択し、入力コイルと出力コイルで定義されているトランスの電流制限を確実に下回るように設計する必要があります。

定格電力と電力効率 - トランスが処理できる電力のことです。トランスでは直流定格のみが指定されている場合があります。これは抵抗定格電力です。無効定格電力は異なる可能性があり、特定の周波数で定義されるため、データシートを見るときはこの点に注意が必要です。電力効率は、多くの場合、特定の条件下（つまり、全電流）で直流値として指定されます。

フォームファクター - スペースが限られている場合には、これがトランスを選択する決め手となることがあります。PCB実装用トランスの選択は、多くの場合、PCBサイズまたは筺体の制約によって決まります。これらのトランスはPCBの高い位置に設置されるため、振動が発生しやすくなります。

実装方法（SMT、またはスルーホール） - SMTトランスは、外側本体にピンが付いた平らな底面を備えているため、コンポーネントをトランス内のPCBにはんだ付けできます。スルーホールトランスは長いピンを備えており、振動や熱衝撃に耐えられる強力なPCB接続が可能です。

冷却機構 - これらのコンポーネントはPCBに実装されることを想定しているため、通常、大規模な電流変換や一般的なパワーハンドリングに重要な冷却機構を備えていません。代わりに、メーカーは、必要温度が一定の安全値を下回るよう、最大入力／出力定格電力を提供しています。主な冷却メカニズムは、パッケージングへの伝導、ひいてはPCBへの伝導によるものです。おそらくこれの唯一の例外は、ヒートシンクを実装または統合するために、パッケージ上に平らな表面を備えたPCB実装用平面トランスです。

インダクタンス - これは、フライバックコンバータやLLC共振コンバータなど、直流-直流変換アプリケーションの切り替えでより重要になります。交流-直流アプリケーションの場合、インダクタンスによって2次コンポーネントへの結合強度が決まりますが、通常は単純に耐定格電力と変換効率に注目します。

独自のトランスまたはコイルを設計すべきか？

設計者が規格外の電圧に降圧できるカスタム電流変換コンポーネントを構築したいと考えている場合に、この質問が寄せられることがあります。端的に回答すれば「そのほうが良い」となりますが、これは自力で行うべきことではありません。パワーマグネティックスには規制と安全性要件があるため、PCB実装用トランスの専門メーカーと協力してカスタム・コンポーネントを設計および入手する必要があります。仕様を満たす既製のトランスを選択し、出力にレギュレーターを使用して、希望の出力電圧を達成できるようにすることがお勧めです。

トランス製造業者に依頼する場合でも、回路基盤トランスの製造に使用される材料やプロセスを指定することはできません。各製造業者は、UL規格の安全基準を満たすコンポーネントを製造するために使用する特定のプロセスと材料をすでに決めています。これらの規格に合格する能力は、貴社の設計が火災や感電の危険なく動作するのに十分な安全性を確保し、最終的に一般市場で販売できるようにするために非常に重要です。

PCBトランスの識別および電源システムを扱うときは、安全性を設計の最優先事項にする必要があります。UL規格に合格した絶縁システムを使用するカスタムトランスを入手した後でも、製造元または試験機関と協力して、完成したPCBAもUL規格に確実に合格できるようにする必要があります。回路基板トランスを適切に選択し、電源システムのベストプラクティスを実行できれば、安全かつ効率性の高い電源システムを構築できる可能性が高くなります。

コンパクトな絶縁型電源を設計する場合は、PCB設計ソフトウェアで使用できるPCB実装用トランスを選択する必要があります。設計に最適なPCB実装トランスを見つけたら、CircuitMakerのPCB設計ツールを使用して回路図とPCBレイアウトを作成します。CircuitMakerのすべてのユーザーは、設計をアイデアから製品に移行するために必要な回路図、PCB レイアウト、製造ドキュメントを作成できます。ユーザーは、Altium 365™ プラットフォームの個人ワークスペースを活用したり、設計データをクラウドにアップロードして保存したり、安全なプラットフォームからウェブブラウザ経由でプロジェクトを簡単に表示したりすることができます。

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