プレーナートランスフォーマーのPCBデザインの作り方

バナー画像：平面トランスのインダクタンスとキャパシタンスは、COMSOLソフトウェアを使用してECADファイルから抽出できます。画像クレジット：COMSOL.

PCB上に配置できる最もかさばるスルーホールコンポーネントはトランスです。現時点で思い浮かぶ唯一の同程度に大きなコンポーネントは、大型の高電圧キャパシタ、ワイヤーワウンドインダクタ、いくつかのコネクタ、およびヒートシンクです。小さなトランスでさえ、大多数の集積回路よりも多くのスペースを取りますし、電源システムの設計者はPCBレイアウトを作成する際にこれらのコンポーネントのサイズを慎重に検討する必要があります。

スルーホールマウント可能なトランスはPCB上で非常に高く設置されるため、低プロファイルの代替品があると便利です。平面トランスは、スルーホールマウントで基板に取り付けることも、直接PCBに統合することもできるオプションの一つです。どちらのオプションも、さまざまな電流値を処理できる低プロファイルのトランスを提供します。ここでは、平面トランスのPCBレイアウトを作成する方法について説明します。

平面トランスとは何か？

プレーナートランスは、PCB上に直接配置できる平らな巻線を使用します。これをトロイダルトランス、積層コアトランス、または他の一般的なトランスと比較しますと、銅線を使用してトランスコアの周りに巻線を形成します。PCBのトレースを使用して巻線を形成することで、プレーナー形状が作られます。この形状とトランスに使用される材料のおかげで、他のトランスと比較していくつかの利点があります：

• 低プロファイル。これらのトランスは、同様の仕様を持つ他のトランスよりも高さがありません。これにより、薄型のエンクロージャーにスリークなデザインを提供できます。
• 高い熱放散。低プロファイルは、トランスをより広い領域に広げます。これはトランスがより多くのボードスペースを占めることを意味しますが、運用中にトランスからより多くの熱を放散できます。
• 高効率。これらのトランスのコンパクトな設計は漏れインダクタンスを減少させるため、プレーナートランスは非常に高い効率を持っています。典型的な値は99％を超えます。
• 低い漂遊巻線間容量。巻線内の漂遊容量は、入力と出力をボード上で互いに遠ざけることにより、かなり低くすることができます。

カスタム平面トランスを設計する場合や、平面トランスをPCBレイアウトに統合したい場合には、考慮すべきトレードオフもいくつかあります。

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• 限られた電流容量。平面トレースを使用して巻線を形成するため、十分に低い温度上昇を確保するように設計する必要があります。高電流制限は、トランスをより多くのボードスペースを持つように設計する必要があることを意味します。IPC-2152基準についての詳細はこちらをご覧ください。
• 限られた巻数比。異なる電流定格のためのトレース幅要件と、フットプリントサイズに必要な制限は、PCB上に配置できる巻数を制限する可能性があります。
• 高い工具投資。標準的なトランスは、容易に入手可能な材料を使用しますが、平面トランスは標準のPCB製造プロセスを通じてコンポーネントを製造する必要があります。
• 高い漂遊間巻き容量。PCBの異なる層にコイルが配置されるため、巻線間の漂遊容量がかなり高くなることがあります。

PCBレイアウトでの平面トランスの設計

上述の通り、プレーナートランスフォーマーを構築する方法は2つあります。それは、独自のコンポーネントとして、またはより大きなPCBレイアウトに統合して行う方法です。どちらのタイプのプレーナートランスフォーマーも同じプロセスに従います。以下の例のレイアウトは、カットアウトを使用してPCBレイアウトの周りにトランスフォーマーコア材料を巻き付けることによって、プレーナートランスフォーマーがどのように形成されるかを示しています。コアの両側は、上記のように、ネジで固定するか、小さなクリップで固定できます。

以下の例の設計では、各層のトレースがコイルの望ましい形状に沿ってルーティングされ、各巻線の入出力ポートも配置されています。レイアウトに複数の一次/二次巻線を簡単に配置できます。これは通常、独自のコンポーネントで行われますが、他のコンポーネントと同じボード上でこれを行うこともでき、これにより完全に統合されたパッケージを得ることができます。

上記の点に加えて、プレーナートランスフォーマーを設計する際には、以下の2点に注意してください：

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• レイヤースタックアップ。ボードスタックアップ内の適切な誘電体の厚さを選択する必要があります。誘電体の厚さは、巻線間の漂遊容量、最大電圧（絶縁破壊のため）、および熱がどれだけ速く放散されるかを決定します。
• 周波数。平面トランスは通常、kHzの周波数で使用されます。巻線間やトランスフォーマーコイルの近くの平面間で容量性リークを防ぐために、容量は大きすぎてはいけません。

これらのコンポーネントを設計するには繊細なバランスが必要です。電流を大きくしすぎることはできません。これはより広いトレースを必要とし、これにより容量性結合が増加し、使用可能な周波数が制限されます。また、大きなステップダウン値を持つこともできません。商用の平面トランスフォーマーは約6:1の巻数比を持つことができますが、インダクタンスは非常に高くなることがあり、約1 mHレベルに達することもあります。

トレースコイルを曲線形状や他のジオメトリでルーティングするには、PCBトレースを正確に配置するためにアークルーティングまたは任意角度ルーティングが必要です。それから、トランスフォーマーから基板に戻る熱の放散の問題があります。これらのコンポーネントを設計する際には考慮すべきことがたくさんありますが、適切なPCB設計ツールを使用すれば仕事を成し遂げることができます。

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