평면 변압기 PCB 디자인 만드는 방법

배너 이미지: 평면 변압기의 인덕턴스와 커패시턴스는 COMSOL 소프트웨어를 사용하여 ECAD 파일에서 추출할 수 있습니다. 이미지 제공: COMSOL.

지금까지 PCB에 배치할 수 있는 가장 부피가 큰 스루홀 구성 요소는 변압기입니다. 현재로서는 대형 고전압 커패시터, 와이어 감김 인덕터, 일부 커넥터 및 히트싱크만이 비슷한 크기의 대형 구성 요소로 생각됩니다. 심지어 작은 변압기조차도 대부분의 집적 회로보다 더 많은 공간을 차지하며, 전력 시스템 설계자들은 PCB 레이아웃을 생성할 때 이러한 구성 요소의 크기를 신중하게 고려해야 합니다.

스루홀로 장착 가능한 변압기는 PCB 위에서 매우 높이 설치될 수 있으므로, 낮은 프로파일을 가진 대안이 있으면 도움이 됩니다. 평면 변압기는 스루홀로 보드에 장착하거나 PCB에 직접 통합할 수 있는 옵션 중 하나로, 다양한 전류 값을 처리할 수 있는 낮은 프로파일의 변압기를 제공합니다. 평면 변압기 PCB 레이아웃을 생성하는 방법은 다음과 같습니다.

평면 변압기란 무엇인가?

평판 변압기는 PCB에 직접 배치할 수 있는 평평한 권선을 사용합니다. 이를 토로이달 변압기, 적층 코어 변압기 또는 다른 일반 변압기와 대비해 보면, 이들은 변압기 코어 주위에 구리선을 사용하여 권선을 형성합니다. PCB의 트레이스를 사용하여 권선을 형성함으로써 평판 형태가 만들어집니다. 변압기의 형태와 사용된 재료 덕분에, 다른 변압기에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:

• 낮은 프로필. 이 변압기들은 비슷한 사양의 다른 변압기보다 높이가 낮습니다. 이는 얇은 외장에 슬림한 디자인을 제공할 수 있습니다.
• 높은 열 분산. 낮은 프로필은 변압기를 더 넓은 영역에 펼쳐놓습니다. 이는 변압기가 보드 공간을 더 많이 차지한다는 것을 의미하지만, 운영 중에 변압기에서 더 많은 열이 분산될 수 있습니다.
• 높은 효율. 이러한 변압기의 컴팩트한 디자인은 누설 인덕턴스를 줄여서, 평판 변압기는 매우 높은 효율을 가집니다. 전형적인 값은 99%를 넘습니다.
• 낮은 잔류 권선 내부 커패시턴스. 보드 상에서 입력과 출력을 서로 멀리 배치함으로써 권선 내의 잔류 커패시턴스를 상당히 낮출 수 있습니다.

맞춤형 평판 변압기를 설계하거나 평판 변압기를 PCB 레이아웃에 통합하려는 경우 고려해야 할 몇 가지 절충 사항이 있습니다:

• 제한된 전류 용량. 평판 트레이스를 사용하여 권선을 형성하기 때문에, 충분히 낮은 온도 상승을 보장하기 위해 설계되어야 합니다. 높은 전류 한계는 변압기가 더 많은 보드 공간을 가지도록 설계되어야 함을 의미합니다. 자세한 정보는 IPC-2152 표준을 참조하세요.
• 제한된 권선 비율. 다른 전류 등급에 대한 트레이스 폭 요구 사항과 발자국 크기에 대해 필요할 수 있는 제한은 PCB에 배치할 수 있는 권선 수를 제한할 수 있습니다.
• 더 높은 공구 투자. 표준 변압기는 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용하는 반면, 평판 변압기는 표준 PCB 제작 과정을 거쳐야 합니다.
• 높은 잔류 권선 간 전기 용량. PCB의 다른 레이어에 코일이 배열되어 있기 때문에 권선 간의 잔류 전기 용량이 상당히 높을 수 있습니다.

PCB 레이아웃에서 평판 변압기 설계하기

위에서 언급했듯이, 평면 변압기를 구축하는 방법은 두 가지가 있습니다: 독립된 구성 요소로서 또는 더 큰 PCB 레이아웃에 통합하여. 두 종류의 평면 변압기 모두 동일한 과정을 따릅니다. 아래의 예시 레이아웃은 PCB 레이아웃 주변으로 변압기 코어 재료를 감싸는 컷아웃을 사용하여 평면 변압기가 어떻게 형성되는지 보여줍니다. 코어의 양쪽은 위에서 보여진 것처럼 나사로 조이거나 작은 클립으로 고정할 수 있습니다.

아래의 예시 디자인에서, 각 층의 트레이스는 코일의 원하는 모양뿐만 아니라 각 권선의 입력/출력 포트로 라우팅됩니다. 레이아웃에 여러 개의 1차/2차 권선을 쉽게 넣을 수 있습니다. 이는 일반적으로 독립된 구성 요소에서 수행되지만, 나머지 구성 요소와 같은 보드에서도 이 작업을 수행할 수 있으며, 이를 통해 완전히 통합된 패키지를 얻을 수 있습니다.

위에서 언급한 사항 외에도, 평면 변압기를 설계할 때 다음 두 가지 사항에 주의하세요:

• 레이어 스택업. 보드 스택업에서 적절한 유전체 두께를 선택해야 합니다. 유전체의 두께는 권선 간의 잔류 커패시턴스, 최대 전압(내전압 때문에), 그리고 열이 얼마나 빨리 발산되는지를 결정합니다.
• 주파수.평판 변압기는 일반적으로 ~kHz 주파수와 함께 사용됩니다. 변압기 코일 근처의 풍선이나 풍선 사이에서 용량성 누설을 방지하기 위해, 용량이 너무 클 수 없습니다.

이러한 구성 요소를 설계하는 데는 섬세한 균형이 필요합니다. 전류를 너무 크게 만들 수 없는데, 이는 더 넓은 트레이스를 요구하기 때문입니다; 이는 용량성 결합을 증가시켜 사용 가능한 주파수를 제한합니다. 또한 큰 단계 하강 값을 가질 수 없습니다; 상업용 평판 변압기는 ~6:1의 권선 비율을 가질 수 있지만, 인덕턴스는 상당히 높을 수 있으며 최대 ~1 mH 수준에 이를 수 있습니다.

트레이스 코일을 곡선 형태나 다른 기하학적 형태로 라우팅하는 것은 아크 라우팅 또는 모든 각도 라우팅을 사용하여 PCB 트레이스를 정확하게 배치하는 것을 요구합니다. 그런 다음 변압기에서 기판으로 돌아가는 열 발산 문제가 있습니다. 이러한 구성 요소를 설계할 때 고려해야 할 사항이 많지만, 올바른 PCB 설계 도구를 사용하면 작업을 완료할 수 있습니다.

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