Jak stworzyć projekt PCB z transformatorem planarnym

Obraz w tle: Indukcyjność i pojemność transformatora płaskiego można wyekstrahować z pliku ECAD za pomocą oprogramowania COMSOL. Zdjęcie: COMSOL.

Największym komponentem przewlekającym, jaki możesz umieścić na swojej płytce PCB, jest transformator. Jedynymi porównywalnie dużymi komponentami, o których mogę teraz pomyśleć, są duże kondensatory wysokonapięciowe, induktory nawinięte drutem, niektóre złącza i radiatory. Nawet małe transformatory zajmują więcej miejsca niż większość układów scalonych, a projektanci systemów zasilania muszą starannie rozważyć rozmiar tych komponentów podczas tworzenia układu PCB.

Transformatory montowane przewlekane mogą być bardzo wysokie na płytce PCB, więc pomocna jest alternatywa o niskim profilu. Jedną z opcji jest transformator płaski, który może być montowany przewlekany do płyty, lub może być zintegrowany bezpośrednio z twoją płytą PCB. Obydwie opcje dają ci transformator o niskim profilu transformator, który może obsługiwać różne wartości prądu. Oto jak możesz stworzyć układ PCB dla transformatora płaskiego.

Co to jest Transformator Płaski?

Transformator płaski wykorzystuje płaskie uzwojenia, które mogą być umieszczone bezpośrednio na płytce PCB. W przeciwieństwie do transformatora toroidalnego, transformatora z rdzeniem laminowanym lub innych powszechnych transformatorów, gdzie do formowania uzwojeń wokół rdzenia transformatora używa się drutu miedzianego. Użycie PCB z ścieżkami do formowania uzwojeń tworzy płaską formę transformatora. Dzięki formie i materiałom używanym w transformatorze, ma on pewne zalety w porównaniu z innymi transformatorami:

• Niski profil. Te transformatory nie są tak wysokie jak inne transformatory o podobnych specyfikacjach. Może to zapewnić elegancki design dla cienkich obudów.
• Wysoka dysypacja ciepła. Niski profil rozkłada transformator na szerszym obszarze. Chociaż oznacza to, że transformator zajmuje więcej miejsca na płytce, więcej ciepła może być rozproszone z transformatora podczas działania.
• Wysoka efektywność. Kompaktowa konstrukcja tych transformatorów redukuje indukcyjność rozproszenia, więc transformatory płaskie mają bardzo wysoką efektywność. Typowe wartości przekraczają 99%.
• Niska pojemność pasożytnicza międzyzwojowa. Pojemność pasożytnicza wewnątrz zwoju może być bardzo niska, poprzez umieszczenie wejść i wyjść daleko od siebie na płytce.

Istnieją również pewne kompromisy, które należy rozważyć, jeśli projektujesz niestandardowy transformator płaski lub chcesz zintegrować transformator płaski z układem PCB:

• Ograniczona zdolność prądowa. Ponieważ do formowania uzwojeń używane są ścieżki płaskie, muszą być one zaprojektowane tak, aby zapewnić wystarczająco niski wzrost temperatury. Wysoki limit prądowy oznacza, że transformator musi być zaprojektowany tak, aby zajmować więcej miejsca na płycie. Zapoznaj się z normami IPC-2152 po więcej informacji.
• Ograniczony stosunek zwojów. Wymagania dotyczące szerokości ścieżek dla różnych ocen prądowych oraz wszelkie ograniczenia, które możesz potrzebować w odniesieniu do rozmiaru śladu, mogą ograniczać liczbę zwojów, które możesz umieścić na PCB.
• Wyższe inwestycje w narzędzia. Standardowe transformatory używają łatwo dostępnych materiałów, podczas gdy transformator płaski wymaga przeprowadzenia komponentu przez standardowy proces fabrykacji PCB.
• Wysoka pojemność pasożytnicza międzyzwojowa. Pojemność pasożytnicza między zwojami może być dość wysoka ze względu na układ cewek na różnych warstwach PCB.

Projektowanie transformatora płaskiego w układzie PCB

Jak wspomniano powyżej, istnieją dwa sposoby budowy transformatora płaskiego: jako oddzielny komponent lub zintegrowany z większym układem PCB. Oba typy transformatorów płaskich podążają za tym samym procesem. Poniższy przykładowy układ pokazuje, jak transformator płaski jest formowany przez owijanie materiału rdzenia transformatora wokół układu PCB za pomocą wycięć. Dwie strony rdzenia mogą być połączone śrubami lub zabezpieczone małym zaciskiem, jak pokazano powyżej.

W poniższym przykładowym projekcie, ścieżki na każdej warstwie są prowadzone w pożądanym kształcie cewek, jak również porty wejściowe/wyjściowe dla każdego uzwojenia. Możesz łatwo umieścić wiele uzwojeń pierwotnych/wtórnych w układzie. Chociaż zazwyczaj robi się to jako oddzielny komponent, możesz również zrobić to na tej samej płytce co reszta twoich komponentów, co daje ci w pełni zintegrowany pakiet.

Dodatkowo do punktów wspomnianych powyżej, zwróć uwagę na te dwa punkty podczas projektowania transformatora płaskiego:

• Układ warstw. Musisz również wybrać odpowiednią grubość dielektryka między warstwami w układzie płytki. Grubość dielektryka determinuje pojemność pasożytniczą między uzwojeniami, maksymalne napięcie (ze względu na przebicie) oraz szybkość rozpraszania ciepła.
• Częstotliwość.Transformatory płaskie są zazwyczaj używane przy częstotliwościach rzędu kiloherców. Aby zapobiec przeciekom pojemnościowym przez uzwojenia lub między płaszczyznami w pobliżu cewek transformatora, pojemność nie może być zbyt duża.

Istnieje delikatna równowaga w projektowaniu tych komponentów. Nie możemy zbyt zwiększyć prądu, ponieważ wymaga to szerszych ścieżek; to z kolei zwiększa sprzężenie pojemnościowe, co ogranicza użyteczną częstotliwość. Nie możemy również mieć dużych wartości obniżających; komercyjne transformatory płaskie mogą mieć stosunek uzwojeń około 6:1, chociaż indukcyjność może być dość wysoka i osiągać poziomy do około 1 mH.

Trasowanie cewek ścieżkami o zakrzywionym kształcie lub innej geometrii wymaga trasowania łukowego lub trasowania pod dowolnym kątem aby dokładnie umieścić ścieżki PCB. Następnie pojawia się kwestia odprowadzania ciepła z transformatora z powrotem do podłoża. Jest wiele aspektów do rozważenia podczas projektowania tych komponentów, ale można wykonać tę pracę z odpowiednimi narzędziami do projektowania PCB.

Jeśli chcesz umieścić transformator płaski w układzie PCB, wypróbuj kompletny zestaw narzędzi CAD w Altium Designer®. Narzędzia do układania, trasowania i produkcji są idealne do tworzenia skomplikowanych projektów, w tym projektów z transformatorami płaskimi. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał podzielić się swoim projektem, platforma Altium 365® ułatwia współpracę z innymi projektantami.

Dopiero zaczęliśmy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.